水泥土搅拌桩原理及施工工艺

1、水泥土搅拌桩原理及施工工艺1、概述水泥土搅拌法是用于加固饱和粘性土地基的一种新方法.它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,在地基深处就地将软土和固化剂浆液或粉体强制搅拌,由固化剂和软土间所产生的一系列物理-化学反响,使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土,从而提升地基强度和增大变形模量.根据施工方法的不同,水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种.前者是用水泥浆和地基土搅拌,后者是用水泥粉或石灰粉和地基土搅拌.水泥土搅拌法分为深层搅拌法以下简称湿法和粉体喷搅法以下简称干法.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

2、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%黄土含水量小于25%、大于70%或地下水的pH值小于4时不宜采用干法.冬期施工时,应注意负温对处理效果的影响.湿法的加固深度不宜大于20m；干法不宜大于15mo水泥土搅拌桩的桩径不应小于500mm.水泥加固土的室内试验说明,有些软土的加固效果较好,而有的不够理想.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,而含有伊里石、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pH值较低的粘性土的加固效果较差.2、加固机理水泥加固土的物理化学反响过程与混凝土的硬化机理不同,混凝土的硬化主要是在粗填充料比外表不大、

3、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,由于水泥掺量很小,水泥的水解和水化反响完全是在具有一定活性的介质一土的围绕下进行,所以水泥加固土的强度增长过程比混凝土为缓慢.1 .水泥的水解和水化反响普通硅酸盐水泥主要是氧化钙、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.用水泥加固软土时,水泥颗粒外表的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反响,生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物.所生成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶于水中,使水泥颗粒外表重新暴露出来,

4、再与水发生反响,这样周围的水溶液就逐渐到达饱和.当溶液到达饱和后,水分子虽继续深入颗粒内部,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.2 .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；有的那么与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反响.(1)离子交换和团粒化作用粘土和水结合时就表现出一种胶体特征,如土中含量最多的二氧化硅遇水后,形成硅酸胶体微粒,其外表带有阴离子Na+或钾离子K+,它们能和水泥水化生成的氢氧化钙中钙离子Ca+进行当量吸附交换,使较小的土颗粒形成较大的士团粒,从而使土体强度提升.水泥水化生成的凝胶粒子的比外表积

5、约比原水泥颗粒大1000倍,因而产生很大的外表能,有强烈的吸附活性,能使较大的士团粒进一步结合起来,形成水泥土的团粒结构,并封闭各土团的空隙,形成巩固的联结,从宏观上看也就使水泥土的强度大大提升.(2)硬凝反响随着水泥水化反响的深入,溶液中析出大量的钙离子,当其数量超过离子交换的需要量后,在碱性环境中,能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一局部或大局部与钙离子进行化学反响,逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物,增大了水泥土的强度,从扫描电子显微镜观察中可见,拌入水泥7天时,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

6、中,形成网状构造.到五个月时,纤维状结晶辐射问外伸展,产生分叉,并相互连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.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,发生碳酸化反响,生成不溶于水的碳酸钙,这种反响也能使水泥土增增强度,但增长的速度较慢,幅度也较小.从水泥土的加固机理分析,由于搅拌机械的切削搅拌作用,实际上不可预防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,而土团间的大孔隙根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,而在大小土团内部那么没有水泥.只有经过较长的时间,土团内的土颗粒在水泥水解

7、产物渗透作用下,才逐渐改变其性质.因此在水泥土中不可预防地会产生强度较大和水稳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.可见,搅拌越充分,土块被粉碎得越小,水泥分布到土中越均匀,那么水泥土结构强度的离散性越小,其宏观的总体强度也最高.3、水泥加固土工程性能水泥掺入比为掺加的水泥重量=X100%被加固软土的湿重量或掺加的水泥重量(kg/m3)水泥掺量被加固土的体积(1)水泥土的物理性质1)含水量水泥土在硬凝过程中,由于水泥水化等反响,使局部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,水泥土含水量比原土样含水量减少0.5%7.0%

