京珠高速公路软基处理secret

引 言我国地域广大，有各种成因的软土层，其分布范围广，土层厚度大。这类软土的特点是含水量高，孔隙比大，抗剪强度低，压缩性高，渗透性差，沉降稳定时间长。近年来根据工业布局或城市发展规划，经常需要在软土地基上进行建筑施工。由于软土地基不良的建筑性能，因此需要进行人工加固，软土就地加固是基于最大限度的利用原土，经过适当的改性后作为地基，以承受相应的外力，常用的加固方法有脱水，压密，加筋，固化等几类。深层搅拌法深层搅拌法是用于加固饱和软粘土地基的一种新颖方法,它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特别的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂（浆液状或粉体状）强制搅拌，利用固化剂和软土之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、水稳定性和一定强度的优质地基。所谓“深层”搅拌法是相对于“浅层”搅拌法而言的。20 世纪 20 年代，美国及西欧国家在软土地区修筑公路和堤坝时，经常采用一种“水泥土（或石灰土） ”来作为路基或堤基。这种水泥土（或石灰土）是按地基加固需要的范围，从地表挖取 0.61.0 米厚的软土，在附近用机械或人工拌入水泥或石灰，然后填回原处压实，此即软土的浅层搅拌加固法。这种加固软土的方法的深度大多小于 1 米，一般不超过 3 米。深层搅拌法则是利用特制的机械在地基深处就地加固软土，而无需挖出。加固深度通常超过 5 米，根据目前的施工实际看来，海上最大的加固深度已达 60 米，陆上最大加固深度也达到 30 米。水泥土深层搅拌法发展概况美国在第二次世界大战后曾研制开发成功一种就地搅拌桩（MIP）,即从不断回转的，中空轴的端部向周围已被搅松的土中喷出水泥浆，经翼片的搅拌而形成水泥土桩，桩径 0.30.4 米，长度 1012 米。1953 年日本清水建设株式会社从美国引入这种施工方法。1967 年日本港湾技术研究所参照 MIPI 法的特点，开始研制石灰搅拌施工机械。1974 年由于大型软土地基加固工程的需要由日本港湾技术研究所、川崎钢铁厂和不动建设株式会社等厂家对石灰搅拌机械进行改造，合作开发研制成功水泥搅拌固化法（CMC 法） ，用于加固钢铁厂矿石堆场软土地基，加固深度达 32 米。接着日本各大施工企业接连开发研制加固原理，固化剂相近，但施工机械规格、施工效率各异的深层搅拌机械，形成了多种工法。原苏联在 1970 年也研究成功一种淤泥水泥土桩（类似美国 MIP 法） ，用于港湾建设过程中。与泥土的含水量虽高达 100%120%，但掺入 15%的水泥以后，半年龄期强度可达 3Mpa。成本分析表明采用这种淤泥水泥土桩比钢筋混凝土桩的造价要低 40%。十余年来，已在 xx、上海、江苏、浙江、福建、广东、广西、云南、湖南、xx、河南、河北、安徽、陕西、山西、山东、辽宁等地的工业厂房，民用住宅，市政挡土设施等工程中打设搅拌桩逾 110 万根，约 1320 万延米，均取得良好的技术经济效果。与以往钢筋混凝土桩基相比，节省了大量的钢材，降低了成本，缩短了工期。工程概况1.1 工程概述xx 国道主干线 xx 段是 xxxx 国道主干线的主要组成部分，是国家“九五”和 “十五” 交通重点建设工程之一。该工程由北向南纵贯孝感，武汉，咸宁三个市的十个县，主线建设总里程 339km，双向 4 车道，设计路面宽度为 26m，路基平均高度为 2m。1.2 工程地质路线西段冲洪积平原区，地层受潮白河、泃河和鲍丘河冲积沉积影响，第四系地层较厚，以粉土、粉质黏土和粉细砂为主，局部夹有卵石，不均匀分布软弱土夹层。根据地调、钻探、原位测试和室内试验分析，在K21+330K21+600 路段，不均匀分布有软弱土，呈夹层状，多出现在砂土上下的黏土或粉质黏土中，在地表以下 310 米分布较多，厚度变化较大。软弱土多呈灰褐色、黑色，有腐臭味，标贯击数 35 击；天然含水量高，达到 30以上；天然孔隙比高，超过 0.9；液性指数大于 0.5；内摩擦角 38 度。该段底层为第四系堆积层，其上部主要为粉质粘土和粉土。在地表下 24 米深度范围内，土层可以分为三大层。第一大层系以粉质粘土层为主，呈软塑可塑状态；往下逐渐相变为粉土，中密状态。第二大层系粉质粘土层，上部以硬塑状态为主，往下逐渐过渡呈可塑硬塑状态，含较多结核、碎石、局部富集成层。该层顶面埋深 8.5 米左右。第三大层主要为粉土和粉质粘土，部分路段含有粉砂。软弱土路段分布范围表序号 路段长度（米）深度（米）上覆盖层厚度（米）备注1 K13+510K13+700 190 3.810.0 3.84.8 2 K15+800K16+300 500 5.010.0 5.26.4 3 K20+420K20+600 1804.89.0,13.016.0 4.85.2 4 K21+330K21+600 270 2.09.7 2.44.8 5 K21+700K22+050 350 2.09.8 2.03.0 6 K24+824K24+884 60 1.23.4 1.2 7 K27+140K27+240 100 3.58.0 2.85.2 8 AK0+280AK0+340 60 4.08.0 4.0 三河东互通9 AK0+650AK0+870 220 6.512.5 6.5 三河西互通1.3 工程地质情况所谓的软土，即滨海，湖沼，谷地，河滩沉积的天然含水量高，孔隙比大，压缩性高，抗剪强度低的细粒土。