第10章-水泥土搅拌法

主讲人：刘海明博士Email：[e-mail](preferred)Tel:[phone]灌浆法主要内容§10.1概述§102加固机理§10.3水泥土加固土的力学性质§10.2加固机理§10.4设计计算§10.3水泥土加固土的力学性质§10.5施工方法§质量检查§10.6质量检查第一节水泥土搅拌法一、概一、概述述11、、概念概念一、概一、概述述、、概念概念水泥土搅拌法是指：水泥土搅拌法是指：利用水泥(或石灰)等材料作为固化剂水泥土搅拌法是指：水泥土搅拌法是指：利用水泥(或石灰)等材料作为固化剂((材料材料))，通过特制的搅拌机械((工具工具))，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌((施工方法施工方法))，由固化剂和软土间所产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性水稳定性和定强度的水泥加固土((结果结果))从而提高地基性、水稳定性和一定强度的水泥加固土((结果结果))，从而提高地基强度和增大变形模量((目的目的))的处理方法。22、、施工分类施工分类根据施工方法的不同根据施工方法的不同，，水泥土搅拌法分为水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌水泥浆搅拌((湿湿法法))和和粉体喷射搅拌粉体喷射搅拌((干法干法))两种两种前者前者是用水泥浆和地基土搅是用水泥浆和地基土搅法法))和和粉体喷射搅拌粉体喷射搅拌((干法干法))两种两种。。前者前者是用水泥浆和地基土搅是用水泥浆和地基土搅拌；拌；后者是用水泥粉或石灰粉和地基土搅拌后者是用水泥粉或石灰粉和地基土搅拌。。33适用土质类型与加固深度适用土质类型与加固深度水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、、粉粉土土饱和黄土饱和黄土素填土素填土粘性土以及无流动地下水的饱和松粘性土以及无流动地下水的饱和松土土、、饱和黄土饱和黄土、、素填土素填土、、粘性土以及无流动地下水的饱和松粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基散砂土等地基。。条件限定条件限定44、、条件限定条件限定11））地基土的天然含水量小于地基土的天然含水量小于3030％％((黄土含水量小于黄土含水量小于2525％％))、、大于大于7070％％或地下水的或地下水的pHpH值小于值小于44时不宜采用干法；冬期施工时时不宜采用干法；冬期施工时，，应注意负温应注意负温对处理效果的影响；对处理效果的影响；22））湿法的加固深度不宜大于湿法的加固深度不宜大于2020mm；干法不宜大于；干法不宜大于1515mm。。水泥土搅拌桩水泥土搅拌桩的桩径不应小于的桩径不应小于500500mmmm；；的桩径不应小于的桩径不应小于500500mmmm；；33））对泥炭土对泥炭土､､有机质土有机质土､､塑性指数塑性指数IIpp大于大于2525的粘土的粘土､､地下水具有腐蚀地下水具有腐蚀性时性时无工程经验的地区无工程经验的地区必须通过现场试验确定其运用性必须通过现场试验确定其运用性性时性时、、无工程经验的地区无工程经验的地区，，必须通过现场试验确定其运用性必须通过现场试验确定其运用性｡｡44））室内试验表明室内试验表明::含有高岭石含有高岭石、、多水高岭石多水高岭石、、蒙脱石等粘土矿物蒙脱石等粘土矿物的这类软土的这类软土加固效果较好加固效果较好含有伊犁石含有伊犁石氯化物和水铝英石等矿氯化物和水铝英石等矿的这类软土的这类软土加固效果较好加固效果较好；含有伊犁石；含有伊犁石、、氯化物和水铝英石等矿氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机质含量高物的粘性土以及有机质含量高、、酸碱度酸碱度(pH(pH值值))较低的粘性土的较低的粘性土的加加固效果较差固效果较差。。55适用的工程对象适用的工程对象55适用的工程对象适用的工程对象深层搅拌法可用于增加软土地基的承载能力，减少沉降量，提高边坡的稳定性，适用于以下情况。