8、,且随着水泥掺入比的增加而减小.2)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,水泥土的重度仅比天然软上重度增如0.5%3.0%,所以采用水泥土搅拌法加固厚层软土地基时,其加固局部对于下部未加固局部不致产生过大的附加荷重,也不会产生较大的附加沉降.3)相对密度由于水泥的相对密度为3.1,比一般软土的相对密度2.652.75为大,故水泥土的相对密度比天然软土的相对密度稍大.水泥土相对密度比天然软土的相对密度增加0.7%2.5%.4)渗透系数水泥土的渗透系数随水泥掺入比的增大和养护龄期的增长而减小,一般可达10-510-8cm/s数量级.对于上海地区

9、的淤泥质粘土,垂直向渗透系数也能到达10-8cm/s数量级,但这层土常局部夹有薄层粉砂,水平向渗透系数往往高于垂直向渗透系数,一般为10-4cm/s数量级.因此,水泥加固淤泥质粘土能减小原天然土层的水平向渗透系数,而对垂直向渗透性的改善,效果不显著.水泥土减小了天然软土的水平向渗透性,这对深基坑施工是有利的,可利用它作为防渗帷幕.(2)水泥土的力学性质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3004000kPa,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.影响水泥土的无侧限抗压强度的因素有：水泥掺入比、水泥标号、龄期、含水量、有机质含量、外掺剂

10、、养护条件及土性等.下面根据试验结果来分析影响水泥土抗压强度的一些主要因素.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,由于水泥与土的反响过弱,水泥土固化程度低,强度离散性也较大,故在水泥土搅拌法的实际施工中,选用的水泥掺入比必须大于7%.根据试验结果分析,发现当其它条件相同时,某水泥掺入比的强度与水泥掺入比=12%的强度的比值/与水泥掺入比的关系有较好的归一化性质.由回归分析得到：/与呈嘉函数关系,其关系式如下：(4.2.4-1)(相关系数=0.999,剩余标准差=0.022,子样数=7)上式适用的条件是：=(516)%.在其它条件相同的前提下两个不同水泥掺入比的

11、水泥土的无侧限抗压强度之比值随水泥掺入比之比的增大而增大.经回归分析得到两者呈嘉函数关系,其经验方程式为：(4.2.4-2)(=0.997,=0.015,=14)式中一一水泥掺入比为的无侧限抗压强度；水泥掺入比为的无侧限抗压强度.上式适用的条件是：=(520)%;/=0.333.00.龄期对强度的影响水泥土的强度随着龄期的增长而提升,一般在龄期超过28d后仍有明显增长,根据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,这些关系式如下：=(0.470.63)=(0.620.80)=(1.151.46)=(1.431.80)=(2.373.73)=(

12、1.732.82)上式、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,据电子显徽镜观察,水泥和土的硬凝反响约需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.回归分析还发现在其它条件相同时,某个龄期()的无侧限抗压强度与28天龄期的无侧限抗压强度的比值与龄期的关系具有较好的归一化性质,且大致呈嘉函数关系.其关系式如下：(4.2.4-3)(=0.997,=0.037,=5)上式中龄期的适用范围是(790)天.在其它条件

13、相同的前提下,两个不同龄期的水泥土的无侧限抗压强度之比随龄期之比的增大而增大.经回归分析得到两者呈嘉函数关系,其经验方程式为：(4.2.4-4)(=0.992,=0.021,=9)式中一龄期为的无侧限抗压强度；一龄期为的无侧限抗压强度.上式适用的条件是：=(790)天；=0.080.67和=1.5012.85.综合考虑水泥掺入比与龄期的影响,经回归分析,得到如下经验关系式：(4.2.4-5)式中一水泥掺入比为龄期为的无侧限抗压强度；一水泥掺入比为龄期为的无侧限抗压强度.上式成立的条件是：=(520)%,/=0.333.00;=(790)天.当=时,应采用式(10-10);当=时,应采用式(10