我国公路部门划定软土的技术指标：指标土别含水量W（%）孔隙比e压缩系数100200kpa饱和度Sr(%)内摩擦角（快剪）粘土 40 1.2 0.5 95 5亚粘土和亚砂土 30 0.95 0.3 93 15根据软土的分布特征对 xx 北段 K21+300K21+600 地段的软土进行划分：K21+330K21+360，长 30m，软土厚度 810m，由粉质粘土和粘土组成， ，本段各土层的物理学指标见祥表 14：指标土壤名称 层底深度（m）分层厚度（m）标贯击数N/m容许承载力(kpa)极限摩阻力(kpa)重力密度（KN/m 3 ）压缩模量（ES）粉土 3.80 3.80 1.952.25 130 45 17.12 6100粘土 6.40 2.60 4.855.15 100 35 16.95 4200粉土 7.30 0.90 7.858.15 150 45 18.03 5000粉质粘土 10.00 2.70 9.359.65 160 45 19.45 5650：K21+360K21+390 总长 40m，软土厚度 1215m，由粉质粘土和粘土组成，本段各土层的物理学指标见祥表 13指标土壤名称 层底深度（m）分层厚度（m）标贯击数N/m容许承载力(kpa)极限摩阻力(kpa)重力密度（KN/m 3 ）粉质粘土 4.10 4.10 1.852.15 140 45 18.91粘土 5.20 1.10 4.855.15 110 40 17.93粉质粘土 8.60 3.40 7.858.15 130 40 18.03粘土 12.00 3.40 10.85-11.15 110 40 17.98粉土 13.40 1.40 160 40 19.50粉质粘土 15.30 4.17 13.85-14.15 200 50 19.50：,K21+390K21+430，总长 40m，软土厚度 1015m，由粉质粘土组成，中间夹杂 2.3m 厚的细砂，含少许云母和贝壳碎片，有机质含量较高。底层为粉土层，局部软土未见底，本段各土层的物理学指标见祥表 12：指标土壤名称 层底深度（m）分层厚度（m）标贯击数N/m容许承载力(kpa)极限摩阻力(kpa)重力密度（KN/m 3 ）粉质粘土 4.70 4.70 1.852.15 140 50 18.62细砂 7.00 2.30 3.453.75 150 40 18.70粉质粘土 10.70 3.70 5.355.65 150 60 18.86粉土 15.60 4.90 13.85-14.15 210 55 20.19：K21+430K21+460，总长 30m，软土厚度 810m，由粉质粘土和粘土组成，粉质粘土和粘土层含有少量的粉砂团粒， 本段各土层的物理学指标见祥表 15：指标土壤名称 层底深度（m）分层厚度（m）标贯击数N/m容许承载力(kpa)极限摩阻力(kpa)重力密度（KN/m 3 ）粉质粘土 1.00 1.00 1.952.25 130 45粘土 6.00 5.00 3.453.75 120 40 18.20粉质粘土 8.40 2.40 6.456.75 150 45 19.26粘土 10.00 1.60 9.459.75 140 45 18.52：K21+460K21+490,总长 30m，软土厚度 810m，由粉质粘土和粘土组成，稍湿，可塑，土质均匀，本段各土层的物理学指标见祥表 16：指标土壤名称 层底深度（m）分层厚度（m）标贯击数N/m容许承载力 kpa)极限摩阻力(kpa)重力密度（KN/m 3 ）粉质粘土 4.80 4.80 0.753.75 130 45 19.18粉质粘土 6.50 1.70 2.255.25 150 45 19.21粉土 8.00 1.50 3.656.65 200 45 19.70粉质粘土 10.00 2.00 6.659.65 170 45 19.50：K21+490K21+510，总长 20m，软土厚度 1215m，由粉质粘土和粘土组成，底层 10 到 15m 为细砂层，主要成分以石英，长石为主，含有少量的泥质，本段各土层的物理学指标见祥表 17：指标土壤名称 层底深度（m）分层厚度（m）标贯击数N/m容许承载力(kpa)极限摩阻(kpa)重力密度（KN/m 3 ）粉质粘土 5.00 5.00 0.853.85 130 50 18.59粉土 7.60 2.60 3.856.85 120 40 18.03粘土 10.30 2.70 6.859.85 160 60 18.19细砂 15.00 4.70 9.60-12.60 140 40：K21+510K21+535，总长 25m，软土厚度 1215m，由粉质粘土组成，部分粉质粘土层含有少量的铁锰氧化物和粉土团块，底层有 0.2m 厚的粉土层和砂，本段各土层的物理学指标见祥表 18：指标土壤名称 层底深度（m）分层厚度（m）标贯击数N/m容许承载力(kpa)极限摩阻力(kpa)重力密度（KN/m 3 ）粉质粘土 4.00 4.10 1.952.25 130 55 18.23粉质粘土 7.20 3.20 5.155.45 140 55 18.28粉质粘土 10.05 3.30 8.658.95 160 60 18.86粉质粘土 11.50 1.00 10.15-10.45 210 60 19.89粉质粘土 13.60 2.10 11.45-11.75 220 60 19.80粉土 14.80 1.20 13.95-14.25 140 50 17.74砂 15.00 0.20 