第11章--水泥土搅拌法

地基处理GroundTreatment重庆交通大学河海学院吴文雪第11章水泥土搅拌法Chapter11Soil-CementDeepMixingMethod11.1概述11.1Introduction利用水泥等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械边钻进边往软土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深部就地将软土和固化剂强制拌和，使软土硬结形成加固体，从而提高地基的强度和增大变形模量。加固体和天然地基形成复合地基，共同承担建筑物的荷载。水泥粉喷机水泥粉喷机水泥粉喷机水泥粉喷机底盘贮灰罐水泥粉喷机的搅拌叶片水泥粉喷机的控制柜三轴水泥搅拌机湿法常称为浆喷搅拌法，将一定配比的水泥浆注人土中搅拌成桩，水泥浆液搅拌法是美国在第二次世界大战后研制成功的，称（Mixed－in－PlacePile(简称MIP法）。国内于1977年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院研制，1978年生产出第一台深层搅拌机，并于1980年在上海宝山钢铁总厂软基加固中获得成功。该工艺利用水泥浆作固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在加固深度内就地将软土和水泥浆充分拌和，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和足够强度的水泥土的一种地基处理方法。从施工工艺上可分为湿法和干法两种干法常称为粉喷搅拌法该工艺利用压缩空气通过固化材料供给机的特殊装置，携带着粉体固化材料，经过高压软管和搅拌轴输送到搅拌叶片的喷嘴喷出，借助搅拌叶片旋转，在叶片的背面产生空隙，安装在叶片背面的喷嘴将压缩空气连同粉体固化材料一起喷出，喷出的混合气体在空隙中压力急剧降低，促使固化材料就地粘附在旋转产生空隙的土中，旋转到半周，另一搅拌叶片把土与粉体固化材料搅拌混合在一起，同时，这只叶片背后的喷嘴将混合气体喷出，这样周而复始地搅拌、喷射、提升，与固化材料分离后的空气传递到搅拌轴的周围，上升到地面释放。粉体喷射搅拌法（DryJetMixingMethod，简称DJM法）由瑞典人KjeldPaus于1967年提出设想，1971年制成第一根桩，1974年获得专利。铁道第四勘察设计院1983年开始试验研究，并应用于过程中。干法和湿法相比较，具有如下特点：1、干法可以吸收软土地基中的水分，对加固含水量高的软土、极软土以及泥炭化土地基效果更为显著。2、干法固化剂均匀地分布在土中，不会产生不均匀散乱现象，有利于提高地基土的加固强度。3、与浆喷深层搅拌或高压旋喷相比，输入地基土中的固化材料要少得多，无浆液排出，地面无拱起现象。同时固化材料如水泥、生石灰、消石灰等，材料来源广泛，并可使用两种以上的混合材料。因此，对地基土加固适应性强，其适应的工程对象较广。4、固化材料从施工现场的供给机的贮仓一直到喷入地基土中，成为连贯的密闭系统，中途不会发生粉尘外溢、污染环境的现象。5、湿法水泥配比较直观，材料的量化较容易，有利于质量控制。适宜形式⑴作为建筑物或构筑物的地基；⑵进行大面积地基加固，防止码头岸壁滑动，深基坑开挖支护；⑶加固道路、桥涵；⑷作为地下防渗墙，阻止地下水渗透。水泥土搅拌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土等地基。当地基土的天然含水量小于30％、或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。用于处理泥炭土和地下水具有侵蚀性时，应通过试验确定。水泥土搅拌法的优点：（1）该法是将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，最大限度地利用了原土；（2）搅拌时无振动、无噪音和无污染，对周围原有建筑物及地下沟管影响很小；可在市区和建筑物密集地带施工；（3）设计灵活，可按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；（4）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形式；（5）与钢筋混凝土桩基相比，可节约钢材并降低造价。