本发明涉及基础工程专用的水泥搅拌桩及其施工方法。 水泥搅拌桩是基础工程中地基处理所应用的一种桩，对软土分布地区应用尤多。施工中藉助于挤压泵和搅拌叶片把注入地层中的水泥浆液与土搅拌成水泥土桩，也即水泥搅拌桩。目前，国内外采用的水泥搅拌桩都是不变径的，即在桩长范围内保持其直径不变。如《地基处理手册》（中国建筑工业出版社出版）P339至P427中所描述的水泥搅拌桩及其施工方法。其施工方法包含有下述步骤：a.预搅下沉b.喷浆搅拌上升c.重复搅拌下沉d.重复搅拌上升。然而由于基础应力的分布是按一定规律随深度增加而递减，基础传下来的荷载大部分由紧靠基础的地层承担。因此，在全部深度范围内采用等径桩身是不合理的。从而造成施工量增加，及材料的浪费。
本发明的目的就是提供一种桩形能基本适应基础应力分布的变径水泥搅拌桩及其施工方法，以便减少施工量，提高复合地基承载能力。
水泥搅拌桩的面积（即加固体的面积）与基础面积的比值称为置换率。置换率高则加固效果好，但造价也相应提高。由于基础应力的分布是按一定规律随深度增加而递减，因此，在全部深度范围内采用同样的置换率是不合理的。从而要求提供一种置换率随深度的变化与基础应力随深度变化相适应的桩体。但置换率的变化完全同基础应力随深度变化相适应，在施工中是难以实现的。由于改变置换率可以通过改变桩径来实现，因此，可以采用这样一种桩体结构：随桩体长度的延伸其直径呈阶梯式减小。这种由于桩体直径的不连续减小形成桩体外形上的阶梯可以是两个或两个以上。具体地讲直径减小一次，形成两个阶梯;直径减小两次形成三个阶梯，桩体每个阶梯所对应的置换率应与基础应力随深度变化相适应。也就是说阶梯直径间的比值要与不同深度间置换率比值地平方根相同。
本发明还提供了一种专用于上述水泥搅拌变径桩的施工方法。本方法的主要内容是：施工时先将搅拌器按设计桩长搅拌下沉到预定深度，然后边注浆边提升搅拌，提升的高度为桩体底部阶梯的高度加一搭接长度。当搅拌器的提升高度达到预定值后，停止喷浆，搅拌器再次下沉，进行下沉搅拌。搅拌器到达桩头位置后，提升搅拌器并同时搅拌。当搅拌器完全提出后，完成施工过程。
由于水泥搅拌变径桩桩体外形变化基本适应了地基中应力随深度分布的规律。因此，与不变径桩相比，若加固后复合地基承载力达到同样数值，搅拌工程量可以大大减少;若搅拌工程量相同时，变径水泥搅拌桩的复合地基承载力可大大提高。最终实现减少加固费用时，增加加固效果的目的。
图1为有两个阶梯的水泥搅拌变径桩剖面示意图。
图2为有三个阶梯的水泥搅拌变径桩剖面示意图。
图3为水泥搅拌桩施工工艺流程图。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，水泥搅拌变径桩随深度的增加，在桩长范围内其直径的减小只有一次。从外形上看水泥搅拌变径桩形成直径不相等的两个阶梯，即上部阶梯（1）与底部阶梯（2），在每个阶梯的范围内直径是相等的。两个阶梯衔接部位除直径有一变化外，其内部仍为水泥与土的混合搅拌物。为保证两个阶梯衔接部位的强度，在衔接处设有搭接区。该区从底部阶梯（2）的顶部向上部阶梯（1）内延伸，延伸的距离称为搭接长度K，其取值在0.2米～0.5米之间。在搭接区内水泥的掺入量要比周围区域多些，因此该区的强度要比桩体其余部位的强度大。设水泥搅拌变径桩的长度为D′，其底部阶梯（2）的长度为d′，则有如下关系式：
d′＝（D′-K）/2
