关喜才

（漯河市沙澧建筑设计有限公司，河南 漯河 462000）

摘要：通过新型岩土固化剂（ESC）搅拌桩体与水泥土搅拌桩体的对比试验以及 ESC 固化土作用机理的论述，说明了搅拌 桩具有较高的侧摩阻力，同时证明了用 ESC 固化剂替代水泥能使搅拌桩固结土的强度大幅度得到提高，从而解决了搅拌桩 因桩体强度低而存在的侧摩阻力难以发挥、单桩承载力低的问题。

关键词：岩土固化剂（ESC）；桩体强度；单桩极限承载力；侧摩阻力

中图分类号：TU 473 文献标识码：A

1 引 言

建筑工程复合地基的处理中较常用的有水泥搅拌桩和素混凝土桩。水泥搅拌桩由于其工艺简单、便于施工且经济效益明显，在软弱地基加固处理中得到了广泛的应用。但是，水泥土在强度上存在严重不足，导致有效桩长相对较短，这在一定程度上制约了水泥搅拌桩的设计和应用。实际应用与有限元分析表明，水泥搅拌桩由于弹性模量低，桩侧土剪应力仅分布在桩顶以下有限深度内，该深度以下的桩体不能参加荷载传递工作，而混凝土桩则因侧摩阻相对较低，通常在破坏时截面承载力不能充分发挥且相对成本高。为此，找到一种较为经济的能够使桩体具有足够强度的新型搅拌桩，使其具有较 高承载力是近年来地基处理工程技术人员不断探索 的目标。

岩土固化剂（early strength and water stabilitysoil consolidator，简称“ESC”）是具有高亲土性和 与土结合后具有高耐水性等独特功能的一种新型固 化剂，近些年来在地基处理和地基基础中得到了大 量的应用。实践证明，ESC 固化土的各项力学性能 指标远高于水泥土[1]，其中单轴抗压强度远高于水 泥土，早期强度比水泥土增加的快，且后期强度稳 定增长，耐水、耐久性远高于水泥土[2]，因此，一种在不增加造价前提下可以大幅度提高搅拌桩桩体强度的ESC新型岩土固化剂替代水泥的应用，可望使材料的优势得以充分发挥，从而得到一种高承 载力的新型 ESC 搅拌桩，为搅拌桩设计和应用拓宽了更加广泛的前景。

2 ESC 搅拌桩高强性能机理

2.1 与水泥土原理的比较

土颗粒与水泥采用机械搅拌形成水泥土的基本 原理与混凝土的硬化机理有所相似，混凝土的硬化主要是水泥在粗充填料，即比表面积不大，活性很 弱的介质中进行水解和水化作用，凝结速度快。而 在水泥土中，由于土颗粒的比表面积大，水泥的掺 入量相对很少，因而水泥土的强度低是必然的[3]。 在水泥搅拌桩中，水泥土强度增长是缓慢的，一般 90 d 才具有特定的强度，其强度在 0.2～2 MPa 之 间，实际工程中多数在 1.2 MPa 以下。至于土颗粒 所带有的活性矿物质与水泥水化物的复杂作用对水 泥土的增强可以认为是微乎其微的。

相比之下，ESC 固化土由于 ESC 岩土固化剂 具有的高耐水性和高亲土性独特功能，且与普通的 波特兰水泥相比，其粒径很细，它能渗入普通水泥 所不能渗入的细小孔隙，裹住比砂小的土料，还具 有使土产生再固结的能力，因此，ESC 固化土的基 本原理与水泥土的硬化机理有所不同。ESC 在具 有一定活性的介质土中的水解和水化反应时，充分 发挥土体颗粒矿物铝硅酸盐的活性，加速了土中矿 物与 ESC 的理化反应，改变了土性，增加 ESC 固 化土的强度，并使 ESC 固化土的硬化过程比水泥 土快的多。在搅拌桩中，与水泥常规掺入量 12.5 % 相同时 ESC 固化土强度可达 3～6 MPa 之间，28 d 时能达到强度的 85 %左右。

2.2 ESC 固化土机理

当 ESC 水化物生成后，一部分与周围具有一 定活性的土颗粒发生反应，另一部分自身继续硬 化，形成 ESC 石骨架。

2.2.1 离子交换与土粒的凝聚作用

离子交换作用主要是一般黏土胶团表面带有大 量的一价 Na+、K+、Ca2+等，这些离子又具有极大 的吸水性[4]，水分的进入使得离子颗粒之间形成了 松散的结合体。当遇到 ESC 水化生成的钙离子 Ca2+时，立即进行当量吸附交换，并且与 ESC 激发 素中含有的具有较高离子强度的高价阳离子 Fe3+、 Ai3+等进行离子交换作用，使得黏土胶团表面水电 位降低，胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增 强、颗粒趋于凝聚，并清除土壤内的液相和气相， 生成的硫酸钙结晶，体积膨胀而进一步填充孔隙， 同时与针状结晶相互交叉，形成链状和网状结构而 紧密结合，提高了固化土的强度、耐水性和抗冻 性。另外，ESC 凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗 粒大 10 万倍，可产生很大的表面能，有强烈吸附活 性，能使较大的土粒进一步固结起来，形成 ESC 固 化土的土团粒结构，并封闭各土粒之间的空隙，形成坚固的联结，使 ESC 固化土的强度大大提高。

