水泥土深搅桩处治软基的研究与应用(11月9号)

1、 软土地基处理新技术研究第二章本章参考书叶观宝编著.地基加固新技术.机械工业出版社，2004。 丁建奇等编著. .高速公路超软地基处理设计与施工.人民交通出版社，2006。 软土地基处理方法 置换填土法 土质改良 强夯法 排水固结法 堆载预压法 地基处理 水泥土桩复合地基 碎石桩复合地基 复合地基 低强度桩复合地基 加筋土复合地基 CFG桩 在软土地基上修筑高速公路,需要解决的关键问题是路堤的稳定和变形(沉降).沉降与稳定路基（96区）完成后，沉降速率连续两个月小于5mm/月，才可铺筑底基层。底基层的表面沉降速率应达到连续两个月小于5mm/月才可铺筑基层。水泥土桩水泥土桩 它是利用水泥(或石灰

2、）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-化学反应，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，从而提高地基强度和增大变形模量。根据施工方法的不同，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)。 深搅桩深搅桩: 一、加固机理一、加固机理 1.水泥的水解和水化反应 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 二、二、 设计计算设计计算(1)单桩竖向承载力的设计计算 pcuaAfRcuf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.

3、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； Ap桩的截面积(m2)； 二、二、 设计计算设计计算(1)单桩竖向承载力的设计计算 ppinisipaAqlquR1桩的周长(m)； 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； punsiqil桩长范围内第i层土的厚度(m)； pq桩端地基土未经修正的承载力特征值(kPa)，可

4、按现行国家标准建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）的有关规定确定；桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4 0.6，承载力高时取低值。 二、设计计算二、设计计算(2)复合地基的设计计算 skpaspkfmARmf)1 ( spkf复合地基承载力特征值(kPa); m面积置换率； skf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； 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

5、时均取高值。 二、设计计算二、设计计算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：skpaskspkfARffm nm AApA地基加固的面积(m2)。 三、施工工艺三、施工工艺图1-1 深层搅拌法施工过程示意图3喷浆(粉)搅拌上升2预搅下沉1定位4重复搅拌下沉5重复搅拌上升6完毕四、沉降与稳定动态监测 沉降观测：根据软土层厚度、路堤高度及软土层横向倾斜的软土路段，布设沉降观测点，进行动态沉降观测。稳定观测：软土层厚度大于3m，路堤高度超过5m路段，在其路堤两侧坡角处，布置边桩，进行侧向位移观测。监测控制参数：沉降速率15mm/d，侧向位移5mm/d。预

6、压卸载双控制标准：连续23个月，沉降速率5mm/m；由实测沉降过程曲线，推求出的工后沉降小于设计容许值。五、质量检验五、质量检验 （1）现场钻孔取芯检验 现场钻孔取芯试验主要目的是检验单根粉喷桩的施工质量。检验内容为：实际施工桩长是否满足设计要求；检验设计桩长范围内桩身的连续性；是否出现断桩、离析、拌和不均匀等现象； 五、质量检验五、质量检验 （2）标准贯入试验标准贯入试验是动力触探的一种，它是以标定的锤击动能，将标准尺寸的贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯入阻抗，判别土层的变化和土的工程性质。贯入阻抗是用贯入器贯入土中30cm的锤击数N63.5（也称标准贯入击数）表示。 五、质量检验

7、五、质量检验 搅拌均匀性现场取芯情况搅拌均匀水泥搅拌纹理清晰，无水泥粒块搅拌不够均匀水泥搅拌纹理不连续，含水泥粒块且颗粒直径2cm搅拌不均匀水泥搅拌无纹理，夹无水泥块活较多水泥富集块，且水泥土结块颗粒直径2cm水泥芯样描述标准五、质量检验五、质量检验 （3） 芯样抗压强度试验芯样抗压强度试验 无侧限抗压强度试验是三轴压缩试验的一个特例，即将试样置于不受侧向限制的条件下进行的强度试验。此时试样所受的小主应力为零，而大主应力的极限值为无侧限抗压强度，通常用Qu表示。五、质量检验五、质量检验 （4）静载试验 荷载板试验是确定复合地基承载力最直接的方法，它直接模拟将来地基受力条件，采用接近于竖向抗压桩

