3 工程设计
3.1 工程设计前的工作
3.1.1 工程勘测资料
对于拟采用深层搅拌桩的场地，应获得以下资料：
（1）土层的构成（软弱土层或透水土层的厚度、埋深，地层的连续性等），特别要查明大块障碍物（石块、树根等）的尺寸和含量。
（2）深层搅拌桩加固深度范围内土层的天然含水量、地下水的侵蚀性。
（3）有机质土层、有机质性质及含量。
（4）原地基土的物理力学指标，如天然土重度、土的无侧限抗压强度、侧摩阻力特征值，如果是防渗工程还需取得土层的渗透系数，了解渗流条件。
勘测应符合规范，满足工程要求，工程的目的不同勘探要求不同，勘测孔间距一般为50～200m，勘测深度应达到拟加固土层以下2～5m。
3.1.2 施工材料选择
（1）水泥等级及品种选择。深层搅拌法常用的加固材料主要为水泥。宜选用强度等级为32.5及以上强度等级的通用硅酸盐水泥，特殊情况下可根据加固土体性质及地下水侵蚀性情况选用不同种类的水泥。水泥强度等级直接影响水泥土的强度，水泥强度等级提高10级，水泥土强度fcu约增大20%～30%。如要求达到相同强度，水泥强度等级提高10级可降低水泥掺入比2%～3%。
实际应用中，通常使用的水泥有普通硅酸盐水泥（P.O）、矿渣硅酸盐水泥（P.S.A）、复合硅酸盐水泥（P.C）。当使用矿渣硅酸盐水泥时应注意，矿渣硅酸盐水泥早期强度明显低于普通硅酸盐水泥，但后期明显高于普通硅酸盐水泥。
（2）水泥掺入比确定。水泥掺入比是指加固土体内掺入的水泥与原状土体的质量比值。水泥掺入比可为7%～20%，特殊情况可通过试验提高掺入比。在实际应用中，当水泥掺入比小于7%时，加固效果往往不能满足工程要求，而当掺入比大于15%时，加固费用偏高，因此，《深层搅拌法技术规范》（DL/T 5425—2009）的规定，水泥掺入比以7%～15%为宜。
采用水泥作为固化剂材料，在其他条件相同时，在同一土层中水泥掺入比不同时，水泥土强度将不同。就32.5级水泥来说，地基处理时，一般水泥掺入比采用10%～15%。对于有特殊要求的地基，如需要较高的抗压、抗剪强度的地基工程可提高水泥掺入比至20%～25%；对于地基土层较软弱、含水量大、孔隙比高的土层也可视工程设计要求使用较大水泥掺入比。由于块状加固属于大体积处理，对于水泥土的强度要求不高。因此，为了节约水泥，降低成本，可选用7%～12%的水泥掺入比。水泥土的抗压强度随其相应的水泥掺入比的增加而增大，但因场地土质与施工条件的差异，掺入比的提高与水泥土强度增加的百分比是不完全一致的。水泥掺入比大于10%时，水泥土抗压强度可达0.3～2MPa以上。
一般情况下，使用32.5级水泥，防渗墙工程水泥掺入比宜为10%～15%；基坑支护和防冲蚀的挡墙工程水泥掺入比宜为15%～18%；对含水量大于100%的土，常用较高的水泥掺入比，否则难以达到加固目的。
在设计前可取被加固土作为室内水泥土配比试验，获得抗压强度、渗透系数、破坏比降等指标要求的水泥掺入量。试验龄期为90d，但在设计施工前，由于时间的限制可做7d、28d试验，由7d、28d龄期推算到90d龄期。根据室内试验初步确定合适的水泥掺入量，室内试验必须考虑施工现场条件同室内搅拌配制水泥试样时条件的差别，进行适当修正。
（3）水泥浆水灰比的选择。水泥浆水灰比的选择取决于被加固土的含水量、土质性质、机械搅拌能力及输浆情况。试验表明现场施工的水泥土性能取决于水泥的可掺入性及可搅拌性。掺入的水泥量大，但未搅拌均匀，水泥土性能指标并不理想，水灰比的大小对水泥土的均匀性起着至关重要的作用。
实践证明，同样的施工机械，在同一土层中使用不同水灰比，水泥土被搅拌的均匀性差别较大。相对来说，水灰比越大水泥土被搅拌得越均匀。在堤防加固中，常常遇到堤防土体含水量低的情况，这时就需要较大水灰比，有工程实例表明水灰比可高达2.5。但在地基处理中，由于软土地基土的含水量较高，原土层往往已处于饱和状态，若取较大水灰比，则对提高地基强度不利，因此水灰比宜取较低值，甚至可低到0.5。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）的规定水泥浆水灰比可选用0.5～0.6，而在水利水电工程中，该技术不仅仅用于软土加固复合地基，还用于防渗墙工程。因此，根据《深层搅拌法技术规范》（DL/T 5425—2009）的规定水灰比宜为0.5～2.0。黏性土当含水量小于30%时，水灰比应不小于1.5，当含水量大于50%时，水灰比应不大于1.0；砂性土中视土层含水量而定，应满足能充分搅拌拌和，而且不漏浆。以提高强度为目的的地基处理应取较小水灰比，以降低渗透系数为目的的防渗止水应取较大水灰比。实际应用中，应以现场施工试验来确定水灰比。
