1 综述
1.1 概论
人类的建筑工程活动离不开场地和地基，而地基是指承托建（构）筑物基础的这一部分地质体。根据建（构）筑物性质不同，地基存在强度及稳定性、压缩及不均匀沉降、渗漏水、液化、特殊土的特殊指标等五类工程指标和相应的地质问题。这种地基土的工程特性不能或者部分不能满足工程需求所产生的地质问题，需要提高地基承载力、改善其变形性质、降低地基土渗透性质或改善地基土的其他不良工程性质，可采取人工方法对地基土进行处理，来满足工程需要，这一系列的工程活动就是地基处理。地基处理的机理就是利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法对地基土进行加固，改良地基土的工程特性，以解决上述这五类问题。根据地基土的加固机理，地基处理主要方法基本可分为置换、排水固结、灌入固化物、振密和挤密、加筋、冷热处理、托换、纠倾与迁移。深层搅拌法是通过向地基土中灌入固化物，并原地搅拌，使地基土固结,从而改善地基土的结构特性和工程性质，起到承压、减沉和防渗的作用，是一种重要的地基处理方式。
1.1.1 定义及分类
（1）定义。深层搅拌技术俗称深层搅拌法（Deep Mixing Method，简称DMM）。它是利用深层搅拌桩机在较软弱的地层中，在钻进或提升过程中，向土层中喷射浆液的同时钻头旋转搅拌，使喷入土层中的浆液与原土充分拌和在一起，形成抗压强度比天然土强度高得多，并具有整体性、水稳定性的桩柱体。搅拌桩柱体和桩周土构成复合地基，可以提高原地基承载力1～2倍，达到地基加固的目的；也可将这类桩柱体相割搭接排成一列，形成连续墙体,作为水利工程堤坝防渗墙；还可以把这种桩柱体相割搭接成多排墙体、箱体，或在墙体中插入钢筋（或型钢）构成地下连续墙，作为挡土防渗墙，起到基坑支护的作用。
深层搅拌是相对浅层搅拌而言。我国古代使用石灰、黏土和砂子形成三合土修筑驿道；20世纪20年代，美国及欧洲一些国家在软土上修建公路时，经常采用“水泥稳定土”作为路基。这种石灰土或水泥土是按地基加固范围，从地表挖取1.0～3.0m的软土，在机械或人工掺入石灰或水泥，经混合搅拌后，回填到原处压实，此种加固软土的方法即浅层搅拌法。浅层搅拌处理深度多在1.0～2.0m，一般不超过4.0m。深层搅拌法加固深度一般大于5.0m。国内陆地最大加固深度已达30m，国外陆地最大加固深度已达48m。国外及我国海上最大加固深度均已达60m。本书仅介绍使用特制机械在陆地把水泥浆喷入地基深处就地加固原土，而无需将被加固土取出的施工方法，即深层搅拌法。
（2）分类。深层搅拌技术包括机械搅拌式和高压喷射式。机械搅拌式深层搅拌法是通过主动力带动钻头在地下强制搅拌天然土体和固化剂，使固化剂与土体充分搅拌混合，形成桩柱体；高压喷射式深层搅拌法是用高压水、压缩空气以及注浆材料将地基土原地破碎、切削，使固化剂和被加固土体充分混合形成桩柱体。高压喷射式深层搅拌法形成的实质上就是高压喷射灌浆中的旋喷桩，高压喷射式深层搅拌桩（旋喷桩）工法见本全书第一卷其他分册。本书只涉及机械搅拌式深层搅拌法，在无特别注明时，深层搅拌桩就是指机械搅拌式深层搅拌桩。
工程特性不同，土体上工程建造类型不一，土体加固目的各异，因而，深层搅拌桩种类很多。根据施工材料、机具等不同，深层搅拌桩有多种分类方法。