（6）土体加固后，重度基本不变，软弱下卧层不致产生较大附加沉降；水泥土的形成水泥土搅拌桩的应用c)a)d)b)a)柱状布置；b)壁状布置；c)格栅状布置；d)块状布置地基加固支护结构——水泥土墙支护结构——水泥土墙支护结构——水泥土墙支护结构——水泥土墙水泥土搅拌桩的应用地基加固11.2加固机理11.2MechanismofReinforcement1水泥的水解水化反应2土颗粒与水泥水化物的作用（1）离子交换和团粒化作用（2）硬凝反应3碳酸化作用(一)水泥的水解水化反应：减少了软土中的含水量，增加土粒间的粘结，水泥与土拌合后，水泥中的硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙以及铁铝四钙等矿物与土中水发生水解反应，在水中形成各种硅、铁、铝质的水溶胶，土中的CaSO4大量吸水，水解后形成针状结晶体。(一)水泥的水解水化反应⑴硅酸三钙：在水泥中含量最高(50％)，是决定强度的主要因素。⑵硅酸二钙：在水泥中含量较高(25%)，它主要产生后期强度。⑶铝酸三钙：占水泥总量的10％左右，水化速度最快，促进早凝。第二节加固机理(一)水泥的水解水化反应⑷铁铝酸四钙：占水泥总量的10％作用，能促进早期强度。⑸硫酸钙：含量3％左右，生成“水泥杆菌”状的化合物，能将大量自由水一结晶水形式固定下来，使土中自由水减少。(二)粘土颗粒与水泥水化物的作用1.离子交换和团粒化作用粘土颗粒带负电，吸附阳离子，形成胶体分散体系。表面带有钾离子或钠离子，可与水泥水化反应的钙离子进行离子交换，产生凝聚，形成较大的团粒，提高土体强度。第二节加固机理(二)粘土颗粒与水泥水化物的作用2.硬凝反应在碱性环境下，溶液中析出大量的钙离子，与二氧化硅或三氧化铝产生化学反应，生成不溶于水的铝酸钙等结晶水化物。在水中和空气中逐渐硬化，提高水泥强度，使水泥具有足够的水稳定性。。(三)碳酸化作用：水泥水化物中游离的氢氧化钙吸收水中和空气中的二氧化钙，发生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸钙。使地基土的分散度降低，强度和防渗性能增强。水泥与地基土拌合后经上述的化学反应形成坚硬桩体，同时桩间土也有少量的改善，从而构成桩与土复合地基，提高地基承载力，减少了地基的沉降。11.3室内试验11.3LaboratoryTest软土地基深层搅拌加固法是基于水泥对软土的作用，而目前这项技术的发展仅经过二十余年，无论从加固机理到设计计算方法或者施工工艺均有不完善的地方，有些还处于半理论半经验的状态，因此应该特别重视水泥土的室内外试验。1.试验方法(1)试验目的。进行水泥土的室内配合比试验是为了达到以下目的:①了解用水泥加固每一个工程中不同成因软土的可能性;②了解加固各种软土最合适的水泥品种;③了解加固某种软土所用水泥的掺入量、水灰比和最佳的外掺剂;④了解水泥土强度增长的规律,求得龄期与强度的关系。通过这些试验可为水泥土搅拌法的设计计算和施工工艺提供可靠的参数。(2)试验设备。目前水泥土的室内物理力学性质试验尚未形成统一的操作规程,基本上都是利用现有的土工试验仪器及砂浆混凝土试验仪器,按照土工或砂浆混凝土的试验规程进行试验。(3)土样制备。制备水泥土的土样一般分为以下两种:①风干土样:将现场挖掘的原状软土经过风干、碾碎、过筛而制成;②原状土样:将现场挖掘的天然软土立即封装在双层厚塑料袋内,基本保持天然含水量。(4)固化剂。制备水泥土的水泥可用不同品种(普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥及其他特种水泥)、各种标号的水泥,水泥掺入比可根据要求选用7%～20%等。水泥掺入比aw是指水泥重量与被加固的软土重量之比,即水泥掺入量α为(5)外掺剂。为改善水泥土的性能和提高其强度,可选用木质素磺酸钙、天然石膏、三乙醇胺等外掺剂。结合工业废料处理,还可掺入不同比例的粉煤灰。(6)试件的制作和养护。按照拟订的试验计划,根据配方分别称量土、水泥、外掺剂和水,放在容器内搅拌均匀。然后在选定的试模内装入一半试料,放在振动台上振动1分钟。再装入其余的试料后振动1分钟。