2.2.2 凝结硬化反应

离子交换形成后，随着龄期增长，胶质二氧化 硅、胶质氧化铝和 ESC 反应，从而改变了土的性 质。随着 ESC 水化反应的深入，能使组成黏土矿 物的二氧化硅（SiO2）及三氧化二铝（Al2O3）的一 部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不 溶于水的稳定结晶化合物：

土壤的成分比较复杂，含有大量的活性 SiO2、 Al2O3、CaO 等物质[5]，当加入的 ESC 与它充分搅 拌后，固化剂中某些成分与这些活性成分反应生成 胶凝性物质，发挥黏土潜在活性，增强并加速了所 形成的网状结构，使离子交换作用两天就可完成， 形成复杂的化合物，这种 ESC 固化剂中的激发素 与土中活性物质的反应，使固化土具有早强、高强 的特点称之为“ESC——催化作用”。

2.2.3 碳酸化作用

ESC 水化物中游离的氢氧化钙，能吸收水中和 空气中的二氧化碳（CO2），发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙：

这种反应也能使 ESC 固化土的强度增加，并 在其速度和幅度上较水泥土快的多。新生成的化合 物在 ESC 中起着催化剂元素的作用下，在水中或 空气中加速硬化，增大了 ESC 固化土的强度。而 且，由于其结构比较致密，水分不易侵入，从而使 ESC 固化土具有足够的稳定性。

因此，ESC 搅拌桩利用 ESC 固化剂和土之间 的一系列物理化学反应，能够使软土硬结成具有整 体性、水稳定性高和一定强度的优质地基，因而广 泛应用于软弱地基加固处理工程中。

3 搅拌桩对比试验

在地质条件相同的某住宅楼小区的 2 幢 7 层砖 混结构住宅楼的复合地基中，一幢采用水泥搅拌 桩，另一幢采用 ESC 固结剂替代水泥固化剂，分别 称之为水泥搅拌桩和 ESC 搅拌桩。为确保 ESC 搅 拌桩的可靠度，进行了两种试验桩的对比试验。试验主要是为了检测和对比水泥土搅拌桩、ESC 土搅 拌桩桩体强度沿深度的变化规律和在相同条件下， 水泥土搅拌桩与 ESC 土搅拌桩的单桩承载能力。

3.1 场地土物理力学性质

某住宅楼小区从地表依次向下主要地层土物理 力学性质详见表 1。

3.2 桩基设计与试验桩施工

相临 2 幢住宅楼设计复合地基承载力要求达到 160 kPa，地基处理采用搅拌桩。经计算，设计搅拌 桩桩长 9 m，桩径为 500 mm，桩间距为 1.1 m，其 中 1#楼采用水泥搅拌桩，水泥固化剂掺量均为 50 kg/m，做试验桩 3 根，编号为 C-1、C-2、C-3。2 楼采用 ESC 搅拌桩。ESC 固结剂掺量为 38 kg/m， 做试验桩 4 根，编号为 E-1、E-2、E-3、E-3。 试验桩体施工采用 PH-5C 常规搅拌桩施工机 械，钻孔到设计深度后，采用边喷、边搅拌、边上 提的施工工艺。为使桩体强度具有真实性、可靠性，全部试验桩桩体均不复搅[6]。

3.3 试桩取芯试验与载荷试验

为验证 ESC 搅拌桩的实用性，对试验搅拌桩， 按土层分布情况和桩体取芯试验计划，对 E-1 和 C-1、C-2、E-2 桩体分别 28 d 和 60 d 实施现场钻孔 取芯工作。取芯试样当即分别经室内加工，并测得 无侧限抗压强度值，其检测结果详见图 1 桩体强度 沿深度变化曲线。

取芯过程中发现，水泥搅拌桩体试样沿深度有 所变化，上部较完整均匀，下部均匀程度较差，特别是 C-1 桩在 60 d 取芯中，下部桩体由于太软无法 采用现有设备取芯。ESC 桩的钻孔取芯试样，上部 完整性好，下部搅拌程度也显略差，试样的强度同 样也呈降低趋势。

载荷试验采用中科院研制的全自动 JKII 型工 业主控静载仪、十字对称电机式位移传感器等主要 设备。试验加、卸荷载及沉降观测、极限承载力判 定等均按照《建筑地基处理技术规范》[7]执行。载 荷试验结果见表 2。

