2 技术原理

2.1 水泥加固土的原理

2.1.1 水泥浆和原土的混合作用

深层搅拌法加固土体的技术原理是利用深层搅拌桩机在需要加固的地层中，边钻边往土层中喷射固化剂。同时，钻头旋转搅拌，使喷入土层中的固化剂与原土充分拌和在一起，形成增强体。增强体可单独成为桩柱体，和桩间土构成复合地基，也可相割搭接排成一列，形成连续墙体作为水利工程堤坝防渗墙。

在实践中，深层搅拌法施工所用固化剂通常只是水泥，特殊情况下可根据被加固土体性质及地下水侵蚀性情况选用不同种类的外掺剂，工程有特殊要求时也会掺入如黏土、膨润土等掺合料。本书主要讨论使用通用硅酸盐水泥的情况。

（1）在砂层中，由于砂层透水性强、水泥浆液比重大于水的比重、喷入的水泥浆液将砂层中的部分水挤出，砂粒间部分孔隙被水泥浆填满。因此，砂层中需要用的水泥浆量较大，施工结束一段时间后孔口往往有一定陷落。由于砂层透水性强的原因，砂土中水泥土强度增长较快，强度较高。

（2）在黏性土中，由于黏土透水性差，水泥浆喷入后，原土中水体不易被挤出或挤出甚少，被搅拌的水泥土体积大于原土体积，施工时，往往出现浆液溢出现象。由于黏土透水性差的原因，黏土中水泥土强度增长较慢，强度较低。

（3）当原土层中存在孔洞、裂隙（如1980年以前人工填筑而成的江河湖堤）时，在搅拌施工中会出现土体耗用水泥浆量较多的现象。尤其是在水泥和土被搅拌达到流态时，水泥土浆会填充被搅拌土体周围空隙。经现场开挖及地质雷达检测，发现其影响范围最大可达被搅拌土体外约1.0m。水泥土浆在自重作用下渗透可填充被加固土体和被加固土体周围一定范围土层中的裂隙，在土层中形成大于搅拌桩径的影响区。这种现象随着深度的增加，更加明显。上述物理变化过程表明：在水泥土被搅拌达到流态的情况下，若保持孔口微微翻浆，则可形成密实的水泥土桩。

（4）水泥浆和原土经搅拌拌和形成的水泥土体的性能取决于混合的均匀程度和土体性质（土体性质的影响在以后章节中讨论）。由于深层搅拌机械的搅拌作用，天然土体被切削粉碎，并与水泥浆混合，水泥土被搅拌混合的越均匀，形成的增强体性能就越好（强度离散性小、平均强度高、抗渗性好）。但是，由于机械的搅拌作用有限，以及施工成本的限制，不可能达到理想的均匀程度，实际上会不可避免地留下一些大小泥团，尤其是黏性土，会出现水泥包裹土团的现象，而土团间被水泥填满。因此，加固后的增强体是一种不均匀的水泥土体，所谓均匀只不过是相对而言。增强体中存在水泥多、强度高、水稳定性好的水泥结石区和强度低的土团区，两者在空间上相互交替，形成一种独特的水泥土结构，这一结构物形成的增强体可成为桩柱体和桩周土构成复合地基，也可形成连续墙体。

2.1.2 水泥土的固化机理

水泥土和混凝土的固化机理有所不同。混凝土的固化是水泥在粗颗粒填充料中进行的水解水化反应，由于填充料的比表面积不大，凝结速度较快。水泥土则是在较细颗粒土体中，掺入少量（7%～20%）水泥，由于土颗粒粒径很小，水泥的水解和水化是在具有一定活性的土粒包围下进行的。因此，水泥土固化的速度较缓慢，而且作用复杂。

土体中喷入水泥浆，再经搅拌拌和后，水泥和土充分接触并固化，其固化过程有以下物理化学反应。

（1）水泥的水解和水化反应。通用硅酸盐水泥含有水硬性胶结材料，最主要的基础物质为氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO₂）、三氧化二铝（Al₂O₃）、三氧化二铁（Fe₂O₃）、及三氧化硫（SO₃）等。它们分别组成不同的水泥矿物。当用水泥浆掺入被加固土体并搅拌混合时，水泥颗粒表面的矿物立即与水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙［Ca（OH）₂］、水化硅酸钙（Ca·2SiO₂）、水化铝酸钙（Ca·Al₂O₃）和水化铁酸钙（CaO·Fe₂O₃·6H₂O）等一系列水化物。反应过程如下：