15.45-15.75 150 50：K21+535K21+560 总长 25m，软土厚度 1215m，由粉质粘土和粉土组成，褐黄色，稍湿，可塑，切面光滑有光泽，本段各土层的物理学指标见祥表 19：指标土壤名称 层底深度（m）分层厚度（m）标贯击数N/m容许承载力(kpa)极限摩阻力(kpa)重力密度（KN/m 3 ）粉质粘土 4.00 4.10 1.952.25 130 55粉质粘土 7.20 3.20 5.155.45 140 55 18.42粉质粘土 10.05 3.30 8.658.95 160 60 19.11粉质粘土 11.50 1.00 10.15-10.45 210 60 18.52粉质粘土 13.60 2.10 11.45-11.75 220 60 18.52粉土 14.80 1.20 13.95-14.25 140 50 17.84砂 15.00 0.20 15.45-15.75 150 50 19.0619.3118.82：,K21+560K21+600，总长 40m，软土厚度 810m，由粉土和细砂组成，稍密，细砂层主要成分以石英，长石为主，级配一般，本段各土层的物理学指标见祥表 110：指标土壤名称 层底深度（m）分层厚度（m）标贯击数N/m容许承载力(kpa)极限摩阻力(kpa)重力密度（KN/m 3 ）粉土 1.00 1.00 130 35细砂 4.50 3.50 3.253.55 150 45 18.42细砂 10.00 5.50 4.855.15 140 40 19.11方案比较2.1 地基处理的目的软土地基处理的目的是利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法对地基土进行加固，用以改良地基土的工程特性，主要包括：1)提高地基的抗剪切强度 2)降低地基的压缩性 3)改善地基的透水特性 一种增加地基土的透水性加快固结，另一种是降低透水性或减少其水压力2.1 可行性方案由于软土地基所具有的承载力远不能满高速公路路基承载要求，软土地基处理的基本方法主要有置换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋、和热学等方法。常用地基处理方法的原理、作用及适用范围如下。2.11. 换土垫层法(1)垫层法 其基本原理是挖除浅层软弱土或不良土，分层碾压或夯实土，按回填的材料可分为砂(或砂石)垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土(灰土、二灰)垫层等。干渣分为分级干渣、混合干渣和原状干渣；粉煤灰分为湿排灰和调湿灰。换土垫层法可提高持力层的承载力，减少沉降量；常用机械碾压、平板振动和重锤夯实进行施工。该法常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的回填土方工程，一般适用于处理浅层软弱土层(淤泥质土、松散素填土、杂填土、浜填土以及已完成自重固结的冲填土等)与低洼区域的填筑。一般处理深度为 23m 。适用于处理浅层非饱和软弱土层、素填土和杂填土等。(2)强夯挤淤法 采用边强夯、边填碎石、边挤淤的方法，在地基中形成碎石墩体。可提高地基承载力和减小变形。适用于厚度较小的淤泥和淤泥质土地基，应通过现场试验才能确定其适应性。2.12.振密、挤密法振密、挤密法的原理是采用一定的手段，通过振动、挤压使地基土体孔隙比减小，强度提高，达到地基处理的目的。软土地基中常用强夯法强夯法 利用强大的夯击能，迫使深层土液化和动力固结，使土体密实，用以提高地基土的强度并降低其压缩性。2.13.排水固结法 其基本原理是软土地基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。在这个过程中，随着土体超静孔隙水压力的逐渐消散，土的有效应力增加，地基抗剪强度相应增加，并使沉降提前完成或提高沉降速率。排水固结法主要由排水和加压两个系统组成。排水可以利用天然土层本身的透水性，尤其是上海地区多夹砂薄层的特点，也可设置砂井、袋装砂井和塑料排水板之类的竖向排水体。加压主要是地面堆载法、真空预压法和井点降水法。为加固软弱的粘土，在一定条件下，采用电渗排水井点也是合理而有效的。(1)堆载预压法 在建造建筑物以前，通过临时堆填土石等方法对地基加载预压，达到预先完成部分或大部分地基沉降，并通过地基土固结提高地基承载力，然后撤除荷载，再建造建筑物。临时的预压堆载一般等于建筑物的荷载，但为了减少由于次固结而产生的沉降，预压荷载也可大于建筑物荷载，称为超载预压。为了加速堆载预压地基固结速度，常可与砂井法或塑料排水带法等同时应用。如粘土层较薄，透水性较好，也可单独采用堆载预压法。适用于软粘土地基。(2)砂井法(包括袋装砂井、塑料排水带等) 在软粘土地基中，设置一系列砂井，在砂井之上铺设砂垫层或砂沟，人为地增加土层固结排水通道，缩短排水距离，从而加速固结，并加速强度增长。砂井法通常辅以堆载预压，称为砂井堆载预压法。适用于透水性低的软弱粘性土，但对于泥炭土等有机质沉积物不适用。(3)真空预压法 在粘土层上铺设砂垫层，然后用薄膜密封砂垫层，用真空泵对砂垫层及砂井抽气，使地下水位降低，同时在大气压力作用下加速地基固结。适用于能在加固区形成(包括采取措施后形成)稳定负压边界条件的软土地基。(4)真空-堆载联合预压法 当真空预压达不到要求的预压荷载时，可与堆载预压联合使用，其堆载预压荷载和真空预压荷载可叠加计算。适用于软粘土地基。