8、的实际工作条件的试验方法为工程设计提供依据。因此，是目前应用最广泛的方法。试验时，采用压重（砂袋）平台做反力装置，采用油压千斤顶的压力计测定油压，根据千斤顶曲线换算荷载。试桩沉降观测采用位移计。五、质量检验五、质量检验 （4） 静载试验用慢速维持荷载法，即逐级加荷，每级荷载达到相对稳定后再加下一级荷载，直至破坏或达到单桩或复合地基的极限承载力后，再逐级卸载至零。千斤顶放在荷载板中心，加载时，试桩顶面千斤顶处理，将反力传递给压重平台。五、质量检验五、质量检验 （4） 静载试验 复合地基设计承载力为120kPa 复合地基静载试验成果复合地基静载试验成果 0204060801000501001502

9、00250300荷载 /kPa沉降量 /mm检验结果 该试验桩区湿喷桩搅拌基本均匀，芯样破碎基本完整，取芯率在3060之间，芯样大多呈硬塑坚硬状态，芯样20天的无侧限抗压强度一般在0.20.6MPa之间。单桩复合地基承载力标准值均大于120kPa。依据江苏省高速公路建设指挥部关于湿喷桩质量的判定标准，该试桩区的湿喷桩施工质量总体优良。根据检测结果，该试桩区的湿喷桩施工有一定的差异性，需要加强施工工艺控制。根据试桩区湿喷桩搅拌的均匀性，以及芯样20天的无侧限抗压强度值等综合比较，对于含水量7080典型路段建议水泥掺取量6570Kg/m，同时掺加2.5的石膏。对于含水量大于80典型路段建议水泥掺取

10、量75Kg/m，同时掺加3.0的石膏。第二节 水泥土深搅桩处治软基的研究与应用主要研究内容1 绪论2 江苏省公路软基处理方法调查3 水泥土外加剂配方研究与开发4 水泥土强度无损检测初步研究5 水泥土外加剂工程应用6 结论及展望1 绪论绪论1.1 前言1.2 国内外研究发展概况及现状1.3 主要研究内容和主要研究成果1.1前言江苏省地处沿海、沿江、江淮之间的水网地区，苏北地区先后有黄河、淮河、沂河等多条河流或故道穿越，苏南地区位江南多水地区，长江、太湖、大运河等水系发达。地质土层有滨海海积平原、沂沭河冲积平原、黄泛冲积平原、长江冲积平原和山间盆地等，地质条件错综复杂，软土分布极其广泛，导致在江苏

11、省高等级公路建设中高速公路软土地基处治的工程量极大。 1.1前言江苏省近年来在高速公路建设中主要采用粉喷桩处理软基，但由于工艺自身存在缺陷 ，表现处理深度较浅、桩身强度不均匀。如何对高等级公路软基进行处理，达到节约资金，提高效益的目的是一项重大的课题。 1.1前言深层搅拌桩法（湿喷）作为一种地基处理方法，可有效地减少和控制沉降量和工后沉降量，并能适应快速加荷要求，缩短建设周期，与其它软基处理方法相比，具有不可替代的优越性，必将在高速公路软基处理中得到更为广泛的应用。1.1前言外加剂作为水泥土中的一种组成部分，掺量虽小，但作用非常明显，试验表明：外加剂的存在可以改善水泥土的力学及耐久性能，在达到

12、设计要求的情况下，适当的外加剂可以减少水泥用量、降低掺水量、给固化反应提供较好环境的作用等等。1.2 国内外研究发展概况目前已有近60年的发展历程，二次世界大战后 ，在美国首先研制成功并用于软土处治工程，日本于1953年从美国引进水泥深层搅拌法，在上世纪60年代末日本和瑞典开始研制喷石灰粉深层搅拌施工方法，并获得成功于70年代应用于工程实践。1.2 国内外研究发展概况1977年冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院共同引进开发水泥深层搅拌法，至今天我国许多科研、设计、施工单位一直致力于研究、使用和推广该项技术 。1.3 主要研究内容和主要研究成果自水泥土深层搅拌桩在我国使用以来，有众多的学者

13、开展了水泥土外加剂的研究，试图通过室内研究已达到形成固定品种固化剂或外加剂，完全取代或部分代替水泥以取得相应的经济社会效益，并取得不少重大进展。 水泥土外加剂的研究表明，外加剂的研究重点在于提高水泥土的早期强度和成桩的均匀性，通过掺加合适的外加剂，可以提高水泥土深搅桩的早期强度，改善水泥土深搅桩的成桩均匀性。 公路工程领域，水泥土湿喷桩刚刚起步应用，由于公路工程软基处理量较大，对外加剂有其特殊的技术要求。1.3主要内容： 1、江苏省高等级公路软基处理方法现状调查； 2、水泥土外加剂作用机理的分析 3、水泥土外加剂配方的室内试验研究 4、试点工程的应用研究2 江苏省公路软基处理方法调查江苏省公路