硅酸三钙（3CaO·SiO₂）在水泥中含量最高（约占全重的50%），是决定强度的主要因素。

硅酸二钙（2CaO·SiO₂）在水泥中含量较高（约占全重的25%），它主要产生后期强度。

铝酸三钙（3CaO·Al₂O₃）占水泥重量的10%，水化速度最快，促进早凝。

铁铝酸四钙（4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃）占水泥重量的10%，能促进早期强度。

硫酸钙（CaSO₄）虽然在水泥中的含量仅占3%，但它与铝酸三钙一起与水发生反应，生成一种被称为“水泥杆菌”的化合物。

据上述反应式计算，水作为一个重要的成分，参与水泥的水解水化反应，所需水量为水泥用量的18%～25%。

在水泥土水解水化作用过程中，所形成的水化物迅速溶于水，水泥颗粒表面继续暴露，继续与水反应，生成水化物溶于水。这样，直至溶液达到饱和，生成物不能再溶解，成为凝胶微粒悬浮于溶液。此后，这种凝胶微粒的一部分与其周围具有一定活性的土颗粒发生反应；另一部分逐渐通过自身凝结硬化，形成水泥石骨架。水泥矿物中的硫酸钙又和铝酸钙一起与水反应，生成一种化合物叫“水泥杆菌”（3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O），以针状结晶形式很快析出。这一反应使土中大量自由水以结晶的形式固定下来，对于土的固结有重要意义，自由水的减少量大约为“水泥杆菌”生成重量的46%。

（2）离子交换和团粒化作用。由于土为多相散布体，它与水结合时一般具有胶体的特征。土中的二氧化硅（SiO₂）遇水即形成硅酸胶体微粒。经化学反应，较小的土颗粒逐渐形成较大的土团粒。而且由于水泥水化生成的氢氧化钙［Ca（OH）₂］等凝胶粒子，其比表面积约比原水泥颗粒的比表面积大1000倍，其表面能较大，吸附活性十分强烈，于是土团粒进一步互相结合，并且封闭了团粒之间的孔隙，从而形成较坚固的水泥土的大团粒结构，使土的强度提高。

膨润土浸泡于氢氧化钙溶液中浸泡前后土样颗粒分析结果见表2-1。膨润土的表面附有钠离子，将它浸泡在氢氧化钙溶液中时，钙离子便置换钠离子。从表2-1可以看出较大粒组的含量明显增加。

（3）凝硬反应。随着水泥水化反应的深入，当溶液中析出的钙离子的数量超过离子交换所需数量时，其多余部分便与黏土矿物中的一部分或大部分胶态二氧化硅（SiO₂）或三氧化二铝（Al₂O₃）进行反应，生成不溶于水的、稳定的硅或铝酸钙结晶化合物，即微晶凝胶。反应过程如下：

上述新生成的化合物在水中和空气中逐渐硬化，强度增长。由于其结构较致密，水不易侵入，它赋予水泥土一定的水稳定性。

从扫描电子显微镜的观察可见，天然软土的各种原生矿物颗粒间无任何有机的联系，且具有很多孔隙。拌入水泥7d后，土粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水泥水化物结晶的萌芽。1个月后，水泥土中生成大量纤维状晶体，并不断延伸填充到颗粒间的孔隙中，形成网状结构。到5个月时，纤维状结晶辐射向外伸展，产生分叉，并互相连接形成空间网状结构，水泥的形状和土颗粒的形状已不能分辨出来。

日本学者森野奎二氏通过20000 倍显微镜得出的不同龄期水泥土微观结构变化见图2-1，龄期1d的土颗粒之间的水化物较少，之后随着时间的增加，水泥水化物逐渐填充于土颗粒之间；7d时土颗粒之间充满水泥凝胶体，并出现少量水化物结晶萌芽，1个月后，生成大量结晶物质，土样内部呈网状结构，使得颗粒之间连接更加紧密，提高水泥土强度。

（4）碳酸化作用。水泥水化物中游离的氢氧化钙 [Ca（OH）₂ ]能吸收水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 （石灰石）。其他水化物继续与CO₂发生碳酸化反应，使碳酸钙成分继续增加。反应过程如下：

上述反应也能增加水泥土的强度，但其反应速度较慢，故有助于增加后期强度。

在饱水的软土中，其水化反应可减少软土中的含水量，增加颗粒之间的黏结力；离子交换与团粒化作用可以形成坚固的联合体；硬凝反应能增加水泥土的强度和足够的水稳定性；碳酸化反应还能进一步提高水泥土的强度和防渗性能。水泥和土经搅拌后，正是通过上述一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土增强体。

一般地，为让水泥的水解水化反应充分，使得水泥土具备和易性，以让水泥土搅拌充分，并形成有效的固结体，水泥浆水灰比宜根据土层特性，在0.5～1.8范围选用，其中一部分水参与水解水化反应，剩余的水分作为溶剂或分散剂，使水泥土充分液化，搅拌均匀、固结成型后，多余的水分通过孔隙流失或挥发。