1）深层搅拌桩按照施工添加材料的种类分为石灰搅拌桩、水泥搅拌桩和其他固化材料的搅拌桩。
采用生石灰对土体进行加固处理的历史悠久，我国早在春秋战国前就使用石灰、黏土和砂子三合土修筑驿道，秦朝时代万里长城和千里堤防都是采用石灰加固的土料建造而成，古埃及也曾使用石灰、烧石膏和砂子来加固金字塔地基和尼罗河河堤。石灰是CaCO3经过高温煅烧为生石灰（也称消石灰，化学分子式CaO），生石灰浸水后熟化为熟石灰［化学分子式Ca（OH）2］，石灰体积发生膨胀，同时释放大量的热能，熟石灰进一步与土体中的相应的离子交换和胶凝反应，上述三种作用共同发挥，使被加固区的土体强度得以大幅度提高，达到加固的目的。石灰搅拌法于1967年由瑞典人提出，同时日本开始了石灰搅拌机械的研制，于1974年开始在软土地基加固工程中应用。石灰通常以粉体与土搅拌，在北欧及东南亚各国均有应用，我国应用尚不多。
水泥深层搅拌桩是以水泥作为主要固化剂，通过机械把固化剂掺入地下，在机械强制搅拌下，固化剂与土体反应，达到加固地基的效果。水泥深层搅拌桩应用最为广泛，在无特别注明时，本书深层搅拌桩就特指水泥深层搅拌桩。
水泥中也可掺入一定比例的粉煤灰或其他具有化学活性的工业废料，如磨细的高炉矿渣等。我国上海市建筑科学研究院等单位，已成功完成利用地方性工业废料生产的胶结料取代水泥，用于止水帷幕搅拌桩的研究，包括胶结料的小批量生产及其材料性能试验、拌和料的物理力学性能试验及工程应用试验等一系列工作，已获得成功，并通过了上海市市级鉴定。此类桩被命名为“工业废料土搅拌桩”。
随着人类工程活动对地基更高的要求和科技水平的进步，其他更为高效的固化剂也将研制出来并付诸工程实践。
2）深层搅拌桩按其所使用水泥的物理状态不同，分为浆体搅拌桩和粉体搅拌桩两类。
浆体搅拌桩是以水为载体，按照一定的水灰比，将水泥融入符合要求的水中，搅拌制成水泥浆，用浆泵通过搅拌轴、钻头等机械部件把水泥浆注入深层土体，进行机械搅拌，形成桩柱体。
粉体搅拌桩是以压缩空气为载体，利用空压机产生的气流，将水泥粉体输送到土体中，进行机械搅拌，使水泥粉与土体搅拌混合，土体中的水分、矿物质与水泥发生系列的反应，形成桩柱体。
目前的工程实践表明，我国水泥浆体搅拌桩应用较广。粉体搅拌桩宜用于土中含水量大于30%的情况。遇含水量在30%以下的土，若进行粉喷加固，必须注水搅拌。
3）深层搅拌桩由于其施工机械所具有的搅拌头数目的不同可分为单头、双头和多头（目前国内常用机械最多有五头）深层搅拌桩。
根据施工机械的施工动力条件，由主机同时驱动单个、两个或多个钻杆，带动单个、两个或多个钻头进行深层搅拌施工。以桩机同时施工钻头的数量形成的桩数分为单头、双头、多头深层搅拌桩，目前较常用机械有单头、双头、三头、四头和五多头深层搅拌设备。在国外已有一机采用八个钻头的深层搅拌设备。
在地基处理中常用单头和双头深层搅拌桩；在防渗墙和基坑支护中常用多头深层搅拌桩。单头深层搅拌设备钻头直径一般为500～700mm；双头深层搅拌设备钻头直径一般为700～800mm；多头深层搅拌设备钻头有小直径和大直径之分，小直径钻头直径一般为300～450mm，大直径钻头直径一般为550～850mm。
4）深层搅拌桩根据其桩体内是否配有加筋材料分为加筋搅拌桩与非加筋搅拌桩。