14、软基处理方法调查2.1 概述2.2 已建、在建高等级公路软基状况及其处治方法调查 2.3 江苏地区软弱地基的类型及参数2.4 小结1.2 高等级公路软基处理方法及其效果调查 调查范围： 江苏省已建高速公路以及在建高速公路的软基处理方法及其处治效果。 沪宁高速公路、南京机场高速、镇广公路常州段、宁通公路南通段、宁太高速公路常州至江阴段 、连徐高速公路连云港段 、连盐高速公路灌云至响水段 、江太高速公路常熟段， 等等。调查分析表明:液化土层：亚砂土(即各类低液限粉土、粉质土)及Ip10的低液限粘土，主要分布在徐州境内。滨海相软土层：表层为0.53.0m粘性土硬壳层，下层为淤泥质粘土，淤泥质粘性土厚

15、1.010m，淤泥层的天然含水量最大达81.6，天然重度最小为1.53kN/m3，天然孔隙比最大达2.222，具有压缩性大、透水性差、力学强度低等特点。主要分布于连云港、盐城、南通等沿海地区。膨胀土：含有较多的粘粒及亲水性较强的蒙脱石或伊利石等粘土矿物成分，是一种遇水膨胀、强度骤减、失水干缩、坚硬而又常有收缩裂隙的高塑性粘土。淤泥质粘土及粉质粘土：含水率大致在40-60之间，滨江、滨海、滨湖分布，且分布广泛。 2.3 深层搅拌法的应用范围根据调查发现，粉喷桩在在我省高速公路软基处理中已得到广泛应用。调查分析表明，在高速公路软基处治中，水泥土粉喷桩处理适用于处理深度小于12m的软土，且软土天然含

16、水量在5070%为佳，软土天然含水量小于40%或大于80%时不能使用粉喷桩处理；水泥土湿喷桩处理适用于处理深度小于20m的软土，且软土天然含水量在3060%为佳，软土天然含水量大于70%时不能使用湿喷桩处理。粉喷桩处理除了对于软土天然含水量为6080%且处理深度小于12m的软土有优势外，其余情况下湿喷桩处理有优势，因为在一般情况下湿喷桩处理的成桩均匀性要明显优于粉喷桩处理。对于处理深度大于12m且软土天然含水量大于70%的软土或处理深度大于20m的软土不宜采用水泥搅拌桩处理。 从深层搅拌法本身来看，由于施工水平、机械的限制，使得对其质量控制难达到设计要求，桩体的均匀性也难以满足设计要求。可考虑

17、通过掺加适当外加剂，改善水泥土性状，提高水泥土的强度和成桩的均匀性。外加剂作为水泥土中的一种组成部分，掺量虽小，但作用非常明显。 3 水泥土外加剂配方研究与开发水泥土外加剂配方研究与开发 3.1 水泥土外加剂成分的调研分析 3.2 水泥土外加剂配方的试验研究 3.1 水泥土外加剂成分的调研分析简要分析了水泥土强度的生成机理，水泥土的基本性质及强度影响因素，水泥土增强措施以及常用外加剂增强机理等。常用外加剂增强机理 简要介绍石膏、三乙醇胺、石灰 、氢氧化铝、氯化钙等当前研究及工程实践中已用的外加剂强度增强机理。小结 （1）目前的外加剂研究主要集中于熟石灰、氢氧化铝、生石膏、木质素磺酸钙以及常用的

18、工业原料或废料（磷石膏、粉煤灰）；（2）当前研究成果都相对局限于某个地区某类土体甚至某种工法，其研究结论对江苏地区软土并不具有针对性和推广性；（3）外加剂的组份倾向于多成份的复合型外加剂。 3.2 水泥土外加剂配方的试验研究 介绍了正交及均匀试验设计原理及水泥土外加剂室内试验研究。3.2 水泥土外加剂配方的试验研究 通过正交及均匀试验分析，针对江苏省分布最为广泛的粉质粘土粉质粘土（偏砂性）和淤泥质粘淤泥质粘土土，进行水泥土外加剂的开发和研制，选用生生石膏（石膏（CaSOCaSO4 42H2H2 2O O）、消石灰（消石灰（Ca(OH)Ca(OH)2 2）、氢氢氧化铝（氧化铝（AL(OH)AL(

