[科普中国]-深层搅拌法

深层搅拌法是一种用搅拌机翼片旋转，将石灰或水泥等固化剂与软土搅拌混合的加固地基方法。首先将转动搅拌翼片下沉至预定的加固深度，然后由下而上的一面提升搅拌轴的旋转翼片，一面压入固化剂（水泥浆 或生石灰），使固化剂与土粒充分搅拌混合，经过一定时间凝结成圆柱状加固土体。加固深度一般在10m以上。本法适用于加固各种土质地基，但对有机物含量大的土、硫酸盐含量大的土，其加固效果较差。

概述深层搅拌法相对于地表浅层搅拌，采取钻孔进行孔内深层搅拌而得名。深层搅拌法是利用深层搅拌机械将粉体或浆液等材料与土体强制搅拌，从而在土体内产生物理－化学反应，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的增强体，和原土体构成复合地基、防渗墙或挡墙的施工方法。中国于20 世纪70 年代开始引进、研究深层搅拌施工技术。水利工程中的应用始于 1995 年，最初主要是闸基、泵站地基采用深层搅拌桩构成复合地基。大量用作堤防特别是堤基防渗加固则是1999 年以来开展的。据不完全统计，深层搅拌法已广泛应用于中国大江大河、湖泊的堤坝防渗工程，其深层搅拌防渗墙面积已超过 650 万平方米。深层搅拌法适用于黏性土、 粉土、 砂土， 以及黄土、 淤泥质土、 淤泥、 素填土等土层， 施工时要求场地内地下无大石块、 树根、 地下管线等。空中障碍物如高压电线， 其净空距地面应满足安全要求1 。

深层搅拌机一般由双层管组成，外管下端带叶片，靠管上端的电动机带动旋转，内管供输送水泥或生石灰。中国制造的SJB-1型深层搅拌机（图2）系采用三管并列，两侧管各带二叶片式搅拌头，中央管除支承两侧管外还兼作输浆管用。一次加固面积0.7～0.8米2，加固深度可达10米（改型后,加固深度大于15米）。深层搅拌法施工时，除深层搅拌机外，尚需起吊设备、固化剂制备泵送系统（灰浆搅拌机、灰浆泵、冷却水泵、管道等）、控制操纵台等设备。

深层搅拌法分类粉喷和浆喷。按使用材料的物理状态，分粉体(俗称粉喷、干喷)和浆体(俗称浆喷、湿喷)深层搅拌2 类。其中粉体材料多用水泥、石灰。水利水电工程常用的为以水泥作固化剂的水泥粉体或水泥浆深层搅拌法2。

单头和多头。按施工机械钻头(搅拌头)的多少，可分为单头、双头和多头深层搅拌。其中，单头和双头主要用于桩柱体及复合地基，多头钻主要作用于深层搅拌防渗墙。就工效和墙段连接而言，多头优于单头。

粉喷或浆喷深层搅拌桩的施工工艺流程大致相同， 主要工艺流程为:测量放线定桩位或孔位→钻机就位→钻孔至设计深度(有时要求同时喷水泥或水泥浆) →提升钻杆和钻头， 同时搅拌(有时要求同时喷水泥或水泥浆)至桩顶或墙顶→全程或局部复搅(或复喷) →将钻杆和钻头提出地面→将钻机移至下一桩位，继续施工。

粉喷深层搅拌喷水泥时，是以压缩空气作为动力将粉体(水泥)输送到钻孔内， 并以粉雾状喷入加固地基的土层中，借钻头的叶片旋转、搅拌。浆喷深层搅拌时，则是以灰浆泵供浆，使其与土体混合。为了提高混合效果，多采取多次复喷复搅，常见的有“两喷两搅 ”、“两喷四搅”、“四喷四搅”等，以形成具有一定强度的水泥土桩体或水泥土防渗墙。

有关要求加固机理

水泥和粘性土搅和后，水泥颗粒表面的矿物很快与土中水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙和含水铁酸钙等化合物。由于离子交换和团粒化作用、硬凝反应、碳酸化作用，使水泥土的强度和水稳性得到很大提高，可压缩性得到显著降低。

离子交换使土粒表面吸附的钙离子扩散层减薄，土粒分散度降低，形成较大的土团粒。土中拌入水泥，土团粒之间的空隙基本上被水泥颗粒填满。土团粒内的土颗粒在水泥水解产物的长期渗透作用下，逐渐改变其性质，产生强度较大的、具有水稳性的水泥土区和强度较小的土块区。二者在空间相互交替，形成一种独特的水泥土结构。

搅拌桩和地基设计

包括加固体形状选择、确定单桩容许承载力，确定桩长和水泥掺入比，复合地基容许承载力计算。

加固体形状选择：可选用柱状、壁状、格栅状或块状。间隔一定距离的搅拌桩称为柱状加固体。适用于独立基础、设备基础、条形基础和承受大面积地面荷载的地坪。搅拌要相互搭接，联成壁状称为壁状加固体。可作为地下挡土结构。壁状加固体在纵横二个方向上相互交叉成方格状称为格栅状加固体。适用于结构刚度较小、对不均匀沉降比较敏感的建筑物。搅拌桩在纵横二个方向上都搭接在一起，形成大块整体称为块状加固体。适用于对不均匀沉降要求严格的地基，防止基坑底隆起和封底。

发展历史采用石灰、水泥等固化剂加固软弱地基的历史是十分久长的。古埃及曾用石灰、浇石膏和砂子来加固大金字塔的地基和尼罗河河堤。古印度也早已用石灰和粘土来建造挡水坝体。而在古罗马帝国那坡里城的居民曾用当地大量堆积的火山灰掺人不同比例的生石灰制成一种称为罗马水泥的固化剂，是近年来大量使用的火山灰水泥的雏型。这种制造水泥的技术到十八世纪为欧洲各国广泛采用。我国在春秋战国以前就用石灰、粘土和砂子拌和成三合土修筑驿道。北京顺义县发扫：到的汉墓中的石灰纯度和煅烧程度与近代石灰相同。秦始皇时代修筑的万里长城和千里堤：防都是采用经石灰加固的土料建造。到近代，1824年英国人阿斯皮琴首先制造出硅酸盐水泥并取得专利。1885年又在德国提出用硅酸盐水泥作为注浆材料的专利申请。日本在1875年也制造出火山灰水泥，1915年在长崎县松岛煤矿竖井开挖工程中采用了水泥灌浆进行止水。1917年美国开始用水泥拌合粘土作为道路的基层，1920年又将石灰拌入粘土作为路基，而建于1945年的得克萨斯高速公路基层的石灰土加固效果仍为人们所承认。在上述的工程实例中，水泥、石灰主要用于处理地基的表层，如处理高速公路和机插跑道的路基、冻胀土的处理以及边坡稳定处理。到了本世纪60年代日本和瑞典分别开发研究成功一种用于加固深层软土的方法——深层搅拌法。可以用于处理地下深部的河流冲积软土、湖沼及海底极软的沉积土、疏浚航道堆于两岸的超软填土、甚至新近沉积的淤泥等．它一般采用水泥或石灰作为固化剂。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所