(5)降低地下水位法 通过降低地下水位使土体中的孔隙水压力减小，从而增大有效应力，促进地基固结。适用于地下水位接近地面而开挖深度不大的工程，特别适用于饱和粉、细砂地基。(6)电渗排水法 在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流电场作用，土中的水从阳极流向阴极，然后将水从阴极排除，而不让水在阳极附近补充，借助电渗作用可逐渐排除土中水。在工程上常利用它降低粘性土中的含水量或降低地下水位来提高地基承载力或边坡的稳定性。适用于饱和软粘土地基。2.14.置换法 其原理是以砂、碎石等材料置换软土，与未加固部分形成复合地基，达到提高地基强度的目的。(1)振冲置换法(或称碎石桩法) 碎石桩法是利用一种单向或双向振动的冲头，边喷高压水流边下沉成孔，然后边填入碎石边振实，形成碎石桩。桩体和原来的粘性土构成复合地基，以提高地基承载力和减小沉降。适用于地基土的不排水抗剪强度大于 20kPa 的淤泥、淤泥质土、砂土、粉土、粘性土和人工填土等地基。对不排水抗剪强度小于 20kPa 的软土地基，采用碎石桩时须慎重。(2)石灰桩法 在软弱地基中用机械成孔，填入作为固化剂的生石灰并压实形成桩体，利用生石灰的吸水、膨胀、放热作用以及土与石灰的物理化学作用，改善桩体周围土体的物理力学性质，同时桩与土形成复合地基，达到地基加固的目的。适用于软弱粘性土地基。(3)强夯置换法 对厚度小于 6m 的软弱土层，边夯边填碎石，形成深度36m、直径为 2m 左右的碎石拄体，与周围土体形成复合地基。适用于软粘土。(4)水泥粉煤灰碎石桩(CFG 桩) 是在碎石桩基础上加进一些石屑、粉煤灰和少量水泥，加水拌和，用振动沉管打桩机或其它成桩机具制成的具有一定粘结强度的桩。桩和桩间土通过褥垫层形成复合地基。适用于填土、饱和及非饱和粘性土、砂土、粉土等地基。(6)EPS 超轻质料填土法 发泡聚苯乙烯(EPS)的重度只有土的 1/501/100，并具有较好的强度和压缩性能， 用于填土料可有效减少作用在地基上的荷载，需要时也可置换部分地基土，以达到更好的效果。适用于软弱地基上的填方工程。2.15.加筋法 通过在土层中埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力杆件等提高地基承载力、减小沉降、或维持建筑物稳定。(1)土工合成材料 土工合成材料是岩土工程领域中的一种新型建筑材料，是用于土工技术和土木工程，而以聚合物为原料的具渗透性的材料名词的总称。它是将由煤、石油、天然气等原材料制成的高分子聚合物通过纺丝和后处理制成纤维，再加工制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护土体的作用。常见的这类纤维有：聚酰胺纤维(PA，如尼龙、锦纶)、聚酯纤维( 如涤纶)、聚丙烯纤维(PP，如腈纶)、聚乙烯纤维(PE，如维纶)以及聚氯乙烯纤维(PVC，如氯纶)等。利用土工合成材料的高强度、韧性等力学性能，扩散土中应力，增大土体的抗拉强度，改善土体或构成加筋土以及各种复合土工结构。土工合成材料的功能是多方面的，主要包括排水作用、反滤作用、隔离作用和加筋作用。适用于砂土、粘性土和软土，或用作反滤、排水和隔离材料。(2)加筋土 把抗拉能力很强的拉筋埋置在土层中，通过土颗粒和拉筋之间的摩擦力形成一个整体，用以提高土体的稳定性。适用于人工填土的路堤和挡墙结构。(3)土层锚杆 土层锚杆是依赖于土层与锚固体之间的粘结强度来提供承载力的，它使用在一切需要将拉应力传递到稳定土体中去的工程结构，如边坡稳定、基坑围护结构的支护、地下结构抗浮、高耸结构抗倾覆等。适用于一切需要将拉应力传递到稳定土体中去的工程。(4)土钉 土钉技术是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体，与土共同作用，用以弥补土体自身强度的不足。不仅提高了土体整体刚度，又弥补了土体的抗拉和抗剪强度低的弱点，显著提高了整体稳定性。适用于开挖支护和天然边坡的加固。(5)树根桩法 在地基中沿不同方向，设置直径为 75250mm 的细桩，可以是竖直桩，也可以是斜桩，形成如树根状的群桩，以支撑结构物，或用以挡土，稳定边坡。适用于软弱粘性土和杂填土地基。2.16.胶结法 在软弱地基中部分土体内掺入水泥、水泥砂浆以及石灰等物，形成加固体，与未加固部分形成复合地基，以提高地基承载力和减小沉降。(1)注浆法 其原理是用压力泵把水泥或其它化学浆液注入土体，以达到提高地基承载力、减小沉降、防渗、堵漏等目的。适用于处理岩基、砂土、粉土、淤泥质粘土、粉质粘土、粘土和一般人工填土，也可加固暗浜和使用在托换工程中。(2)高压喷射注浆法 将带有特殊喷嘴的注浆管，通过钻孔置入要处理土层的预定深度，然后将水泥浆液以高压冲切土体，在喷射浆液的同时，以一定速度旋转、提升，形成水泥土圆柱体；若喷嘴提升而不旋转，则形成墙状固结体。可以提高地基承载力、减少沉降、防止砂土液化、管涌和基坑隆起。适用于淤泥、淤泥质土、人工填土等地基。对既有建筑物可进行托换加固。(3)水泥土搅拌法 利用水泥、石灰或其它材料作为固化剂的主剂，通过特别的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(水泥或石灰的浆液或粉体)强制搅拌，形成坚硬的拌和拄体，与原地层共同形成复合地基。适用于淤泥、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的粘性土地基。2.17.