19、OH)3 3）、木质素磺酸钙木质素磺酸钙等四种外加剂作为试验因子进行试验，所有试验土体均取自施工现场。研究思路 选选取取代代表表性性土土样样通启粉质粘土通启粉质粘土常熟淤泥质土常熟淤泥质土试验方案试验方案试验试验结果结果分析分析及外及外加剂加剂配方配方确定确定无侧无侧限抗限抗压强压强度试度试验验粉质粘土水泥土外加剂试验室内试验方案：试验中取5因素，4水平见下表。 试验方案因素水平表试验方案因素水平表 表表3-23-2因素因素水平水平 ABCDE水泥掺入比水泥掺入比（占土重，（占土重，%）Ca(OH)2（占（占土重，土重，%）CaSO42H2O（占（占水泥重，水泥重，%）Al(OH)3（占土（占

20、土重，重，%）木质素（占水木质素（占水泥重，泥重， %）191.02.00.50.12132.04.01.00.23173.06.01.50.34214.08.02.00.4图3-1 试件制备与养护4 水泥土强度无损检测初步研究水泥土强度无损检测初步研究 4.1 深层搅拌桩常用检测方法概述 4.2 瑞雷波用于水泥土深搅桩复合地基无损检测的研究 4.3 超声波在水泥混凝土及水泥土无损检测中的应用 4.4 小结 4.1 试验正交及均匀设计简介 4.1.1 正交试验简述； 4.1.2 试验均匀设计简述； 4.1.3 多元线性回归理论简介 正交试验设计方法的优点和特点正交试验设计方法的优点和特点用正交

21、表安排多因素试验的方法，称为正交试验设计法。其特点为：完成试验要求所需的实验次数少。数据点的分布很均匀。可用相应的极差分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试验结果进行分析，引出许多有价值的结论。表表41 因素水平因素水平水平因素温度压力Pa加碱量kg符号Tpm123T1 (80 )T2(100)T3(120) p1(5.0) p2(6.0) p3(7.0)m 1(2.0)m2(2.5)m3(3.0) 某化工厂想提高某化工产品的质量和产量，对工艺中三个主要因素各按三个水平进行试验（见表4-1）。试验的目的是为提高合格产品的产量，寻求最适宜的操作条件。图41 全面搭配法方案此方案数据点分布的均

22、匀性极好，因素和水平的搭配十分全面，唯一的缺点是实验次数多达3327次（指数3代表3个因素，底数3代表每因素有3个水平）。因素、水平数愈多，则实验次数就愈多，例如，做一个6因素3水平的试验，就需36729次实验，显然难以做到。 图42 简单比较法方案情案 先固定T1和p1，只改变m，观察因素m不同水平的影响，做了如图（1）所示的三次实验，发现 mm2时的实验效果最好（好的用- 表示），合格产品的产量最高，因此认为在后面的实验中因素m应取m2水平。 固定T1和m2，改变p的三次实验如图5-2（2）所示，发现pp时的实验效果最好，因此认为因素p应取p水平。 固定p和m2，改变T 的三次实验如图5-

23、2（3）所示，发现因素T 宜取T2水平。因此可以引出结论：为提高合格产品的产量，最适宜的操作条件为T2pm2。与全面搭配法方案相比，简单比较法方案的优点是实验的次数少，只需做9次实验。但必须指出，简单比较法方案的试验结果是不可靠的。因为：在改变m值（或p值，或T值）的三次实验中，说m2（或p或T2 ）水平最好是有条件的。在T T，p p时，m2 水平不是最好的可能性是有的。在改变m的三次实验中，固定T T，p p 应该说也是可以的，是随意的，故在此方案中数据点的分布的均匀性是毫无保障的。用这种方法比较条件好坏时，只是对单个的试验数据进行数值上的简单比较，不能排除必然存在的试验数据误差的干扰。运

24、用正交试验设计方法，不仅兼有上述两个方案的优点，而且实验次数少，数据点分布均匀，结论的可靠性较好。试验号列号1234因素温度压力Pa加碱量kg符号Tpm1234567891（T1）1（T1）1（T1）2（T2）2（T2）2（T2）3（T3）3（T3）3（T3）1（p1）2（p2）3（p3）1（p1）2（p2）3（p3）1（p1）2（p2）3（p3）1（m1）2（m2）3（m3）2（m2）3（m3）1（m1）3（m3）1（m1）2（m2）123312231 试验安排表试验安排表所有的正交表与L9（34）正交表一样，都具有以下两个特点：（1） 在每一列中，各个不同的数字出现的次数相同。在表L9（3

