维普资讯 http://www.cqvip.com 四川建筑科学研究 第３４卷第１期 １０６ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２００８年２月 ＳＭＷ工法水泥土桩性能影响因素分析及质量控制 顾士坦 （河海大学岩土工程研究所，江苏南京２１００９８） 摘要：介绍了ＳＭＷ工法复合围护结构中的水泥土桩的加固机理、强度影响因素。ＳＭＷ工法中，水泥土桩与软土地基处理中 的深层搅拌桩相比，有其自身工作特点和要求。分析了改善ＳＭＷ工法中水泥土桩抗弯刚度和安全度的防护措施。 关键词：ＳＭＷ工法；水泥土桩；影响因素；质量控制 中图分类号：ＴＵ ４７２．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—１９３３（２００８）０１—０１０６—０３ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＳＭＷ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｐｉｌｅ ＧＵ Ｓｈｉｔａｎ （Ｇｅｏｔｅｃｈｕｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｈｅｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｐｉｌｅ ｏｆ ＳＭＷ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ．Ｔｈｅｒｅ ａｌｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｒａｉｔ ａｎｄ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｐｉｌｅ ｏｆ ＳＭＷ ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｎｔｒａｓｔｅｄ ｗｉｈｔ ｄｅｅｐ ｍｉｘｉｎｇ ｐｉｌｅ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｎｌｅａｓｕＩｅｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｌｆｅｘｕｒａｌ ｒｉｉｇｉｄｔｙ ａｎｄ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ＳＭＷ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｐｉｌｅ ａｌｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＭＷ ｅｒＩｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｅｈｔｏｄ；ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｐｉｌｅ；ｉｌｆｎｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ；ｑｕａｌｉｙｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ０ 引 言 颢 ＳＭＷ（Ｓｏｉｌ Ｍｉｘｉｎｇ Ｗａｎ）工法是水泥土桩与型钢 等劲性材料的复合结构，多用于基坑等工程的侧向 围护，此时的水泥土桩主要作用是承受侧向水土压 力和防渗，而软土地基处理中，深层搅拌水泥土桩主 要承受轴向荷载，两者施工工艺类似，但受力形式、 变形机理有较大差异。 １ 水泥土桩的性能 １．１ 水泥土桩的加固机理 深层搅拌时，水泥浆随搅拌的进行注入软弱土 图１水泥土桩强度构成的４个层次 体，水泥土体的加固效果表现为：水泥自身的水解和 Ｆｉｇ．１ Ｆｏｕｒ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ 水化反应、粘土颗粒与水泥水化物的作用、碳酸化作 在深层搅拌桩施工中，由于机械的切削搅拌差 用等 ¨。 异，难免会留下一些未被粉碎的大小土团，在拌入水 水泥土桩中水泥的硬化过程将受到周围土介质 泥后，将出现水泥浆包裹土团的现象，较长时间后， 的影响，这与混凝土是根本不同的；一般认为，水泥 水泥水解产物才能渗透到土团内的土颗粒中，从而 土桩强度有４个构成层次：土的固有结构、物理改 改变其性质。 良、水泥硬化、硬凝反应，如图１所示。其中，水泥硬 １．２水泥土桩强度的影响因素 化对强度的贡献最大 。 