式中，桩长D与底部阶梯（2）长度的单位均为米。上部阶梯（1）的长度为总桩长减去底部阶梯（2）的长度，根据关系式d′＝（D′-K）/2可知，其长度为（D′+K）/2。由于基础应力的分布随桩体深度的增加是按一定规律而递减，因此上部阶梯（1）的置换率应大于底部阶梯（2）的置换率。具体地讲，若要求上部地层的置换率为A1，下部的置换率为A2，则水泥搅拌变径桩的直径在桩长范围内只减少一次，形成上部阶梯（1）与底部阶梯（2）。上部阶梯（1）直径与底部阶梯（2）直径的比值等于A1与A2比值的平方根。对一般地层条件，水泥搅拌深度不超过12米。取水泥搅拌变径桩的桩长为10米，K取0.4米，根据公式d′＝（D′-K）/2可知底部阶梯（2）的长度为4.80米、上部阶梯（1）长度为5.20米。若上部地层所要求的置换率为下部地层所要求置换率的一倍，则上部阶梯（1）的直径与底部阶梯（2）的直径的比值为∶1。对单头等径水泥搅拌桩，采用0.5米直径，10米桩长，其施工量（即水泥土搅拌量）约为2立方米。对水泥搅拌变径桩，桩长同样为10米，取上部阶梯直径为0.6米，底部阶梯直径为0.424米，此时搅拌量为2.2立方米。水泥搅拌变径桩上部阶梯置换率比等径桩增加44%;若水泥搅拌变径桩上部阶梯的直径同样采用0.5米，即置换率相同，则工程量将减少20%以上。
又如图2所示，若把被加固地层分为三层，其所要求的置换率分别为A1、A2、A3，则水泥搅拌变径桩的直径随桩体长度的增加减小两次。从而形成桩体外形上的上部阶梯（3），中部阶梯（4），底部阶梯（5），也即在同一桩体上形成三种直径，三种直径间的比值等于A1:A2:A3]]>。中部阶梯（4）与底部阶梯（5）的长度可以相等，也可以不等。为施工上的方便，中部阶梯（4）的长度与底部阶梯（5）的长度是相等的。若设底部阶梯（5）的长度为d，桩体总长度为D，则有如下关系式：
d＝（D-K）/3
式中，桩体总长度D，底部阶梯长度d的单位均为米，搭接长度K的取值范围在0.2米～0.5米之间。对有三层阶梯的水泥搅拌变径桩，每层阶梯的衔接部位同样设有搭接区。底部阶梯（5）与中部阶梯（4）间的搭接区自底部阶梯（5）的顶部向中部阶梯（4）内沿伸一搭接长度的距离。中部阶梯（4）与上部阶梯（3）间的搭接区自中部阶梯（4）的顶部向上部阶梯（3）内沿伸一搭接长度的距离。这两个搭接区的高度是相等的。
水泥搅拌变径桩施工工艺流程图如图3所示，包含有下述步骤：E.将搅拌器按设计桩长搅拌下沉到预定深度;F.注浆搅拌提升;G.搅拌下沉;H.搅拌提升。首先搅拌器预搅下沉，将桩体范围内的软土搅松，为向被搅拌软土中掺加水泥浆作好准备。当搅拌器达到预定深度（该深度即桩的长度）后，停止向下钻入。然后边注浆，边搅拌提升。注浆量与搅拌器的提升速度、水泥搅拌桩所要求的水泥掺入量有关。水泥掺入量（重量比）为10%时，搅拌器如以0.8m/分的速度提升，水泥浆的注浆量为24升/分。水泥掺入量为15%时，搅拌器以1.2m/分的速度提升，水泥浆的注浆量为54升/分。随着搅拌器的旋转搅拌提升，注入松土中的水泥浆被均匀地分散于桩体范围内。当搅拌器自桩体底部起提升到预定高度，即底部桩长加搭接长度的距离，停止喷浆，再次下沉搅拌。在搅拌器再次下沉搅拌时，所有已被注入水泥浆的松土再次被搅拌，使水泥浆与松土的混合更加均匀。搅拌器到达桩底后，向上提升，并搅拌，直至搅拌器提出桩体，完成水泥搅拌变径桩的施工过程。