11 深层搅拌桩法解析

11水泥土搅拌法11.1概述一、水泥土搅拌法的概念及适用范围水泥土搅拌法（深层搅拌法）是利用水泥（或石灰）等材料作为固化剂通过特制的搅拌机械，就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基土强度和增大变形模量。水泥土搅拌法分为深层搅拌法（简称湿法）和粉体喷搅法（简称干法）两种。前者是用浆液和地基土搅拌，后者是用粉体和地基土搅拌。该法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂上等地基。当地基土的天然含水量小于30%、大于70%或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数Ip大于25的粘土、地下水具有腐蚀性时以及无工程经验的地区，通过现场试验确定其适用性。石灰固化剂适用于粘土颗粒含量大于20%，粉粒及粘粒含量之和大于35%，粘土的塑性指数大于10，液性指数大于0.7，土的pH值为4～8，有机质含量小于11%，土的天然含水量大于30%的偏酸性的土质加固。水泥土加固体的形状可分为柱状、壁状、格栅状或块状等。水泥土加固体可以与加固体之间的土体共同构成具有较高竖向承载力的复合地基，也可以用于基坑工程围护挡墙、被动区加固、防渗帷幕。二、水泥土搅拌法的工程应用与发展水泥浆搅拌法最早是美国在第二次世界大战后研制成功的，当时称之为就地搅拌法（Mixed-in-PlasePile，简称MIP法）。1953年，日本清水建设株式会社从美国引进此法；1974年，日本港湾技术研究所等单位合作开发研制成功了水泥搅拌固化法（简称CMC法），用于加固钢铁厂矿石堆场地基，加固深度达32m。日本各大施工企业研制开发出了各种类型的深层搅拌机械，例如DCM法、DMIC法、DCCM法，等等。这些机械一般具有2～8个搅拌轴及一组注浆管路，每个搅拌叶片的直径可达1.25m，一次加固的最大面积达9.5m2。国内1977年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进行室内试验和研制工作，并于1978年底制造出国内第一台SJB-1双搅拌轴中心管输浆的搅拌机械。2002年，上海探矿机械厂为配合地下基坑支挡墙SMW工作法而开发研制了ZKD65-3型和ZKD85-3型深层三轴搅拌机械。ZKD85-3型深层三轴搅拌机械（成孔直径850mm，钻孔深27m）1.动力头2.中间支承3.注浆管电线4.钻杆5.下部支承6.电气柜7.操作盘8.斜撑9.钻机用钢丝绳10.立柱瑞典LindenAlimat公司1971年制成第一根用石灰粉和软土搅拌成的桩，1974年获得粉喷技术专利，其桩径500mm，加固深度15m。日本于1967年由运输部港湾技术研究所开始研制石灰搅拌施工机械，1974年开始在软土地基加固工程中应用，研制出使用颗粒状生石灰的深层石灰搅拌法（DLM法）；使用生石灰粉末粉体喷射搅拌法（DJM法）。铁道部第四勘测设计院于1983年用DPP-100型汽车钻改装成国内第一台粉体喷射搅拌机，并使用石灰作为固化剂，应用于铁路涵洞加固。1986年开始使用水泥作为固化剂，应用于房屋建筑的软土地基加固。1987年铁四院和上海探矿机械厂制成GPP-5型步履式粉喷机，成桩直径500mm，加固深度12.5m。国内粉喷机成桩直径在500～700mm，深度可达15m。三、水泥土搅拌法特点①水泥土搅拌法是将固化剂和原地基软土就地搅拌混合的，可最大限度地利用了原土。②搅拌时无振动、无噪音、无污染，可在密集建筑群中进行施工，搅拌时不会使地基侧出挤出，对周围原有建筑物及地下沟管影响很小。③按照不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方，设计比较灵活。④土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降。⑤根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固型式。