14、-2).水泥标号对强度的影响水泥土的强度随水泥标号的提升而增加.水泥标号提升100号,水泥土的强度约增大(5090)%.如要求到达相同强度,水泥标号提升100号,可降低水泥掺入比(23)%.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,当土的含水量从157%降低至47%时,无侧限抗压强度那么从260kPa增加到2320kPa.一般情况下,土样含水量每降低10%,那么强度可增加(1050)%.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.由于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

15、泥水化反响的进行.因此,有机质含量高的软土,单纯用水泥加固的效果较差.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.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,所以选择适宜的外掺剂可提升水泥土强度和节约水泥用量.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%.掺加粉煤灰的水泥土,其强度一般都比不掺粉煤

16、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升10%,故在加固软土时掺入粉煤灰,不仅可消耗工业废料,还可稍微提升水泥土的强度.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升.当水泥土的抗压强度=0.5004.00MPa时,其抗拉强度=0.050.70MPa,即=(0.060.30).抗压与抗拉这两类强度有密切关系,根

17、据试验结果的回归分析,得到水泥土抗拉强度与其无侧限抗压强度有事函数关系：(4.2.4-6)(=0.991,=0.006,=12)上式成立的条件是：=0.53.5MPa.3)抗剪强度水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提升.当=0.304.0MPa时,其粘聚力=0.101.0MPa,一般约为的(2030)%,其内摩擦角变化在2030之间.水泥土在三轴剪切试验中受剪破坏时,试件有清楚而平整的剪切面,剪切面与最大主应力面夹角约60.根据作者试验结果的回归分析,得到水泥土的内聚力与其无侧限抗压强度大致呈嘉函数关系,其关系式如下：(4.2.4-7)(=0.903,=0.051,=9)上式成立的条件是：=0

18、.31.3MPa.4)变形模量当垂直应力达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.当=0.13.5MPa时,其变形模量=10550MPa,即=(80150).根据试验结果的线性回归分析,得到与大致呈正比关系,它们的关系式为：=126(4.2.4-8)(=0.996,=5.529,=16)5)压缩系数和压缩模量水泥土的压缩系数约为(2.03.5)M0-5(kPa)-1,其相应的压缩模量=(60100)MPa.(3)水泥土抗冻性能水泥土试件在自然负温下进行抗冻试验说明,其外观无显著变化,仅少数试块外表出现裂缝,并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

19、不大,可见自然冰冻不会造成水泥土深部的结构破坏4、设计计算(1)单桩竖向承载力的设计计算单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定.初步设计时也可按式(4.2.4-15)估算.并应同时满足式(4.2.4-16)的要求,应使由桩身材料强度确定的单桩承载力大于(或等于)由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力：(4.2.4-9)(4.2.4-10)式中与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块(边长为70.7mm的立方体,也可采用边长为50mm的立方体)在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值(kPa);桩身强度折减系数,干法可取0.200.30;湿法可取0.250.33;桩的周长(m);

20、桩长范围内所划分的土层数；桩周第i层土的侧阻力特征值.对淤泥可取47kPa；对淤泥质土可取612kPa；对软塑状态的粘性土可取1015kPa；对可塑状态的粘性土可以取1218kPa；桩长范围内第i层土的厚度(m)；桩端地基土未经修正的承载力特征值(kPa),可按现行国家标准?建筑地基基础设计标准?(GB50007-2002)的有关规定确定；桩端天然地基土的承载力折减系数,可取0.40.6,承载力高时取低值.(2)复合地基的设计计算加固后搅拌桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定,也可按下式计算：(4.2.4-11)式中一复合地基承载力特征值(kPa);一面积置换率；桩的截面积(m