水泥土桩材料的力学性能与混凝土有很多的相 似之处，抗拉强度跟抗压强度和抗剪强度相比，要低 得多。两型钢间受力情况非常接近素混凝土构件。 收稿日期：２００６－０５・１５ 水泥土桩破坏时，裂缝开展情况也与无腹筋混凝土 作者简介：顾士坦（１９７８一），男，山东济宁人，博士研究生，主要从事 基坑工程支护研究。 梁的剪切破坏（斜拉破坏）类似。 Ｅ—ｍａｉＩ：咄 ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 水泥土搅拌桩是ＳＭＷ工法复合围护结构的组 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８ Ｎｏ．１ 顾士坦：ＳＭＷ工法水泥土桩性能影响因素分析及质量控制 １０７ 分材料之一，水泥土桩不仅起到了止水、承受水土压 力在型钢间产生的剪力作用，更重要的是对型钢进 行约束，保证型钢的整体稳定性，使型钢的强度和刚 度得到充分发挥，因而水泥土桩必须保证具有一定 的强度。 １．２．１ 水泥掺入比与龄期的影响 水泥土桩中，水泥含量和养护龄期对水泥土桩 强度有重要的影响 Ｊ，不同水泥含量和养护龄期对 水泥土桩强度影响情况，如图２所示。 图２初含水率和养护时间对无侧限抗压强度影响 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｉｎｉｔｉａｌ ｗａｔｅｒ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｃｕｒｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｎ ｎｏ ｌａｔｅｒａｌ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ １．２．２含水量的影响 在深层搅拌法试验中，当水泥掺入比一定时，水 泥土桩的无侧限抗压强度随着土中含水量而变化。 当水泥掺入比小于２０％时，水泥土桩的无侧限抗压 强度随土中含水量降低而增大。当水泥掺入比大于 ２０％时，含水量与无侧限抗压强度曲线存在一个峰 值 Ｊ，如图３所示。 图３水泥土桩强度与含水量之间的关系 Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ 另外，土体搅拌均匀程度、土中有机质、不同土 质、外加剂选择等也是影响水泥土桩强度的因素。 ２ ＳＭＷ工法对水泥土桩的要求 ２．１ ＳＭＷ工法水泥土桩局部抗剪 水泥土桩局部剪力如图４所示。 在ＳＭＷ工法中，水泥土桩的强度必须满足型 Ｑ Ｑ１ 图４水泥土桩错动剪力 Ｆｉｇ．４ Ｓｔｒａｉｎ・ｓｌｉｐ ｓｈｅａｒ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｉｌ 钢间水平向承载力要求和型钢间抗剪强度要求 】： ≤ （１） 式中ｐ——土压力； ——型钢净间距； ——水泥土桩厚度； ‘Ｄ，Ｃ——水泥土桩的内摩擦角和粘聚力； ——挡墙纵向应力，不确定时可保守取零； 安全系数，一般为１．５。 一 ２．２水泥土桩入土深度 ＳＭＷ工法水泥土桩的入土深度，一般比型钢入 土深度要超出１～２ ｍ，同时满足基坑整体抗滑移稳 定性、抗倾覆稳定性或踢脚稳定性、坑底抗隆起稳定 性等。 ２．３水泥土桩最小保护层厚度 型钢混凝土的设计计算中，型钢翼缘外混凝土 保护层厚度有严格规定，以保证型钢与混凝土的共 同作用。在ＳＭＷ工法复合围护结构中，特别是全 位形式时，型钢翼缘外水泥土桩的最小保护层厚度 ｒｔ要满足 Ｊ： Ｚ＂ 凡≥２・５ ｃｍ且凡≥ 式中ｆ ——型钢实际埋入水泥土桩中的长度。 ２．４水泥土桩墙体厚度 ＳＭＷ工法水泥土桩墙体厚度 。要满足抗渗要 求，挡墙墙壁单位面积最大渗水量按照下式计 算 引： Ｑ ＝ｋ／Ａ （２） 式中后——水泥土桩渗透系数，一般取０．５ Ｘ １０ ｃｍ／ｓｅｃ； ——水力坡度， Ｈ／Ｂ。； 水头差（开挖侧与非开挖侧的水位 差），ｍ； Ａ——单位换算面积，ｍ 。 Ｑ＝ｑＬ２／２ 则水泥土桩抗剪应满足： ＝ ≤［ｒ］ 式中 ｒ验算截面处的剪应力； 维普资讯 http://www.cqvip.com