上海、北京等地曾在20世纪80年代后期在搅拌桩中插毛竹、钢筋笼或轻型角钢组合骨架等，以增强其韧性。自90年代中期开始进一步研究并直接引进了日本的SMW工法及其施工机械，在搅拌桩中插入H形钢，并将该法命名为“加筋水泥土搅拌桩”。上海已有环球世界大厦、申海大厦、东方明珠二期工程等基坑围护结构采用加筋水泥土搅拌桩。上海、南京、武汉等地地铁建设中也已广泛应用。SMW工法在日本于1976年问世，至今已成为日本建造地下连续墙的主要工法之一。它在我国台湾地区、香港特区以及泰国、新加坡和美国、英国、法国等国家已被广泛应用。
本书主要讨论以水泥浆为固化剂的非加筋深层搅拌桩和防渗墙的施工，在施工中使用单头、双头和多头搅拌桩机。
1.1.2 特点及应用
（1）特点。
1）深层搅拌桩是具有少量挤土的非置换桩，它的挤土不同于打入式挤土桩，主要是施工时水泥浆有一定压力，水泥浆压入地基后，在黏性土层中超孔隙水压力来不及消散，以致造成少量挤土现象。
2）桩体形状不一定呈独立的柱状，可以进行多个乃至无数个圆柱形的搭接组合。
3）深层搅拌桩桩身水泥土渗透性小，多个桩搭接成防渗墙能防渗止水。
4）深层搅拌桩作为柱状桩时，布桩间距可稀可密，几乎不受限制。
5）深层搅拌桩可以与其他桩型配合使用，从而共同形成复合地基或高强复合地基，或分别发挥防渗止水和支挡抗弯作用。
6）桩身配有加筋材料时，它可以独立具有一定的竖向和横向承载力，这意味着它并非只是柔性桩，也可设计成为刚性桩。
7）深层搅拌技术施工速度快，造价较低。
8）深层搅拌技术施工噪声低、无污染。
9）深层搅拌技术充分利用原地基土土体，形成的桩体与原土体充分结合，共同构成复合地基或防渗墙，节约建筑材料。
10）深层搅拌技术施工对原有建筑物的影响较小，尤其在堤防和大坝防渗墙施工时，不开槽，不破坏堤坝稳定。
（2）应用。深层搅拌技术由于对地基具有加固、支挡、止水等多种功能，用途十分广泛，常用于以下方面的加固工程。
1）形成复合地基。深层搅拌桩的抗压强度和变形模量比天然土提高几十倍，甚至数百倍。深层搅拌桩和桩周围天然土层组成的复合地基的承载力较原土有较大提高，沉降量也显著减少，可用于水工建筑物、办公楼、工业厂房等构筑物地基加固；高速公路、铁路、堤防、土坝、大面积堆场等高填方地基加固。
2）形成防渗墙。深层搅拌桩相割搭接形成的防渗墙，连续、密实，渗透系数可小于1×10-6cm/s，可用于堤防、土坝、水工建筑物基础防渗，还可用于泵站、水闸等水工建筑物的深基坑防渗帷幕。
3）形成水泥土支挡结构物。采用多排深层搅拌桩相割搭接形成格栅状水泥土墙用于河道、基坑开挖时边坡支护及地下管道沟槽开挖的围护结构，起稳定边坡的作用。同时，还可作为止水帷幕；当在搅拌桩中插入型钢作为围护结构时，开挖深度可加大。
1.1.3 适用范围
（1）适用土层。
1）深层搅拌技术适于加固各种成因的土层。按《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）的规定：深层搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。在以前的实践中多认为深层搅拌法只适用于加固软土，随着施工机械的改进，钻进和搅拌能力的提高，适用土质范围在扩大。如在堤坝上建造防渗墙，就需要穿透碾压施工过的较硬的填土，加固下层透水性强的砂性土。《深层搅拌法技术规范》（DL/T 5425—2009）增加了含砾直径小于50mm的砂砾石土层的适用性规定。需要注意的是，在砂层厚度较大（一般大于5m），砂土密实度达中密以上的土层中施工时，施工中会出现钻进和提升困难现象，需要较大动力施工机械进行施工，较小动力设备（小于50kW）不适用该土层。