21、2);一桩间天然地基土承载力特征值(kPa),可取天然地基承载力特征值；一桩间土承载力折减系数,当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时,可取0.10.4,差值大时取低值；当桩端土未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时,可取0.50.9,差值大时或设置褥垫层时均取高值.单桩竖向承载力特征值(kN)根据设计要求的单桩竖向承载力特征值和复合地基承载力特征值计算搅拌桩的置换率和总桩数：(4.2.4-12)(4.2.4-13)式中地基加固的面积(m2).竖向承载搅拌桩复合地基应在根底和桩之间设置褥垫层.褥垫层厚度可取200300mm.其材料可选用中砂、粗

22、砂、级配砂石等,最大粒径不宜大于20mm.当搅拌桩处理范围以下存在软弱下卧层时,应按现行国家标准?建筑地基根底设计标准?(GB50007-2002)的有关规定进行下卧层承载力验算.(3)水泥土搅拌桩沉降验算竖向承载搅拌桩复合地基的变形包括搅拌桩复合土层的平均压缩变形si与桩端下未加固土层的压缩变形s2:1)搅拌桩复合土层的压缩变形可按下式计算：(4.2.4-14)式中搅拌桩复合土层顶面的附加压力值(kPa)；搅拌桩复合土层底面的附加压力值(kPa)；搅拌桩复合土层的压缩模量(kPa)；搅拌桩的压缩模量,可取(100120)(kPa)o对桩较短或桩身强度较低者可取低值,反之可取高值；桩间土的压缩

23、模量(kPa).2)桩端以下未加固土层的压缩变形可按现行国家标准?建筑地基根底设计标准?(GB50007-2002)的有关规定进行计算.(4)复合地基设计软土地区的建筑物,都是在满足强度要求的条件下以沉降进行限制的,应采用以下设计思路：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；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.根据工程经验,当水泥掺入比为12%左右时,桩身强度一般可达1.01.5MPa;根据桩身强度的大小及桩的断面尺寸,由(4.2.4-16)式计算单桩承载力；根据单桩承载力及土质条件,

24、由(4.2.4-15)式计算有效桩长根据单桩承载力、有效桩长和上部结构要求到达的复合地基承载力,由4.2.4-18式计算桩土面积置换率；根据桩土面积置换率和根底型式进行布桩,桩可只在根底平面范围内布置.5、施工工艺水泥土搅拌法施工现场事先应予以平整,必须去除地上和地下的障碍物.遇有明浜、池塘及洼地时应抽水和清淤,回填粘性土料并予以压实,不得回填杂填土或生活垃圾.水泥土搅拌桩施工前应根据设计进行工艺性试桩,数量不彳#少于2根.当桩周为成层土时,应对相对软弱土层增加搅拌次数或增加水泥掺量.搅拌头翼片的枚数、宽度、与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、提升速度应相互匹配,以保证加固深度范围内土体的任何

25、一点均能经过20次以上的搅拌.竖向承载搅拌桩施工时,停浆灰面应高于桩顶设计标高300500mm.在开挖基坑时,应将搅拌桩顶端施工质量较差的桩段用人工挖除.施工中应保持搅拌桩机底盘的水平和导向架的竖直,搅拌桩的垂直偏差不得超过1%;桩位的偏差不得大于50mm;成桩直径和桩长不得小于设计值.水泥土搅拌法施工步骤由于湿法和干法的施工设备不同而略有差异.其主要步骤应为：搅拌机械就位、调平；预搅下沉至设计加固深度；边喷浆粉卜边搅拌提升直至预定的停浆灰面；重复搅拌下沉至设计加固深度；根据设计要求,喷浆粉或仅搅拌提升直至预定的停浆灰面；关闭搅拌机械.在预复搅下沉时,也可采用喷浆粉的施工工艺,但必须保证全桩长