冷热处理法冻结法 通过人工冷却，使地基温度低到孔隙水的冰点以下，使之冷却，从而具有理想的截水性能和较高的承载力。适用于软粘土或饱和的砂土地层中的临时措施。2.18.其它(1)锚杆静压桩 是结合锚杆和静压桩技术而发展起来的，它是利用建筑物的自重作为反力架的支承，用千斤顶把小直径的预制桩逐段压入地基，在将桩顶和基础紧固成一体后卸荷，以达到减少建筑物沉降的目的。主要使用于加固处理淤泥质土、粘性土、人工填土和松散粉土。(2)沉降控制复合桩基 是指桩与承台共同承担外荷载，按沉降要求确定用桩数量的低承台摩擦桩基。目前上海地区沉降控制复合桩基中的桩，宜采用桩身截面边长 250mm、长细比在 80 左右的预制混凝土小桩，同时工程中实际应用的平均桩距一般在 56 倍桩径以上。主要适用于较深厚软弱地基上，以沉降控制为主的八层以下多层建筑物。2.2 水泥土搅拌法其独特的优点深层搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度的利用了原土；搅拌时不会使地基侧向挤出，所以对周围原有建筑物的影响很小；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；施工时无振动、无噪音、无污染，可在市区和密集建筑群中进行施工；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；与钢筋混凝土桩基相比，节省了大量钢材，并降低了造价；根据上部结构的需要，可灵活的采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式。2.3.适用范围2.31 适用土质深层搅拌法最适宜于加固各种成因的饱和软粘土。目前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。水泥加固土的室内实验表明，有些软土的加固效果较好，有的较差。一般认为含有高岭石、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、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机质含量高，酸碱度较低的粘性土的加固效果较差。因此当用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性宜通过实验确定其适用性。2.32 加固深度深层搅拌法的加固深度取决于施工机械的功率。日本在海上搅拌加固软土的深度已达到 60 米；国内目前在陆上的施工实际已达 27 米（施工机械能力为30 米） ，而在海上的深层搅拌船的有效加固深度为 21.8 米（含水深和软土层厚度） 。2.33 适用工程目前搅拌法常用于下列深层软土的加固工程中：组成水泥土（或石灰土）桩复合地基，提高地基承载力，增大变形模量，减少沉降量 ；将固化剂（水泥或石灰）与软土充分搅拌后形成水泥土（石灰土） ，其抗压强度比天然软土提高几十倍至数百倍，变形模量也增大数十到数百倍。因此 由水泥土（石灰土）桩和周围天然土层组成的复合地基能较大的提高承载力，减少沉降量，所以可应用于：a.建（构）筑物的地基加固：如 612 层多层住宅，办公楼，单层或多层工业厂房，水池贮罐基础等；b.高速公路、铁道和机场场道以及高填方堤基等；c.大面积堆场地基，包括室内和露天；首先，总结相关工程软基处理的经验教训，其他软基处理工程采用了塑性排版（袋装砂井）及铺砂垫层的排水固结方案。一是工后沉降量大，经处理的软基，三年多累计工后沉降量一般达到 44cm,导致路基变形，路面起伏大：二是排水固结的时间长，通车已近三年，虽然大多路基渐趋稳定，但少数较厚软土段沉降仍然在继续。总的来看，排水固结法处理软基的效果不是太理想。其次，在初勘测资料软土分布较少，为了减小路基沉降及跳车现象，经过反复比较，选用了水泥分喷桩处理软基方案。加 固 原 理软土与水泥采用机械深层搅拌加固的基本原理是基于水泥加固土（以下简称水泥土）的物理化学反应过程。它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（即比表面积不大、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 7%20%） ，水泥水解和水化反应完全是在有一定活性的介质土的围绕下进行，土质条件对于搅拌桩桩身质量的影响主要有二个方面，一是土体的物理力学性质对搅拌桩桩身水泥搅拌均匀性的影响；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。3.1 水泥的水解和水化反应普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成，由这些不同的氧化物分别组成了不同的水泥矿物：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。将水泥拌入软土后，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，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化氯酸钙及水化铁酸钙等化合物。各自的反应过程如下：3.1.1 硅酸三钙 2(3)CaOSi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 22()63()iHiHOCa3.1.2 硅酸二钙 2()aSi在水泥中的含量较高（占 25%左右）它主要产生后期强度。