加固粗粒土时，应注意有无明显的流动地下水和承压水，尤其在江河堤防、土坝及其他水工建筑物地基施工水泥土防渗墙，应采取措施，防止固化剂尚未固结而遭冲损。遇有流动地下水和承压水的土层，施工前应经现场试验确定其适用性。
实践证明，土中含高岭石、多水高岭石、蒙脱石等矿物时，可取得最佳加固效果；土中含伊利石、氯化物和水铝英石等矿物时，加固效果较差；土的原始抗剪强度小于20～30kPa时，加固效果也较差。
2）当深层搅拌技术用于欠固结的淤泥和淤泥质土、泥炭土或土中有机质含量较高，土质呈酸性（pH<7）及地下水有侵蚀性时，宜通过试验确定其适用性。作为垂直承载桩时，深层搅拌桩处理欠固结的淤泥和淤泥质土时要通过试验论证，主要是为了避免加固后土体沉降对桩体产生负摩擦力。对于地下水中含有大量硫酸盐（海水渗入地区），因硫酸盐与水泥发生反应，对水泥土具有结晶性侵蚀，从而导致水泥土出现分裂、崩解而丧失强度，固化剂材料应选用抗硫酸盐水泥，使水泥土中产生的结晶膨胀物质控制在一定的数量范围内，以提高水泥土的抗侵蚀性能。
3）对于塑性指数Ip>25的黏土、含砾直径小于50mm的砂砾层和无工程经验的地区，应通过现场试验确定本工法的适用性。当黏性土的塑性指数Ip>25时，土的黏性很强，容易在搅拌头叶片上形成泥团，无法完成水泥土的拌和，难以提高土的强度。而对含砾直径小于50mm的砂砾层，其砂砾粒径20～50mm的含量一般应不大于15%，以免影响搅拌效果。另外，值得注意的是机械设备的能力对适用性也有较大影响，如设备功率、钻头结构、提升力和下压力大小等因素。
4）当地表杂填土厚度大，且含直径大于100mm的石块或其他障碍物时，应先将其清除，而后采用深层搅拌技术施工。
（2）加固深度。目前国内的深层搅拌施工机械的施工深度一般为25m以内。对于以提高复合地基承载力为主要目的的地基处理工程，施工深度通常控制在20m以内，在有较高地基变形要求时，可通过论证确定施工深度；对于防渗工程，处理深度一般为25m以内，处理深度超过25m时，可进行现场试验确定。实践证明，施工深度主要取决于施工机械的能力和施工水平。
（3）适用环境。由于深层搅拌技术施工时无振动、无噪声、无废水污染、无大量弃土外运，一般不引起土体隆起或侧移，故对环境的适应性强，尤其适合于旧城改造或在建筑物和人口密集的场地中应用。在水电工程中，一般应考虑进场道路能通行10t以上大卡车，12t以上的吊车、起重机等。施工场地要有不小于5m宽的工作面。由于施工机架的限制，需要有一定的净空高度，净空高度一般要大于施工深度尺寸的3～5m，若有高压线路，还需要考虑安全距离。
（4）适应温度。一般情况下，温度大于0℃的自然环境中均可施工。在负温条件下，原则上，若有必要的保温措施，只要输浆管路不被冻塞均可施工。但会增加施工成本，降低施工效率。
冰冻不会对施工质量造成实质性影响。研究表明，冰冻对水泥土的结构损害极小。在负温时，由于水泥与黏土矿物的各种反应减弱，水泥土的强度增长缓慢、甚至停止，但到正温后，随着水泥水化等反应的继续深入，水泥土强度可接近标准强度。