26、上下至少再重复搅拌一次.1水泥浆搅拌法施工考前须知：1现场场地应予平整,必须去除地上和地下一切障碍物.明浜、暗塘及场地低洼时应抽水和清淤,分层夯实回填粘性土料,不得回填杂填土或生活垃圾.开机前必须调试,检查桩机运转和输浆管畅通情况.2根据实际施工经验,水泥土搅拌法在施工到顶端0.30.5m范围时,因上覆压力较小,搅拌质量较差.因此,其场地整平标高应比设计确定的基底标高再高出0.30.5m,桩制作时仍施工到地面,待开挖基坑时,再将上部0.30.5m的桩身质量较差的桩段挖去.而对于根底埋深较大时,取下限；反之,那么取上限.3搅拌桩垂直度偏差不得超过1%,桩位布置偏差不得大于50mm,桩径偏差不得大

27、于4%o4施工前应确定搅拌机械的灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机喷浆口的时间和起吊设备提升速度等施工参数；并根据设计要求通过成桩试验,确定搅拌桩的配比等各项参数和施工工艺.宜用流量泵限制输浆速度,使注浆泵出口压力保持在0.40.6MPa,并应使搅拌提升速度与输浆速度同步.5制备好的浆液不得离析,泵送必须连续.拌制浆液的罐数、固化剂和外掺剂的用量以及泵送浆液的时间等应有专人记录.6为保证桩端施工质量,当浆液到达出浆口后,应喷浆座底30s,使浆液完全到达桩端.特别是设计中考虑桩端承载力时,该点尤为重要.7预搅下沉时不宜冲水,当遇到较硬土层下沉太慢时,方可适量冲水,但应考虑冲水成桩对桩身强度的影

28、响.8可通过复喷的方法到达桩身强度为变参数的目的.搅拌次数以1次喷浆2次搅拌或2次喷浆3次搅拌为宜,且最后1次提升搅拌宜采用慢速提升.当喷浆口到达桩顶标高时,宜停止提升,搅拌数秒,以保证桩头的均匀密实.9施工时因故停浆,宜将搅拌机下沉至停浆点以下0.5m,待恢复供浆时再喷浆提升.假设彳?机超过3h,为预防浆液硬结堵管,宜先拆卸输浆管路,妥为清洗.10壁状加固时,桩与桩的搭接时间不应大于24h,如因特殊原因超过上述时间,应对最后一根桩先进行空钻留出梯头以待下一批桩搭接,如间歇时间太长如停电等,与第二根无法搭接；应在设计和建设单位认可后,采取局部补桩或注浆举措.11搅拌机凝浆提升的速度和次数必须符

29、合施工工艺的要求,应有专人记录搅拌机每米下沉和提升的时间.深度记录误差不得大于100mm,时间记录误差不得大于5so12根据现场实践说明,当水泥土搅拌桩作为承重桩进行基坑开挖时,桩顶和桩身已有一定的强度,假设用机械开挖基坑,往往容易碰撞损坏桩顶,因此基底标高以上0.3m宜采用人工开挖,以保护桩头质量.这点对保证处理效果尤为重要,应引起足够的重视.2粉体喷射搅拌法施工中须注意的事项：1喷粉施工前应仔细检查搅拌机械、供粉泵、送气粉管路、接头和阀门的密封性、可靠性.送气粉管路的长度不宜大于60m.2喷粉施工机械必须配置经国家计量部门确认的具有能瞬时检测并记录出粉量的粉体计量装置及搅拌深度自动记录仪.3搅拌头每旋转一周,其提升高度不得超过16mm.4施工机械、电气设备、仪表仪器及机具等,在确认完好前方准使用.5在建筑物旧址或回填地区施工时,应预先进行桩位探测,并去除己探明的障碍物.6桩体施工中,假设发现钻机不正常的振动、晃动、倾斜、移位等现象,应立即停钻检查.必要时应提钻重打.7施工中应随时注意喷粉机、空压机的运转情况；压力表的显示变化；送灰情况.当送灰过程中出现压力连续上升,发送器负载过大,送灰管或阀门在轴具提升中途堵塞等异常情况,应立即判明原因,停止提升,原地搅拌.为保证成桩质量,必