深层搅拌加固法在软土地基处理中的应用

深层搅拌加固法在软土地基处理中的应用来源：西部探矿工程作者：孙茂前时间：2010-04-241、深层搅拌加固的应用特点和适用范围深层搅拌法加固软土技术是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂,通过特制的深层搅拌机械,在地基深处直接将软土和固化剂强制拌和,使软土硬结而形成强度较高的补强桩体,使补强桩体和桩间天然地基共同组成承载力较高、压缩性较低的复合地基。深层搅拌加固法处理软土技术发展至今已成为软土地基处理中应用最为普遍的一种地基处理方法,并具有广阔的发展前景。深层搅拌技术的发展主要得益于如下特点:①施工工艺简单,机械化程度高,处理效果显著;②与其他桩基相比,人员设备简单,耗用材料单一,施工速度快,且处理后很快投入使用,综合造价低;③施工现场无噪音,无振动,对环境无污染,成为城市建筑地基处理的首选方案;④施工质量易于保证,处理效果易于检测,如出现不合格桩,补救措施简单易行。目前常用的深层搅拌桩桩径多数为500mm,加固深度从数米到数十米不等。可用于增加软土地基承载力,减少沉降量和提高边坡的稳定性。常用于建(构)筑物地基、大面积的码头、公路和坝基加固及地下防渗墙等工程,处理后的复合地基承载力可达200kPa,甚至更高。2、加固原理及影响因素软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应。主要表现为:①水泥的水解水化反应,形成凝胶体和水泥杆菌结晶体。②粘土颗粒与水泥水化物的作用。当水泥的各种水化物生成后,有的自身硬化,形成水泥骨架,有的则与周围具一定活性的粘土颗粒发生离子交换、团粒化作用、硬凝反应等,生成新的化合物,从而提高水泥土的强度。③水泥水化物中游离的氢氧化钙吸收水及空气中的二氧化碳,形成不溶于水的碳酸钙,也使土的强度增加。从工程应用的观点,水泥土的强度主要受下面因素影响:2.1水泥掺入比的影响当其他条件相同时,在同一土层中水泥土的强度随水泥掺入比的增加而增加。但因场地土质与施工条件的差异,水泥掺入比的提高与水泥土强度的增加并非成正比。实际工程中水泥掺入比一般使用7%~15%为宜。掺入比αw用下式表示:αw=(掺入的水泥量÷被加固的粘土重量)×100%2.2水泥土龄期的影响水泥土的强度随龄期增加而增大,一般情况下水泥土强度7d时可达标准强度的30%~50%,30d可达标准强度的60%~70%,龄期3个月后,水泥土的标准强度基本达到要求。因此,工程上取龄期3个月的强度作为水泥搅拌桩的标准强度。2.3水泥标号的影响水泥土的强度随水泥标号增加而增加,一般当水泥标号每增加100#,水泥土的无侧限抗压强度可提高20%~30%。2.4外掺剂的影响针对具体工程,选用合适的外掺剂(如粉煤灰等),即可以改善水泥土的性能,又可以提高其强度。2.5含水率的影响当水泥土配方相同时,其强度随土样的天然含水率的降低而增大。2.6有机质含量的影响水泥土的强度随土样中有机质含量的增高而降低。2.7其他因素的影响此外,地基土及地下水的成分对水泥土的强度也有着不同程度的影响。因此,在深层搅拌复合地基设计和施工中,应充分考虑上述因素的影响。3、施工工艺及注意事项深层搅拌复合地基的性质在很大程度上取决于水泥搅拌桩桩身的质量,即桩身水泥土的强度和搅拌的均匀程度。规程中对深层搅拌法成桩工艺规定为:①深层搅拌机械就位对中;②预搅下沉至设计标高;③制备固化剂浆液;④喷粉(浆)搅拌提升;⑤重复搅拌下沉至设计深度;⑥关闭搅拌机械,移机至下一个桩位。在深层搅拌复合地基施工中应严格对照标准施工工艺,重点控制喷粉(浆)量和搅拌均匀程度,施工记录要有专人负责,对每一根工程桩的水泥用量、成桩过程、桩的编号等都要进行详细记录,并注意控制搅拌桩的垂直偏差≤1.5%桩长。质检员根据记录,对每一根桩进行质量评定。按规程要求,水泥掺入量要根据室内加固土试验确定,对施工的每一批水泥均要进行试验,以保证水泥加固土强度满足设计要求。4、实际施工中存在的问题4.1水泥加固土抗压强度取值按规程要求,水泥掺入量要以室内加固试验为依据,加固土强度取90d龄期试块的无侧限抗压强度,也就是说在每项工程设计前3个月必须进行室内加固试验,这在实际工程设计中往往难以做到。