１０８ 四川建筑科学研究 第３４卷 ｂ——水泥土桩墙厚度； ［．ｒ］——水泥土桩抗剪强度。 ２．５ Ｈ型钢底端截面水泥土桩强度 在Ｈ型钢的底端截面为一变刚度截面，需要校 核水泥土桩的剪切强度，以满足强度和抗渗要求，水 泥土桩的剪切强度按下式校核： Ｄ 剂混合固化剂，促进水泥水化反应，使水化物生成量 增多，水泥土桩孔隙减小，强度提高，同时也有助于 提高水泥土桩的抗侵蚀特性。常用的外加剂有粉煤 灰、石膏、减水剂、缓凝剂等。 ．ｒ＝ ≤．ｒ。 ，１ （３） 式中 Ｑ。——结构解析所得到的型钢底截面处计 掺有外加剂硅酸钠（水玻璃）的水泥浆液可以 提高水泥土桩的早期强度和固结强度。水泥浆中的 掺加剂除了掺人一定量的减水剂、缓凝剂等之外，还 应掺人一定量的膨润土，利用膨润土的保水性增加 水泥土桩的变形能力，防止墙体变形后过早开裂而 算单元的剪力，ｋＮ； Ａ——水泥土桩墙计算单元的横截面面积， ＴＩｌ２ ３改善桩体刚度、强度的控制措施 ３．１ 多次搅拌 ’ 在深层搅拌法施工中，为了使水泥浆液均匀地 分布到土颗粒中，可以对土体进行多次搅拌。文献 ［３］对１根桩径５００ ｍｍ、桩长１０ ｍ的水泥搅拌桩 进行试验，对桩上部进行反复搅拌和不进行反复搅 拌所得的单桩试验荷载一沉降量关系曲线，如图５ 所示。 五 、 柩 柱 援 图５单一搅拌与重复搅拌对比 Ｆｉｇ．５ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｓｌｎｇｌｅ ｍｉｘｉｎｇ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｉｎ￣ａｇ 对搅拌头下沉和上升的速度应加以控制。在搅 拌头下沉进程中，遇较硬土层时候，可以降低搅拌头 下沉的速度，以便更好地切削土体，使切片更薄，以 利于水泥与土拌合。遇较软土层时，可以将调速电 动机调到高速，加快搅拌头搅拌速度，并进行多次复 搅，增加土颗粒的比表面积，使水泥与土充分接触， 提高桩体强度和抗弯刚度。 ３．２加压喷浆 加压注浆搅法施工可以提高水泥浆喷射压力， 使水泥与土充分搅拌，从而提高桩体强度和单桩承 载力。搅拌头在下沉过程中进行喷浆处理，使浆液 与土体充分接触，从而提高水泥土桩体强度。搅拌 头上升和下沉过程中，均进行高压喷浆。高压喷浆 对土体具有切割作用，增强了土体搅拌的均匀程度， 从而提高桩体强度和单桩承载力。 ３．３掺加外加剂 对高含水量或富含有机质的软粘土，选用外加 影响其抗渗性。 ３．４设置压顶梁 在ＳＭＷ工法复合结构顶部设置大约０．４ ｍ厚 的钢筋混凝土压顶梁，压顶梁与水泥土桩用插筋连 接，使得水泥土群桩共同围护侧向土体，从而提高了 ＳＭＷ工法围护结构的整体刚度。 ３．５ 基坑开挖时对水泥土桩的保护 由于水泥土桩不仅有止水作用，而且更重要的 是对型钢的侧向移动和扭转有约束作用，以保证型 钢的稳定性，所以在基坑开挖过程中，还必须注意对 ＳＭＷ工法复合围护结构中水泥土桩的保护，对型钢 间的水泥土桩禁止任何的超挖与损害，以确保水泥 土桩对型钢的有效约束，从而保持其整体稳定性。 ４ 结 论 ＳＭＷ工法是基坑工程中一种新颖的围护结构， 水泥土桩是ＳＭＷ复合围护结构重要的组分材料， 与地基处理中的深层搅拌桩相比，型钢间水泥土桩 强度、水泥土桩最小保护层厚度、水泥土桩局部抗剪 以及Ｈ型钢底截面水泥土桩强度等方面有特殊的 要求。文中分析了改善水泥土桩体抗弯刚度和安全 度的措施。本文对ＳＭＷ工法中水泥土桩的设计与 施工有一定的参考价值。 参考文献： ［１］孔德志．劲性搅拌桩性能与分析理论研究［Ｄ］．上海，同济大 学，２００４． ［２］黄新，周国钧．水泥加固土硬化机理初探［Ｊ］．岩土工程学 报，１９９４，１６（１）：６２－６８． ［３］潘殿琦，陈勇．深层搅拌桩强度的影响因素与改善措施［Ｊ］． 岩石力学与工程学报，２００４，２３（１１）：１９５４—１９５８． ［４］Ｃｈｅｗ Ｓ Ｈ，Ｋａｍｒｕｚｚａｍａｎ Ａ Ｈ Ｍ，Ｌｅｅ Ｆ Ｈ．Ｐｈｙｓｉｅｏｃｈｅｍｉｅａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ Ｂｅｈａ￣ｏｒ ｏｆ Ｃｅｍｅｎｔ Ｔｒｅａｔｅｄ Ｃｌａｙｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｉｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｇｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４，１３０（７）： ６９６－７ｏ６． ［５］龚晓南．深基坑工程设计施工手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业 出版社，１９９８． ［６］ 王健．Ｈ型钢一水泥土桩组合结构试验研究及ＳＭＷ工法的 设计理论与计算方法［Ｄ］．上海：同济大学，１９９８． ［７］刘建航，侯学渊．基坑工程手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版 社，１９９７．