⑥与钢筋混凝土桩基相比，可节约钢材并降低造价。⑦单轴水泥土搅拌桩桩径一般在0.5～0.6m。SJB-1型双轴深层搅拌机加固桩的外形呈“∞”形，桩径0.7～0.8m，加固深度一般为15m以内。SJB-2型双轴深层搅拌机加固深度可达18m左右。国外除用于陆地软土地基外，还用于海底软土加固，最大桩径1.5m以上，加固深度达60m。11.2加固机理一、水泥土的固化原理1）固化剂的种类水泥类、石灰类、沥青类及化学材料类等。水泥类和石灰材料应用广泛。2）水泥加固软土的作用机理（1）离于交换和团粒化作用（2）硬凝反应（3）碳酸化作用3）石灰加固软土的作用机理（1）石灰的吸水、发热、膨胀作用CaO+H2O→Ca（OH）2+65303.2J/mol（2）离于交换作用与土微粒的凝聚作用Ca（OH）→（Ca2+）+2（OH）ˉ（3）化学结合作用（固结反应）二、水泥加固土的室内试验1）水泥土的室内配合比试验（1）实验目的：了解水泥品种、掺入量、水灰比、最佳外掺剂对水泥强度影响，求得龄期与强度关系，为设计计算和施工工艺提供参数。（2）试验设备：现有土工试验仪器及砂浆混凝土试验仪器，按土工或砂浆混凝土的试验规程进行。（3）土样制备：土样应是工程现场所要加固的土，一般分三种：①风干土样②烘干土样③原状土样（4）固化剂：不同品种、不同标号水泥。水泥出厂日期≤3个月。（5）水泥掺入比：7%、10%、12%、14%、15%、18%、20%、等。wawa（%）=（掺加的水泥量/被加固软土的天然湿重）100%目前水泥掺量一般为180～250kg/m3。常用的掺入比为7%～20%。（6）外掺剂为改善水泥土的性能和提高强度，加快水泥土的凝结或防腐，可用木质碳酸钙、石膏、三乙醇胺、氯化钠、氯化钙和硫酸钠等外掺剂，还可掺入不同比例的粉煤灰。（7）试件的制作和养护在试模（70.7mmx70.7mmx70.7mm）内装入一半试料，放在振动台上振动1min后。装入其余的试样再振动1min。将试件表面刮平，盖上塑料布防止水分蒸发过快。拆模时间1～2d。为了保证其湿度，拆模后的试件装入塑料袋内，封闭后置于水中，进行标准水中养护。2）试验结果的整理和分析①含水量：水泥土含水量略低于原土样含水量，减少0.5%～7.0%，且随着水泥掺入比的增加而减小。②重度：水泥土重度仅比天然软土重度增加0.5%～3.0%。③相对密度：水泥相对密度3.1，比土相对密度2.65～2.75要大，故水泥土的相对密度比天然土稍大，约增加0.7%～2.5%。④渗透系数：水泥土渗透系数随水泥掺入比增大和龄期增长而减小，一般10-5～10-8cm/s。（1）水泥土的物理性质（2）水泥土的力学性质①水泥土的无侧限抗压强度300～4000kPa，介于脆性体与弹性体之间。当σ达到极限强度70%～80%时，σ-ε不再继续保持直线关系。当外力达到极限强度时，强度大于2000kPa水泥土出现脆性破坏；强度小于2000kPa水泥土则表现为塑性破坏。35710151820500100015002000凝期1个月0aw/%qu/kPaa）水泥土的应力-应变关系b）水泥掺入比与强度关系影响水泥土抗压强度的因素主要有：水泥掺入比；龄期；水泥标号；土样含水量；土样有机质含量；外掺剂；养护方法；为了降低造价，对承重搅拌桩试块国内外都取90d龄期为标准龄期；对起支挡作用承受水平荷载的搅拌桩，水泥土强度标准取28d为标准龄期。82cu7cu)63.0~47.0(ff；28cu14cu)80.0~62.0(ff82cu60cu)46.1~15.1(ff；28cu90cu)80.1~43.1(ffcu790cu)73.3~37.2(ff；14cu90cu)82.2~73.1(ff②抗拉强度cut)30.0~06.0(f③抗剪强度水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。当0.4~3.0cufMPa时，其粘聚力0.1~1.0cMPa，约为cuf的20%~30%；其内摩擦角变化在30~20之间。④变形模量当垂直应力达到50%无侧限抗压强度时，水泥土的应力与应变的比值，称之为水泥土的变形模量E50cu50)150~80(fE水泥土破坏时的轴向应变：%2~%1f呈脆性破坏。