据了解,目前大多数深层搅拌复合地基,很少是先进行室内试验取得设计参数后,再进行设计施工的,可现行的各种规范(程)及设计手册对此又无具体的取值规定。所以,当前大多数深层搅拌复合地基的设计,对水泥加固土抗压强度的选取,主要是建立在经验基础上,例如水泥掺入量普遍取每米桩长50~60kg,桩身水泥加固土无侧限抗压强度取1600~1900kPa。当水泥掺入量不同或对复合地基要求不同时,对水泥加固土强度取值的相应变化则无据可依,取值具有一定的盲目性,使得实际工程中经常遇到地质条件和对复合地基承载力要求相同的工程,不同设计者的设计结果却差异很大情况。针对上述问题,今后应加强对不同土质条件下水泥掺入比与对应水泥加固土的无侧限抗压强度取值关系的研究,给出其经验数据或经验公式,以指导今后的工程设计和施工。4.2水泥搅拌桩的临界桩长目前的深层搅拌复合地基设计理论是建立在摩擦理论基础上,考虑的是桩周摩擦力和桩端阻力共同受力。水泥加固土是一种介于刚性桩和柔性桩之间的具一定压缩性桩体,其受力特征可归纳为:①在桩端荷载作用下,水泥搅拌桩的沉降主要由桩身压缩引起,而且桩身上部压缩量比桩身下部压缩量大,到桩端几乎为零。②由于桩身上部压缩变形大,使桩周摩阻力在桩身上部得以充分发挥,桩身下部摩阻力较小甚至为零。③经现场开挖发现,水泥搅拌桩达到极限荷载后,桩身在接近桩顶段因压缩变形过大而破坏,破坏模式以桩身上部横向压缩、纵向开裂为基本特征。据此分析,水泥搅拌桩在不同土层和土质条件下存在相应的临界桩长,一旦设计桩长超过临界桩长,超过部分桩长的承载力作用很小,甚至完全不起作用。目前规范(程)中对水泥搅拌桩长度尚无明确规定,在实际应用中主要是依据工程地质条件,施工机械能力和对复合地基性能要求确定搅拌深度,桩长较长者达15m,甚至更长,没有考虑临界桩长的影响,这在有些情况下是欠妥的。今后应对不同情况下的临界桩长限值进行研究。4.3施工中的复搅问题深层搅拌复合地基施工是用机械将水泥和软土强制拌和,搅拌次数越多,拌和越均匀。水泥土的强度也越高。按规程要求,水泥搅拌桩施工时应进行全程复搅以保证施工质量。但是,全程复搅既影响施工效率,又增加机械磨损。经大量工程实践证实,在工程施工中只要严格控制搅拌提升速度和保证水泥掺入量,仅对上部1/3桩段进行复搅,并重复喷粉(浆),其复合地基的地基承载力也能够达到设计要求。研究分析表明,水泥搅拌桩上部桩身刚度对承载力有明显影响,当上部1/3桩长的桩身变形模量增加一倍时,相应的单桩承载力比等刚桩的承载力提高1/3左右。水泥搅拌桩桩身变形模量的增加可以通过复搅的手段来实现,即在上部1/3桩长范围内采用重复搅拌并喷粉(浆)的施工工艺来实现。当复搅桩段长度超过1/3桩长后,单桩承载力的提高基本保持在1/3的水平,可见,对桩身上部1/3桩段进行复搅是可取的,但复搅桩段长度超过1/3桩长后,对单桩承载力的提高效果甚微。因此,建议将深层搅拌水泥土桩的复搅深度改为桩上部的1/3桩段,且复搅同时喷粉(浆),以增加桩顶部1/3段的强度和刚度,桩下部1/3段的水泥掺入量可适当减少,但水泥掺入比需≥5%。5、工程应用实例分析以我院1997年总承包的成武热电厂改造工程为例,其工程主体为单层框架结构,主体建筑面积达1600,对地基沉降要求甚严。建筑场地系黄河冲洪积平原,1~2层为新近沉积物,属软土和极软土层,第3层由粉土和粉质粘土组成,承载力较高,层顶标高为-5.00m,稳定地下水位-1.30m。原设计采用第3层土为持力层,上部软土采用换填法处理,挖土深度达5.00m,然后换填3.00m厚的级配砂石,地基处理工程需挖土七千多方,回填级配砂石近4000。另外,基坑开挖时,大面积降水工程量也十分大,地基处理及施工降水费用需百万元,且工期较长。经过对该工程地基处理方案进行比较,决定改用深层搅拌复合地基方案。设计桩径500mm,有效桩长6.00m,水泥掺入比15%,复合地基承载力fk=170kPa。在保证满足设计承载力要求的前提下,为缩短工期,降低造价。经研究分析,采用了如下工艺:①深层搅拌机械就位对中;②预搅下沉至设计深度;③制备固化剂浆液;④喷粉搅拌提升至孔口;⑤重复搅拌下沉至距桩顶1/3桩长深度;⑥重复喷粉搅拌提升至孔口;⑦关闭机械,移机至下一个桩位。目前,该项工程已施工完毕,复合地基承载力检测及实际工程应用情况均证明,地基加固效果良好,施工工艺可靠,且大大缩短了施工工期,减少地基开挖和降水工程量,经济效益十分明显。