2 22()433()COiCiat3.1.3 铝酸三钙 2()aAlO占水泥重量的 10%，水化速度最快，促进早凝。2322366alHlH3.1.4 铁铝酸四钙 23(4)CaOAlFe占水泥重量的 10%左右，能促进早期强度。2324()10CaAlFeH232366laeOH在上述一系列的反应过程中所生成的氢氧化钙，水化硅酸钙能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和，当溶液达到饱和后，水分子虽然继续深入颗粒内部，但新生成物已不能再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。3.1.5 硫酸钙 4()CaSO虽然在水泥中的含量仅占 3%，但它与铝酸三钙一起与水发生反应，生成一种被称为“水泥杆菌”的化合物。 423223423aSAlHCaOAlaSHO根据电子显微镜的观察，水泥杆菌最初以针状结晶的形式在比较短的时间里析出，其生成量随着水泥掺入量的多寡和龄期的长短而异。由 X 射线衍射分析可知，这种反应迅速，反映结果把大量的自由水以结晶水的形式固定下来，这对于高含水量的软粘土的强度增长有特殊意义，使土中自由水的减少量约为水泥杆菌生成重量的 46%。当然，硫酸钙的掺量不能过多，否则这种由 32 个水分子固化形成的水泥杆菌针状结晶会使水泥土发生膨胀而遭致破坏。所以使用的核实，在深层搅拌法这样一种特定的条件下可利用这种膨胀势来增加地基加固效果。3.2 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，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架；有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。3.2.1 离子交换和团粒化作用软土作为一个多向散布系，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，其表面带有钠离子或钾离子，它们能和水泥水化生成的钙离子进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度提高。例如某些膨润土的表面附有钠离子，将它浸泡在氢氧化钙溶液中时，钙离子便置换钠离子。水泥水化生成的凝胶离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。从宏观上看也就是使水泥土的强度大大提高。3.2.2 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和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： 2222()(1)SiOCaHnOCaSinHO3(Al (3Al根据电子显微镜，X 射线衍射和差热分析得知这些结晶物大致是：属于铝酸钙水化物的 CAH 系：如 、 、2324l236CaAl等；23210al属于硅酸钙水化物的 CSH 系：如 ；25CaOSiHt 钙黄长石水化物： 。236aAli这些新生成的化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。而且由于其结构比较致密，水分不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。从扫描电子显微镜的观察可见，天然软土的各种原生矿物颗粒间无任何有机的联系，且具有很多孔隙。拌入水泥七天后，土颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水泥水化物结晶的萌芽。一个月后，水泥土中生成大量纤维状结晶，并不断延伸充填到颗粒间的孔隙中，形成网状构造。到五个月时，纤维状结晶辐射向外伸展，产生分叉，并相互联结形成空间网状结构，水泥的形状和土颗粒的形状已不能分辨出来。通过 X 射线衍射试验，在比较五个月龄期的水泥土和天然软粘土的衍射图谱时，发现在 角为 6.75处出现一个新的波峰，由 d 值可以查出它是的特征峰。这也可定性说明水泥和土发生反应后23321CaOAlHO生成了新的物质，增加了土的强度。3.3 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：232()CaOHCaOH这种反应也能使水泥土增加强度，但增长的速度较慢，幅度也较小。通过上述分析可见：水泥与软土拌和后，水化生成 和 CSH 等水2()CaO化物， 随即被土质吸收，进行离子交换。在此状态下，如果水泥土液2()相仍处于 过饱和状态，则 CSH 等水泥水化物将不受周围介质影响正a常生成；且 与土质中活性物质进行硬凝反应生成 CSH 等水化物，替2COH代部分水泥的活性材料也能充分水化，产生 CSH 等水化物。在这种情况下水泥土可得到较高的强度。如若水泥土液相已不再为 所饱和，则土质将吸2()CaOH收生成 CSH 所需要的钙离子、氢 t 氧根离子，使水泥水化生成的 CSH 量大大减少；且土质中活性物质及加入的活性材料也因得不到足够的 而不能发2()生凝硬反应，因而导致水泥土强度低下。从水泥土加固的机理分析可见，水泥加固土的强度主要来自水泥水化物的胶结作用，在水泥水化物中水化硅酸钙 CSH 对强度的贡献最大。