⑤水泥土的压缩系数和压缩模量水泥土的压缩系数为：（2.0～3.5）×10-5（kPa1)压缩模量：MPa)100~60(sE⑥水泥土的渗透系数水泥掺入比7％～15％时，水泥土的渗透系数可达到10－8cm/s。（3）水泥土抗冻性能自然冰冻不会造成水泥土深部结构的破坏。只要地温不低于-100C，就可进行水泥土搅拌法的冬季施工。三、水泥加固土的现场试验1）试验目的①根据水泥土室内配比试验最佳配方，进行现场成桩工艺试验。②在相同的水泥掺入比条件下，求出室内石块与现场桩身强度关系。③比较不同桩长于不同桩身强度的单桩承载力。④确定桩土共同作用的复合地基承载力。2）试验方法①在桩身不同部位切取试件，作室内、外试块强度之间关系的比较试验，或进行单轴抗压强度试验，确定桩体力学性能。②单桩承载力试验和桩土复合地基承载力试验。3）试验结果①正常情况下：cukcuf5.0~2.0ff②单桩和复合地基承载力设计值取s/b（或s/d）=0.01所对应的荷载。③桩的极限承载力与承载力的匹配是保证加固质量的关键。一水泥土搅拌桩的设计（1）设计步骤软土地区的建筑物地基，通常是在满足强度要求的条件下以沉降控制进行设计的，设计步骤如下：1）根据地层结构采用适当的方法进行沉降计算，由建筑物对变形的要求确定加固深度，即选择施工桩长。2）根据土质条件、固化剂掺量、室内配比试验资料和现场工程经验选择桩身强度和水泥掺入量及有关施工参数。3）根据桩身强度的大小及桩的断面尺寸，计算单桩承载力。4）根据单桩承载力、有效桩长和上部结构要求达到的复合地基承载力，计算桩土面积置换率。5）根据桩土面积置换率和基础形式进行布桩，桩可在基础平面范围内布置。6）根据桩在基础平面范围内的布置，进行承载力和沉降计算。11.3设计计算（2）对地质勘察的要求除了一般常规要求外，对下述各点应予以特别重视：1）土质分析——有机质含量、可溶盐含量、总烧失量等。2）水质分析——地下水的酸碱度（pH）值、硫酸盐含量。（3）布桩形式的选择搅拌桩可布置成柱状、壁状和块状三种形式。（4）布桩范围的确定搅拌桩按其强度和刚度可以确定它是介于刚性桩和柔性桩间的一种桩型，但其承载性能又与刚性桩相近。因此在设计搅拌桩时，可仅在上部结构基础范围内布桩，不必像柔性桩一样在基础以外设置保护桩。二、水泥土搅拌桩复合地基的设计计算1）固化剂及掺入比确定除块状加固时可用被加固湿土质量7%～12%外，其余宜为12%～20%。湿法水泥浆水灰比可选用0.45～0.55。根据工程需要用早强、缓凝、减水以及节省水泥等作用的材料。2）单桩竖向承载力特征值的计算水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定。pp1spaqaAlquRniiipcuaAfR3）竖向水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值的计算应通过现场单桩或多桩复合地基荷载试验确定。也可按公式估算：skpaspk)1(fmARmfpskpaskspkAfARffmp/AmAn式中A——地基加固的面积（m2）。4）褥垫层设计褥垫层厚度200～300mm。可选用中砂、粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于20mm。5）竖向承载搅拌桩的平面布置采用柱状、壁状、格栅状或块状等加固型式。桩可只在基础平面范围内布置，独立基础下的桩数不宜少于3根。（1）柱桩每隔一定距离打设一根水泥土桩，形成柱桩加固形式，适用于单层工业厂房独立柱基础和多层房屋条形基础下的地基加固，它可充分发挥桩身强度与桩周侧阻力。柱状加固可采用正方形、等边三角形等布桩形式。（2）壁状将相邻桩体部分重叠搭接成为壁状加固形式，适用于深基坑开挖时的边坡加固以及建筑物长高比大、刚度小、对不均匀沉降比较敏感的多层房屋条形基础下的地基加固。（3）格栅桩它是纵横两个方向的相邻桩体搭接而形成的加固形式。适用于上部结构单位面积荷载大和对不均匀沉降要求控制严格的建（构）筑物的地基加固。（4）长短桩相