第六章--化学加固法--深层搅拌法

第六章化学加固法6.4水泥土搅拌法深层搅拌法是利用水泥（或石灰等）作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在一定深度范围内把土体与水泥（或其他固化剂）强行拌和固化形成具有水稳性和足够强度的水泥土，制成桩体、块体和墙体等，并与原地基土共同作用，提高承载力，或提高防水性的一种地基处理技术。此法20世纪40年代首创于美国，70年代日本作了进一步发展，70年代末传人我国，现已广泛应用于房屋建筑、油罐、堤坝、深基坑、盾构法隧道、高速公路软基处理等工程。水泥搅拌桩干喷——粉喷桩（dryjetmixing(DJM)）湿喷——深层搅拌桩深层搅拌法中常用的固化剂有：(1)水泥类：普通硅酸盐水泥、矿渣水泥。(2)石灰类：生石灰、消石灰；(3)沥青类：地沥青、沥青乳剂；(4)化学材料类：水玻璃、氯化钙、尿素树脂、丙稀酸盐等。而对于深层搅拌桩最常用的固化剂是水泥。因此，仅对深层水泥搅拌桩的加固原理、计算方法、施工技术等作一阐述。一、适用范围1、适用土质深层搅拌法最适合加固饱和软粘土。国外使用深层搅拌法加固的土质有新吹填的超软土、沼泽地带的泥炭土、沉积的粉土和淤泥质土等。国内常用于加固淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土等。以水泥为固化剂加固土体的效果与土的矿物成分有关。一般认为含有较高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好；而含有伊利石、氯化物和水铝石英等矿物的粘性土以及有机质含量高、酸碱度较低的粘性土加固效果较差。2、加固深度深层搅拌法的加固深度取决于施工机械的功率。日本海上搅拌加固软土的深度已达到60m；国内目前在陆地的加固深度已达27m，在海上的加固深度为21.8m。3、优点（1）就地搅拌，利用原位土（2）不会侧向挤出，对周边建筑影响小（3）设计灵活（4）施工无振动、无噪声、无污染（5）加固后重度不变，不产生附加沉降（6）省材，造价低（7）灵活采用各种形式4、适用工程（1）作为建筑物或构筑物的地基、厂房内具有地面荷载的地坪、高填方路堤下基层等。（2）进行大面积地基加固。（3）作为地下防渗墙以阻止地下渗透水流。5、主要优点（1）基本不存在挤土效应，对周围地基的扰动小；（2）可根据不同的土质和工程设计要求，合理选择固化剂及配方，应用较灵活；（3）施工无振动，无噪声，污染小，可在市区和建筑物密集地带施工；（4）土体经加固后，重度基本不变，软弱下卧层不致产生较大附加沉降；（5）结构型式灵活多样，可根据工程需要，选用块状、柱状、壁状、格栅状等。二、加固原理软土与水泥通过深层搅拌形成水泥土，加固机理基于水泥土的物理化学反应。水泥土的硬化机理与混凝土有所不同，混凝土的硬化作用速度较快，而水泥土中，水泥掺量很小（占被加固土重的7%～20%），水泥水解和水化反应在土的围绕下进行;土质条件对搅拌桩桩身质量的影响主要有两个方面，一是土体的物理力学性质对搅拌桩桩身水泥土搅拌均匀性的影响；二是土体的物理化学性质对桩身水泥土强度增加的影响。因此水泥土硬化速度缓慢且作用复杂，所以水泥加固土强度增长的过程也比混凝土缓慢。1、水泥的水解和水化反应碳酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙硫酸钙(1)硅酸三钙（3CaO·SiO2）：在水泥中含量最高（约占全重的50％左右），是决定强度的主要因素。2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2(2)硅酸二钙（2CaO·SiO2）：在水泥中含量较高（约占全重的25％左右），它主要产生后期强度。2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2(3)铝酸三钙（3CaO·Al2O3）：占水泥重量的10％，水化速度最快，促进早凝。3CaO·Al2O3+12H2O+Ca(OH)2→3CaO·Al2O3·Ca(OH)2·12H2O(4)铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）：占水泥重量的10％，能促进早期强度。4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O（5）硫酸钙3CaSO4+3CaO·A12O3+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O水化速度水泥矿物的水化强度2、粘土颗粒与水泥水化物的作用（1）离子交换和团粒化作用软土作为一个多相散布系，当它和水结合时就表现出一般的胶体特征，例如土中含量最多的二氧化硅遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带有钠离子Na+或钾离子K+，它们能和水泥水化生成的钙离子Ca2+进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度提高。水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积比原水泥颗粒大1000倍，因而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团之间的空隙，形成坚固的联结。从宏观上来看也就是使水泥土的强度大大提高。（2）凝硬反应随水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过上述离子交换的需要量后，则在碱性的环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应。随着反应的深入，逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物3、碳酸化作用水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙。Ca(OH)2+CO2→CaCO3++H2O水泥水泥系材料三、水泥土的物理力学性质（一）物理性质（1）重度由于拌入软土中的水泥浆的重度与软土的重度相近，所以水泥土的重度与天然软土的重度相差不大。