另外对于软土的机深层搅拌加固技术来说，由于机械的切割搅拌作用，实际上不得避免地会留下一些未被粉碎的大小土团。在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象，而土团之间的大孔隙基本上已被水泥颗粒填满。所以加固后的水泥土中形成一些水泥较多的微区，而在大小土团内部则没有水泥。只有经过较长的时间，土团内的土颗粒在水泥水解产物渗透作用下，才逐渐改变其性质。因此在水泥土中不可避免地会产生强度较大的和水稳定性较好的水泥石区和强度较低的土块区，两者在空间相互交替，从而形成一种独特的水泥土结构。因此可得出如下的结论：水泥和土之间的强制搅拌越充分，土块被粉碎的越小，水泥分到土中越均匀，则水泥土的结构强度离散性越小，其宏观的总体强度也最高。试验研究4.1 室内水泥土配比试验4.1.1 试验目的和方法试验目的水泥土的室内试验主要是配合比试验，是为了解：用水泥加固不同种类的软土的可能性；确定加固各种软土最合适的水泥品种；加固某种软土所用水泥的掺入量、水灰比和最佳的外掺剂；水泥土强度增长的规律，推求龄期与强度的关系；试验设备目前水泥土的室内物理力学性质试验尚未制定出统一的操作规程，因此大都利用现有的土工试验仪器及砂浆混凝土试验仪器，参照土工或建筑材料的试验规程进行试验。土样制备制备水泥土的土样通常有两种方法：风干土样：将现场采取的原状软土经过风干、碾碎、过筛面制成；原状土样：将现挖掘的原状软土立即封装在双层厚塑料袋内，基本保持天然含水量；固化剂制备水泥土的水泥可用不同的品种（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。水泥掺入必可根据要求选用7%20%，水泥掺入比是指水泥重量与被加固的软土重量之比。外掺剂为改善水泥土的性能和提高其强度、减少工业废料，可选用木质素磺酸钙、天然石膏（工水石膏）三乙醇胺、氯化钠、氯化钙、硫酸钠等 t 外掺剂。结合工业废料处理，可掺入不同比例的粉煤灰，工业废石膏（例如磷石膏、排烟脱硫石膏、钛石膏） 。试件的制作和养护按照拟定的试验计划，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 1min。在装入其余的试料后振动 1min。最后将试件表面刮平，盖上塑料布防止水分挥发过快。试件成型后，根据水泥土强度决定拆模时间，一般为 12 天。拆模后的试件放入标准养护室（箱）进行养护。达到规定龄期即可进行各种试验。4.1.2 试验结果水泥土的物理性质重度：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。采用深层搅拌法加固厚层软土地基时，其加固部分对于下部为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。比重：由于水泥的比重（3：1）比一般软土的比重（2.652.75）大，所以水泥土的比重也比天然土稍大。当水泥掺入比为 15%20%是，水泥土的比重比软土约增加 4%。水泥土的力学性质水泥土的抗压强度及其影响因素水泥土的无侧限抗压强度一般为 0.34MPa，即比天然软土达几十倍至数百倍。由于水泥土本身的不均匀性，所以它不是纯弹性体，而是一种弹塑性体，其应力应变大致呈直线关系；当盈利达到某一数值时，应力应变曲线开始弯曲，较小的应力增量即会产生较大的应变增量。如果把应力应变曲线上开始弯曲这一点对应的应力定为水泥土的“比 t 例极限 ”，则水泥土的比例极限是其极限强度的 70%90%。水泥土受压迫坏时，轴向应变很小，一般为0.8%1.2%。影响水泥土抗压强度的因素很多，主要有：a.水泥掺入比水泥土的抗压强度随着水泥掺入比的增大而增大。当水泥掺入比小于等于5%时由于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，故在深层搅拌法的实际施工中，水泥掺入比应大于 5%。此时，每增加单位水泥掺入比所引起的强度增量在不同龄期是不同的，在 090 天范围内，龄期越长这种增量越高。b.龄期水泥土强度随着龄期的增长而增大，一般在龄期超过 28 天后仍有明显的增加。当龄期超过三个月后，水泥土的强度增长才缓慢。另外，水泥掺入比越大，水泥土抗压强度提高速率也越大。据电子显微镜观察，水泥和土的一系列物理化学反应约需三个月才能充分完成。因此选用三个月龄期强度 作为水泥土的标准强度较为适宜。90Rc.水泥标号对强度的影响水泥土的抗压强度随水泥标号的提高而增加，水泥标号每提高 100 号，水泥土的强度约增大 20%30%。d.土样含水量对强度的影响水泥土的抗压强度随着土样含水量的增加而迅速降低。e.土质的影响不同的土样掺入等量水泥后，水泥土强度可相差近一倍，这就意味着土质对水泥的硬化过程是有影响的。f.土样中有机质含量的影响有机质使土样具有较大的水容量和塑性，较大的膨胀性和低渗透性，并使土样具有酸性，这些因素都阻碍水泥水化反应的进行。所以有机质 t 含量高的软体，单纯用水泥加固的效果较差。g.外掺剂对强度的影响不同的外掺剂对水泥土的强度有不同影响。抗拉强度水泥的抗拉强度采用劈裂法测定。试验结果表明：试件破坏形式为脆性破坏，破坏面呈波状起伏；水泥土的抗拉强度随其抗压强度的增大而增大，看远较抗压强度低。抗拉强度约是抗压强度的 1/101/15，与混凝土性质很相近。抗剪强度水泥土的抗剪强度可采用直接快剪和三轴不排水剪切试验进行测定。a.