最后将试件表面刮平,盖上塑料布防止蒸发过快。试件成型后,根据水泥土强度决定拆模时间,一般为1～2天。拆模后的试件放入标准养护室进行养护,达到规定龄期即可进行各种试验。2.试验结果1)水泥土的物理性质(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近。因此采用深层搅拌法加固厚层软土地基时,其加固部分对下部未加固部分不致产生过大的附加荷重,也不会发生较大的附加沉降。(2)比重:由于水泥的比重(3.1)比一般软土的比重(2.65～2.75)大,故水泥土的比重也比天然土稍大。当水泥掺入比为15%～20%时,水泥土的比重比软土约增加4%。(3)含水量水泥土的含水量低于原状土样含水量0.5%～7.0%，并且随水泥掺入比的增加而减小。(4)渗透系数水泥掺入比越大，龄期越长，渗透系数越小。2)水泥土的力学性质(1)无侧限抗压强度的影响因素(2)抗拉强度(3)抗剪强度(4)变形模量、压缩系数和压缩模量1)无侧限抗压强度及其影响因素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体之间。1)无侧限抗压强度及其影响因素①水泥掺入比对强度的影响②龄期对强度的影响③水泥标号对强度的影响④土样含水量对强度的影响⑤土样中有机质含量对强度影响⑥外掺剂对强度的影响⑦养护方法①水泥掺入比对强度的影响水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大。当5%时，水泥与土的反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散性也较大，故在实际施工中，选用的水泥掺入比必须大于5%。②龄期对强度的影响水泥土的强度随着龄期的增长而提高，一般在龄期超过28d后仍有明显增长。当水泥掺入比为7%时,120天的强度为28天的2.03倍;当aw=12%时,180天的强度为28天强度的1.83倍。当龄期超过3个月后,水泥土的强度增长才减缓。根据电子显微镜观察,水泥和土的硬凝反应约需3个月才能充分完成。因此选用3个月龄期强度作为水泥土的标准强度较为适宜。③水泥标号对强度的影响水泥土的强度随水泥标号的提高而增加。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)%。④土样含水量对强度的影响水泥土的无侧限抗压强度随着土样含水量的降低而增大。一般情况下，土样含水量每降低10％，则强度可增加(10～50)%。（粉喷桩含水量过低强度下降）⑤土样中有机质含量对强度影响有机质含量少的水泥土强度比有机质含量高的水泥土强度大得多。有机质使土体具有较大的水溶性和塑性，较大的膨胀性和低渗透性，并使土具有酸性，这些因素都阻碍水泥水化反应的进行。因此，有机质含量高的软土，单纯用水泥加固的效果较差。⑥外掺剂对强度的影响不同的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响。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外掺剂对强度的影响一般早强剂可选用三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠或水玻璃等材料，其掺入量宜分别取水泥重量的0.05%、2%、0.5%和2%；减水剂可选用木质素磺酸钙，其掺入量宜取水泥重量的0.2%；石膏兼有缓凝和早强的双重作用，其掺入量宜取水泥重量的2%。⑦粉煤灰对强度的影响掺加粉煤灰的水泥土，其强度一般都比不掺粉煤灰的有所增长。不同水泥掺入比的水泥土，当掺入与水泥等量的粉煤灰后，强度均比不掺粉煤灰的提高10%。⑧养护方法养护方法对水泥土的强度影响主要表现在养护环境的湿度和温度。国内外试验资料都说明，养护方法对短龄期水泥土强度的影响很大，随着时间的增长，不同养护方法下的水泥土无侧限抗压强度趋于一致，说明养护方法对水泥土后期强度的影响较小。2)抗拉强度水泥土的抗拉强度随无侧限抗压强度的增长而提高。3)抗剪强度水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。4)变形模量当垂直应力达50％无侧限抗压强度时