3.1.3 室内拌和试验
设计前应取拟加固土进行室内掺入比试验，根据被加固土中最软弱土层或透水土层的性质选择合适的固化剂与外掺剂，为设计确定配比参数。
（1）目的。由于软弱土的物理特性和化学特性、固化剂的种类和量、养护条件等要素对水泥土的性能影响很大，且水泥土的形成机制非常复杂。因此，在施工前需进行拌和试验，目的是决定固化剂的种类和掺和量。
（2）试验步骤。拌和试验主要包括材料选择、混合拌制、试样制作、养护和试验。拌和试验步骤见图3-1。
（3）试验材料。按黏性土、砂质土、富含有机质土等土质区确定代表土层，在拟加固土层范围内，从有代表性的各土层中取试样。
图3-1 拌和试验步骤图
试样的重量按试验的固化剂的种类、掺入量、养护时间（龄期）等来决定。一般地，对于一种固化剂，三种掺入量，两个龄期，约需要10kg试样，相当于两个薄壁取（土）样器的取土量。
土试样质量等级：Ⅱ级土样。
土样的封存与运输：宜按照《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）的有关技术要求执行。
（4）试验一般要求。室内混合试验的一般要求见表3-1。
表3-1 室内混合试验的一般要求表
1）固化剂的种类。就近取材，宜选择当地出产的水泥等材料。外加剂一般采用缓凝剂，根据工程的实际需要进行掺加。
2）拌和用水。拌和用水应符合《混凝土用水标准》（JGJ 63—2006）。
3）水灰比。固化剂的水灰比因施工条件而异。一般来说，水灰比0.5～2.0，要根据拟加固地基的强度、含水量以及施工机械的输浆量来决定。通常，配合比试验采用一种水灰比，根据需要有时也可采用2~3种水灰比进行比较。
4）固化剂的掺入量。固化剂的掺入量应参考拟加固土及其以前的混合物设计强度的试验结果和固化剂资料来决定，一般用掺入比来表示。室内拌和试验的掺入比，黏性土一般为7%～12%，砂质土为7%～15%，有机物含量高的特殊土为10%～25%。
5）试样调整和试件制作。因为试验需要在自然含水率的状态下进行，在试验过程中要注意保持含水率不变。试验调整和试件制作遵照《深层搅拌法技术规范》（DL/T 5425—2009）的规定实施。
6）养护。试样养护需要保持湿润状态，保持20℃±2℃的温度，养护到试验为止。
7）试验。水泥土试样强度应做无侧限抗压强度试验，另根据需要再进行渗透系数、渗透破坏比降、抗弯、劈裂抗拉强度等试验。
（5）固化剂掺入量。地基处理固化剂掺入量的初步确定程序（见图3-2），而最终宜按实际现场试验结果决定。
图3-2 固化剂配合比试验程序图
单桩设计标准强度fa和室内水泥土强度fcu的关系按式（3-1）计算：
式中 fa——单桩设计标准强度，kPa；
fcu——室内混合试验加固土无侧限抗压强度平均值，kPa；
η——强度折减系数，以单桩作为复合地基的情况时，η=0.25~0.33；块状、壁状、格子状时，η=0.33~0.50。
在现场最好对上述各种数值进行验证。计算出的水泥掺入比若小于规范规定范围，应取不低于规范规定的数值。
图3-3 固化剂配合比试验回归分析图
【例3-1】 某搅拌桩工程，土质为粉质黏土，设计要求90d水泥土无侧向抗压强度不小于0.8MPa,要求通过配合比试验确定固化剂掺入量。
解:采用钻机现场钻取代表性土样3组，密封后送实验室，采用当地32.5级复合硅酸盐水泥作为固化剂，按照8%、12%和15%的掺入比进行水泥土试配。对所配制的水泥土按照相同的条件进行标准养护，90d龄期强度分别为0.52MPa、0.90MPa、1.08MPa。
根据试验成果，采用图3-3进行回归分析，当水泥土掺入比大于11%时，水泥土强度满足要求。为保证其可靠度，最终选用水泥土掺入比为12%。