直接快剪试验：可在应变控制式直剪仪上进行，水泥土试件直径为6.18cm，高为 2.5cm。水泥土较原天然土的粘聚力和内摩擦角大为增加，当水泥土的无侧限抗压强度在 0.61.3MPa 的范围内，其粘聚力比天然土的大 1020 倍；内摩擦角增加一倍左右。所以水泥土的抗剪强度随其无侧限抗压强度的增大而增加。b.三轴不排水剪切试验：在应变控制式三轴剪力仪上进行，试件直径为3.91cm，高度为 8cm。其试验结果与直剪试验相类似，即水泥土的抗剪强度随其无侧限抗压强度的增大而增大。另外，水泥土受三轴剪切时有明显的破坏面。当水泥土的强度很低时，三轴剪切破坏时的应力圆直径几乎不随围压的改变而变化，强度包线接近一条水平直线，与原软土的性质相似；当水泥土的强度较高时，破坏时的应力圆直径随着围压的增大而增大，强度包线成斜线，与原软土的性质完全不同。变形模量压缩系数和压缩模量t 水泥土的压缩试验结果表明，其压缩系数随水泥掺量的增加而减小。水泥土的渗透性能水泥土的抗冻和抗蚀性能水泥土的抗冻性为探讨深层搅拌法冬季施工的可能性，利用冬季负温条件对水泥土试块进行抗冻试验。其间最高温度为 10，最低温度为-14，具有正负温度变化的有 34 天。水泥土试块置于负温条件下共 55 天。a.外观变化：水泥土试块经自然负温冰冻后，其外观无显著的变化，仅部分试块表面出现裂缝，有局部微膨胀或出现片状剥落及边角脱落。但深度及面积均不大，可见自然冰冻没有造成水泥土试块内部的结构破坏。b.强度数值：水泥土试块在自然冰冻 55 天后的强度和冻前相比几乎没有增长，恢复正温后，强度才继续提高，冻后正常养护 90 天的强度与标准养护强度非常接近，抗冻系数达 0.9 以上。在自然温度不低于-15的条件下，冻胀对水泥土结构损害甚微。在负温时，由于水泥与粘土之间的反应减弱，水泥土强度增长缓慢；正温后，随着水泥水化等反应的继续深入，水泥土的强度可接近标准养护的强度。因此只要冬季地温不低于-10，就可以进行深层搅拌法的施工。水泥的抗蚀性能水泥土是水泥和土体拌合均匀后的产物，现场深层搅拌施工工艺更使水泥土中存在大量孔隙，因此对于水泥有腐蚀性的土体（或土中的水）均会对水泥土形成腐蚀作用。4.2 室内模型试验垂直受压水泥土搅拌模型试验4.2.1 试验方案t 采用单因素试验法，进行了下列三组搅拌桩模型试验，地基土条件、承台条件和置换率不变，搅拌桩长度不相同时的复合地基载荷试验；地基土条件不变，不同置换率的复合地基载荷试验；饱和粉砂复合地基与天然地基（无桩模型地基）载荷试验。除第组试验外，各次试验均采用粒径比较均匀的干粉砂作为基土，其比重为 2.72。试验前控制土料的干重度为 ，相对密度为 0.85，变316.0/kNm形模量由天然地基载荷试验确定为 4.8MPa。重度用重量 体积法控制。水泥土搅拌桩采用 525 号硅酸盐水泥制作，水泥掺量为 25%，桩径均为4cm。其抗压强度大于 6MPa，弹性模量为 750MPa。承台用 C40 混凝土制定，搁置在地基土表面上，其刚度可视为无穷大。试桩未嵌入承台中。4.2.2 试验方法沉降稳定标准加荷采用慢速维持荷载法，以每 10min 沉降增量不大于 0.1mm，同时每级荷载持续时间不少于 20min 作为沉降稳定标准。终止加荷条件桩顶累计沉降量大于 30mm，或某级荷载作用下加荷延续时间超过 80min尚未达到稳定标准。地基饱和方法采用低水头反压渗透饱和法试验装置模型试验砂箱尺寸 。反力系统采用组合式自平衡反力架，394657cm使用 40kN 手动液压千斤顶进行垂直加载，通过 40kN 荷重传感器和 YJ5 电阻应变仪进行加载量控制。t测试内容承台下基土反力由埋设与承台下的 BW4 型微型压力盒测定；模型桩轴向力由粘贴在桩身上的电阻应变片测定；桩顶沉降由安装在承台顶部的 4 个机械式百分表测定；通过在土料中埋设波枝条观测复合地基载荷在作用下的位移场。4.2.3 试验结果分析复合地基基底应力分布特征搅拌桩复合地基基底应力分布基本符合刚性基础均质地基体系的应力分布特征。在低荷载阶段，基础下的接触应力为马鞍形分布；当荷载较大时，基础边缘部位的土中产生塑性变形区，边缘土应力不再增大，而中间部位土的应力继续增加，应力图形由马鞍型转变为抛物线形；当荷载接近地基的破坏荷载时，应力图形进一步由抛物线型转变为中部突出的钟形。搅拌桩复合地基基底应力分布与天然地基基底应力分布相比较，有以下几个特点：天然地基在各级荷载作用下应力增加比较均匀。搅拌桩复合地基在低荷载阶段，荷载主要由桩体承担，基底应力增加比较缓慢；在荷载较高时，基底应力增加才比较显著。在同样荷载条件作用下，搅拌桩复合地基的基底应力明显低于天然地基基底应力。达到破坏荷载时，复合地基与天然地基基底应力分布形状基本一致。桩身应力及摩阻力分布桩身应力分布比较均匀，随着荷载的增加变化也比较均匀。各组试验的最大桩身应力均为 20002400kPa，而 25%水泥掺量的水泥土桩其极限抗压强度大于 6MPa，可见当搅拌桩水泥掺量过高时，桩身强度往往不 t 能充分发挥。桩身摩阻力的变化比较复杂。在加荷初期，上部桩身的摩阻力首先发展，和在增大后，下部桩身的摩阻力迅速发展，并大大超过上部桩身。当下部桩身的摩阻力达到一定值时，又向上发展。这说明承台限制了一定范围内的桩土相对位移，单桩的桩土相对位移为自上向下逐渐减小，而在群桩复合地基中，为自下向上逐渐减少。桩土应力比桩土应力比 n（桩上应力与桩间土应力之比）的大小和变化规律影响着复合地基的承载力和变形。桩土应力比与桩身材料、地基土的性质、桩的长短、间距和置换率等因素有关。桩土应力比反映了复合地基的工作性状。