1)市政工程铁路高速公路及工业与民用建筑等厚层软粘土1)市政工程、铁路、高速公路及工业与民用建筑等厚层软粘土地基的加固；厂房内具有地面荷载的地坪(如金属材料堆场)、高填方路堤下的基层等；2)进行大面积地基加固，以防止港口、码头、岸壁的滑动、深进行大面积固防头岸的滑动深基坑开挖时边帮坍塌、坑底隆起和减少软土中地下构筑物的沉降等；3)海中(水中)的堤类地基可作为地下防渗墙以阻止地下渗透3)海中(水中)的堤类地基。可作为地下防渗墙以阻止地下渗透水流；可对桩侧或板桩背后的软土加固，以增加侧向承载能力。66水泥土加固体的主要作用水泥土加固体的主要作用水泥土搅拌法形成的水泥土加固体，可作为竖向承载的复合地水搅水可载复合基、基坑工程围护挡墙、被动区加固、防渗帷幕、大体积水泥稳定土等。77水泥土搅拌法的主要优点水泥土搅拌法的主要优点11))可针对不同工程特性的地基土及工程设计要求灵活选用固化剂及配方。ÄÄ具有设计灵活的特点；配方。ÄÄ具有设计灵活的特点；22))搅拌时，对地基侧向挤出影响细小。ÄÄ对周围建筑影响小；33))施工对环境影响小(无振动、无噪音、无污染)。ÄÄ适于集市及密集度建筑区作业及密集度建筑区作业；44))能使原土得到有效利用；55))加固后重度变化小ÄÄ软弱下卧土层附加沉降小55))加固后重度变化小。ÄÄ软弱下卧土层附加沉降小；66))与钢筋混凝土桩相比，工程造价低(不仅大量利用了原地基土，水泥、石灰等固化剂用量也相对较小)。ÄÄ经济；77))可以根据上部结构需要，可以灵活采用柱状、壁状、格栅状及块状等加固型式。ÄÄ加固型式具多变性与灵活性；状等加固型式。ÄÄ加固型式具多变性与灵活性；88))加固深度从数米～数十米。ÄÄ适用于不同级别的建筑。99))当采用干法时，无须向地基中加水，并可吸收周围软土中的水分。ÄÄ使加固后地基的初期强度便较高ÄÄ使加固后，地基的初期强度便较高；三轴水泥搅拌机三轴水泥搅拌机三轴水泥搅拌机三轴水泥搅拌机二、加固机理二、加固机理软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理，集中体现在水泥加集中体现在水泥加二、加固机理二、加固机理固土固土((简称水泥土简称水泥土))的物理的物理——化学反应过程中化学反应过程中。水泥加固土与混凝土的硬化机理有所不同：水泥加固土与混凝土的硬化机理有所不同：混凝土的硬化主要是水泥在粗填充料(即比表面不大、活性很弱的介质)中进行水解和水化作用，所以凝结速度较快；而在水泥加固土中，由于水泥的掺量很小(仅占被加固土重的10％～15％)，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质土的围绕下进行所以硬化速度缓慢且作用复杂质——土的围绕下进行，所以硬化速度缓慢且作用复杂。水泥加固土强度增长的过程也比混凝土缓慢。水泥加固土强度增长的过程也比混凝土缓慢。11水泥的水解与水化反应水泥的水解与水化反应11、、水泥的水解与水化反应水泥的水解与水化反应11))普通水泥的主要成份及特点普通水泥的主要成份及特点普通硅酸盐水泥的主要组份是普通硅酸盐水泥的主要组份是CCaaOO、、SiOSiO22、、AlAl22OO33、、FFee22OO33、、等等并由这些不同的氧化物分别组成不同的水泥矿物并由这些不同的氧化物分别组成不同的水泥矿物硅酸硅酸SOSO33等等，，并由这些不同的氧化物分别组成不同的水泥矿物：并由这些不同的氧化物分别组成不同的水泥矿物：硅酸硅酸三钙三钙((33CaOCaO··SiOSiO22))｛｛决定水泥早期强度决定水泥早期强度，，四个星期内四个星期内｝｝、、硅酸二硅酸二22钙钙(β(β--22CaOCaO··SiOSiO22){){产生水泥后期强度产生水泥后期强度,,四星期后开始发挥强度作四星期后开始发挥强度作用用年左右达到硅酸三钙四个星期时的强度作用年左右达到硅酸三钙四个星期时的强度作用}}铝酸三钙铝酸三钙用用,,一年左右达到硅酸三钙四个星期时的强度作用一年左右达到硅酸三钙四个星期时的强度作用}}、、铝酸三钙铝酸三钙((33CaO·AlCaO·Al22OO33){){水化速度快水化速度快，，促进早期凝结促进早期