土的天然重度γ0（kN/m3）水泥掺入比aw（％）水泥土得重度γ（kN/m3）（γ-γ0）/γ0×100%17.1517.180.5%717.220.7%1017.291.1%1217.381.6%1517.411.8%17.1717.250.6%1517.441.7%2017.441.7%17.1517.31.1%1517.52.3%2517.62.9%土的天然比重水泥掺入比aw（％）水泥土的比重（γ-γ0）/γ0×100%2.70652.7080.1%102.7120.2%152.7361.1%202.7682.3%252.7812.8%（2）比重由于水泥的比重比一般软土（2.65~2.75）大，故水泥土的比重也比天然土的大。由表可见，尽管水泥掺入比为25％时，水泥土的比重也仅比天然软土增加3％。（3）含水量水泥土在硬凝过程中，由于水泥水化等反应，使部分自由水以结晶水的形式固定下来，故水泥土的含水量略低于原土样的含水量，如表所示试验结果，水泥土含水量比原土样的含水量减少0.5%~7.0%，且随着水泥掺入比的增加而减小。土样含水量w0％水泥掺入比aw（％）水灰比水泥土含水量w％含水量减少量w0-w％46.630.541.05.6541.84.8741.94.71041.25.41540.46.22039.47.25050.549.60.4748.91.11047.72.31246.93.11546.13.9（4）渗透性•水泥土被用作深基坑开挖和大坝用的防水帐幕、垃圾处理场的防渗处理等工程时，其低渗透性起了重要作用。•影响水泥土渗透性的因素与影响水泥土强度的因素相类似。•Nagarajetal.和Yamadera在研究原状土和水泥土（掺入比5％）的渗透性和压缩性时，得到当它们具有孔隙比相同时，尽管压缩性差别很大，但它们的渗透性相差不大的结论。•Okumura以及Suzuki等通过大量的试验，得到水泥土的渗透性随含水量减小而降低，随水泥用量增大而降低的结论，并且得到当水泥用量达到15-20％时，水泥土的渗透系数比原状土小二到三个数量级。原状土渗透系数k0(cm/s)水泥掺入比aw（％）水泥土渗透系数k(cm/s)龄期t（d）5.16×10-571.01×10-5107.25×10-6153.97×10-6208.92×10-72.53×10-678.30×10-7104.83×10-7152.09×10-7201.17×10-7（二）力学性质1、无侧限抗压强度水泥土的无侧限抗压强度一般为300~4000kPa，即比天然软土大几十倍至数百倍。其变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑性体之间，水泥土受力开始阶段，应力与应变关系基本上符合虎克定律。当外力达到极限强度的70~80%时，试块的应力和应变关系不再继续保持直线关系，当外力达到极限强度时，对于强度大于2000kPa的水泥土很快出现脆性破坏，破坏后残余强度很小，此时的轴向应变约为0.8%-1.2%表1水泥土90d龄期的无侧限抗压强度试验结果。天然土的无侧限抗压强度fcu0/MPa水泥掺入比aw（％）水泥土的无侧限抗压强度fcu/MPa龄期t/dfcu/fcu00.03750.266907.270.5609015.1101.1249030.4121.5209041.1152.2709061.32、影响水泥土无侧限抗压强度的因素0102030400200400600800似惰性区反应区qu(kPa)水泥掺入比aw(%)7d28d惰性区①水泥掺入比经过对上海地区水泥加固饱和软粘土的无侧限抗压强度的大量试验数据的分类数理统计，得到两者呈幂函数关系，其经验方程式为736.12121//wwcucuaaff式中fcu1——水泥掺入比为aw1的无侧限抗压强度；fcu2——水泥掺入比为aw2的无侧限抗压强度；上式的适用条件是：aw=5%～20%。；aw1/aw2=0.33～3.00。②水泥标号•水泥土的强度随水泥标号的提高而增加。•一般说来，水泥标号提高100号，水泥土的强度fcu约增大50~90%•如要求达到相同强度，水泥标号提高100号，可降低水泥掺入比2~3%。水泥标号对水泥土强度的影响（引自刘建军，1992）水泥掺入比aw(%)71015水泥标号425#525#425#525#425#525#无侧限抗压强度(90d)fcu(MPa)0.5601.0961.1241.7902.2703.485fcu,525/fcu,4251.951.591.53③水泥种类核工业部第四勘察院与同济大学在同一种淤泥质粉质粘土(w＝36.4％，e＝1.03)中选用同一水泥掺入比(21％)，对32.5级矿渣水泥、32.5级钢渣水泥、42.5级普通硅酸盐水泥、52.5级波特兰水泥作为对比试验。从图中可以看出32.5级矿渣水泥和钢渣水泥的水泥土无侧限抗压强度fcu要大于后两者，其原因可能是水泥中的矿渣、钢渣和粘粒水化反应的缘故。④龄期根据试验及上海地区水泥加固饱和软粘土的无侧限抗压强度试验结果的回归分析，得到在其它条件相同时，不同龄期的水泥土无侧限抗压强度间关系大致呈线性关系：fcu7=(0.47～0.63)fcu28（2-10）fcu14=(0.62～0.80)fcu28(2-11)fcu60=(4.15～1.46)fcu28(2-12)fcu90=(1.43～1.80)fcu28(2-13)fcu90=(2.37～3.73)fcu7（2-14)fcu90=(1.73～2.82)fcu14(2-15)上式中fcu7、fcu28、fcu28、fcu28、fcu90分别为7d、14d、28d、60d和90d龄期的水泥土无侧限抗压强度。当龄期超过3个月后，水泥土的强度增长才减缓。同样，据电子显微镜观察，水泥和土的硬凝反应约需3个月才能充分完成。因此水泥土选用3个月龄期强度作为水泥土的标准强度较为适宜。一般情况下，龄期少于3d的水泥土强度与标准强度间关系其线性较差，离散性较大。⑤外掺剂不同的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响。如木质素磺酸钙对水泥土强度的增长影响不大，主要起减水作用。石膏、三乙醇胺对水泥土强度有增强作用，而其增强效果对不同土样和不同水泥掺入比又有所不同，所以选择合适的外掺剂可提高水泥土强度和节约水泥用量。⑥养护温度•国内外试验资料都说明，温度对短龄期水泥土强度的影响很大。•温度高时，水泥与土的反应加快，故前期强度增长率大。