现场载荷试中，C-3、E-3、E-4 对应沉降量相 差不大，载荷试验均是在桩上部出现压破现象时停 止加荷的。在试验桩的基础上，为获得推广应用依 据，进一步对 ESC 搅拌桩复合地基中 1 100 根桩的 1.5 %进行了载荷试验，试验龄期为 28 d，测得 16 根桩的单桩极限承载力平均值为 460 kN，正负误差 在 50 kN 左右，对应沉降量在 15 mm 左右，载荷试 验均是在桩上部出现破损现象时停止加荷。

3.4 桩试验数值分析

（1）根据试验实测数据可知，相同深度时 ESC 土试样无侧限抗压强度高于水泥土试样 3～5 倍。 30 d龄期的ESC土取芯试样无侧限抗压强度大约为 60 d 的 80 %～90 %。

（2）载荷试验测得同一条件下水泥土搅拌试验桩极限承载力仅 180 kN，而 ESC 土搅拌试验桩极 限承载力高达 550 kN，复合地基中 ESC 搅拌桩极 限承载力平均值为 460 kN，即 ESC 土搅拌桩复合 地基承载力比水泥土搅拌桩高出很多。

（3）从桩体强度沿桩体深度变化及钻孔取芯的 完整性可以看出，ESC 桩体上部搅拌完整均匀，而 桩体下部均匀程度也略显差。水泥土桩体存在下部 取芯不完整，有的甚至由于太软无法采用现有设备 取芯。这说明水泥土桩体在下部固化土的凝固能力 较差。

（4）ESC 搅拌桩极限承载力高出达水泥土搅拌 桩 3 倍多，表明新型 ESC 固化土的效果优于水泥 土，提高了搅拌桩的适应范围，有利于搅拌桩的推 广应用。

（5）载荷试验结果说明，常规水泥搅拌桩因桩 体强度不足制约了侧摩阻力的发挥，这与有限元分 析中水泥搅拌桩由于弹性模量甚低，桩侧土剪应力 仅分布在桩顶以下有限深度内，该深度以下的桩深 不能参加荷载传递工作的结论是一致的，即水泥搅 拌桩因桩体强度低而限制了有效桩体长度。

（6）值得注意的是载荷试验中搅拌桩极限承载 力，均在桩体上部局部固化土被压碎表明，而 ESC 桩体弹性模量比水泥土桩高的多，使桩侧土剪应力 的分布可以达到桩体深度内，即相应荷载传递也可 达到桩体下部，使其有效桩长远大于水泥搅拌桩。 同时看见，用 ESC 固化剂代替传统搅拌桩中的水 泥固化剂，在不增加造价前提下大幅度地提高了深 层搅拌桩桩身强度，使搅拌桩的优势得以充分发 挥，使得处理后的地基承载力显著提高，证明了用 ESC 固化剂代替水泥固化剂，可得到一种较高承载 力的新型 ESC 土搅拌桩。

4 结 论

（1）ESC 搅拌桩的桩体强度高于水泥土桩，使 桩体有了足够高的强度保证，因此，用 ESC 固结 剂代替水泥可以使搅拌桩具有的高侧摩阻力优势得 以充分发挥，也将会使搅拌桩的“有效深度”增大， 使其复合地基具有较高的承载能力。

（2）ESC 桩体早期强度高，28 d 时桩体强度能 够达到无侧限抗压强度 60 d 的 80 %～90 %。提早 使复合地基承载能力达到设计值，缩短了地基处理 工期 2/3，这对工程安全及整个工程工期有着重大 意义。

（3）ESC 搅拌桩适宜于加固各种成因的软土地 基，具有独特的经济与技术优势，可推广应用。

参 考 文 献

[1] 关喜才. EWEC 稳定土技术参数研究[C]//河南省科学 技术协会：技术跨越与高新技术产业发展. 北京：中国 科学技术出版社，2001：262－265.

[2] 关喜才. EWEC 稳定土在建筑工程浅层地基处理中的 应用研究[J]. 城市勘测，2002，（3）：6－8.

[3] 方祥位，孙树国，陈正汉，等. GT 型土壤固化剂改良 土的工程特性研究[J]. 岩土力学，2006，27（9）：111 －114.

[4] 王银海，谌文武，韩文峰. SH 固沙机理的微观讨论[J]. 岩土力学，2005，26（4）：148－152.

[5] 龚晓南. 地基处理技术发展与展望[M]. 北京：中国水 利出版社，2004：415－422.

[6] 关喜才，王德安. EWEC 搅拌桩试验研究[J]. 四川建筑 科学研究，2005，（1）：79－81.

[7] 中国建筑科学研究院. JGJ79―2002 建筑地基处理技 术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.