凝结,,对水泥对水泥11至至33天内的强天内的强度起一定作用度起一定作用}}，，铁铝酸四钙铁铝酸四钙((44CCaaO·AlO·Al22O·FeO·Fe22OO33){){也也促进早期强度促进早期强度，，但强度较低但强度较低}}与与硫酸钙硫酸钙(CSO(CSO))等等但强度较低但强度较低}}与与硫酸钙硫酸钙(CaSO(CaSO44))等等；；22))水泥加固软土时的水解与水化反应水泥加固软土时的水解与水化反应用水泥加固软土时用水泥加固软土时水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的用水泥加固软土时用水泥加固软土时，，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应水发生水解和水化反应，，¨¨生产氢氧化钙生产氢氧化钙(CaOH(CaOH22))、、含水硅酸含水硅酸钙钙(CaO·mSiO(CaO·mSiO22·nH·nH22O)O)、、含水铝酸钙含水铝酸钙((33CaO·CaO·AlAl22OO33··66HH22OO))及含水及含水铁酸钙铁酸钙((CaO·FeCaO·Fe22OO33·H·H22OO))等化合物等化合物。。铁酸钙铁酸钙((CaOFeCaOFe22OO33HH22OO))等化合物等化合物。。所生成的所生成的氢氧化钙氢氧化钙、、含水硅酸钙含水硅酸钙能迅速溶于水中能迅速溶于水中，，从而使从而使水泥颗粒表面重新暴露出来水泥颗粒表面重新暴露出来与与水继续发生反应水继续发生反应这样周围的这样周围的水泥颗粒表面重新暴露出来水泥颗粒表面重新暴露出来，，与与水继续发生反应水继续发生反应，，这样周围的这样周围的水溶液就逐渐达到水溶液就逐渐达到饱和饱和。。当溶液达到饱和后当溶液达到饱和后，，水分子虽然继续水分子虽然继续深入颗粒内部深入颗粒内部，，但新生成物已不能再溶解但新生成物已不能再溶解，，只能以细分散状态只能以细分散状态的胶体析出的胶体析出悬浮于溶液中悬浮于溶液中形成胶体形成胶体的胶体析出的胶体析出，，悬浮于溶液中悬浮于溶液中，，形成胶体形成胶体。。22、、土颗粒与水泥水化物的作用土颗粒与水泥水化物的作用22、、土颗粒与水泥水化物的作用土颗粒与水泥水化物的作用水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与其周围具定活性的粘土颗粒发生反应有的则与其周围具一定活性的粘土颗粒发生反应。11))离子交换和团粒化作用离子交换和团粒化作用粘土和水结合时会表现出一种粘土和水结合时会表现出一种胶体特征胶体特征，，例如例如::如土中二氧化硅如土中二氧化硅遇水后形成硅酸胶体微粒遇水后形成硅酸胶体微粒，，表面带有钠离子表面带有钠离子NaNa++或钾离子或钾离子KK++，，它们它们能和水泥水化生成的氢氧化钙中钙离子能和水泥水化生成的氢氧化钙中钙离子CaCa22++进行当量吸附交换进行当量吸附交换((膨胀膨胀性性))，，¨¨使较小的土颗粒形成较大的土团粒使较小的土颗粒形成较大的土团粒，，而使土体强度提高而使土体强度提高。。性性))，，¨¨使较小的土颗粒形成较大的土团粒使较小的土颗粒形成较大的土团粒，，而使土体强度提高而使土体强度提高。。水泥水化生成的凝胶粒子水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗粒大的比表面积约比原水泥颗粒大10001000倍倍，，¨¨产生很大的表面能产生很大的表面能表面能强烈的吸附活性表面能强烈的吸附活性使较大的土团粒进使较大的土团粒进¨¨产生很大的表面能产生很大的表面能。。表面能强烈的吸附活性表面能强烈的吸附活性，，使较大的土团粒进使较大的土团粒进一步结合聚集一步结合聚集，，形成团粒结构的水泥土形成团粒结构的水泥土，，并填充于各土团的空隙并填充于各土团的空隙，，形成坚固的联结形成坚固的联结使水泥土的宏观强度大大提高使水泥土的宏观强度大大提高形成坚固的联结形成坚固的联结，，使水泥土的宏观强度大大提高使水泥土的宏观强度大大提高。。22))凝结硬化反应凝结硬化反应随着水泥水化反应的深入随着水泥水化反应的深入，，溶液中析出大量的钙离子溶液中析出大量的钙