25、4）中，每一列有三个水平，水平1、2、3都是各出现3次。（2） 表中任意两列并列在一起形成若干个数字对，不同数字对出现的次数也都相同。在表L9（34）中，任意两列并列在一起形成的数字对共有9个：（1,1），（1,2），（1,3），（2,1），（2,2），（2,3），（3,1），（3,2），（3,3），每一个数字对各出现一次。这两个特点称为正交性。正是由于正交表具有上述特点，就保证了用正交表安排的试验方案中因素水平是均衡搭配的，数据点的分布是均匀的。因素、水平数愈多，运用正交试验设计方法，愈发能显示出它的优越性，如上述提到的6因素3水平试验，用全面搭配方案需729次，若用正交表L27（313）来

26、安排，则只需做27次试验。 4.2 水泥土外加剂配方研究之一 通启粉质粘土水泥土外加剂试验室内试验方案： 试验所用设备： 利用现有土工试验仪器、砂浆混凝土试验仪器、100kN万能试验机。试验材料： 土样、水泥、外加剂（Ca(OH)2、CaSO42H2O、Al(OH)3、木质素磺酸钙 ）试验方案： 长江中下游常见软土正交试验方案正交试验方案 表4-3 试验结果试验结果分析： 定性分析：对3龄期试验结果进行了分析，表明各外加剂的掺 入较好的改善了水泥土力学性能。 定量分析：对试验结果，采用回归分析程序，分别进行了线性及二次非线性回归，分析得出各因素用量与强度间量化的关系，并采用极值理论，分析了不同

27、龄期各因素对水泥土强度影响趋势。各因素量强度影响图各因素量强度影响图综合分析形成CSA-I成品外加剂CSA-型外加剂淡黄色粉末状材料 CSA-型外加剂室内验证试验研究 对初选的不同水泥、外加剂掺量，进行水泥土无侧限抗压强度试验，验证外加剂效用。分别取三种不同水泥掺量（10%、15%、21%）、外加剂掺量（0%、6%、8%、10%），共12组试件，进行3龄期室内强度试验，CSA-型外加剂室内验证试验研究CSA-型外加剂室内验证结论 不同掺量CAS-1型外加剂，对水泥土的强度起着明显的早强、增强作用，7天强度提高幅度达30%，28天强度提高幅度达25%左右，90天强度提高亦达20%，可见CAS-1

28、型外加剂对水泥土强度提高有着显著效果。综合分析不同掺量外加剂对强度的影响，可知对于通启高速公路粉质粘土，CAS-型外加剂掺量为7%左右时，可取得较好的效用价格比。4.2 水泥土外加剂配方研究之二 常熟淤泥质土水泥土外加剂试验苏南水网地区常见软土试验方案综合分析形成淤泥质类水泥土成品外加剂灰黄色粉末状材料 淤泥质类水泥土成品外加剂室内验证试验研究淤泥质类外加剂室内验证结论不同掺量淤泥质类外加剂，对水泥土的强度起着明显的早强、增强作用，7天强度提高幅度均超过30%，28天强度提高幅度达20%以上，90天强度提高亦达20%，可见淤泥质类外加剂对水泥土强度提高有着显著效果。综合分析不同掺量外加剂对强度

29、的影响，可知对于常熟高速公路淤泥质土，淤泥质类外加剂掺量为6%左右时，可取得较好的效用价格比。 两种外加剂经济性分析两种水泥土外加剂，掺量为水泥用量的6,7%，水泥土强度提高达20%以上，可见外加剂的掺入，使水泥土强度得到更大幅度的提高；就经济性而言，由于外加剂的生产工艺较简单，同时采用部分工业废品，在不增加或稍微增加工程造价的情况下，可以使水泥土强度得到较大幅度的提高，具有较好的综合经济和社会效益。5 水泥土外加剂工程应用水泥土外加剂工程应用5.2 淤泥质类水泥土外加剂在苏州西北绕城高速公路应用研究 从试验路段分别取表面以下03.95、3.954.95m范围内亚粘土（简称A类土）、淤泥质亚粘土（以下简称B类土），进行水泥土外加剂（产量为水泥用量的6%）室内试验研究，试验结果如下表。两种水泥土7天龄期提高达45以上，28天龄期强度提高均超过30 ，可见外加剂的掺入极大地改善了水泥土的强度。在苏州西北绕城高速公路上的应用钻芯试验结果表明，在该试点工程中，28天龄期掺外加剂水泥土比不掺外加剂水泥土无侧限强度提高30%以上，90天龄期强度提高亦达20%。 在苏州西北绕城高速公路上的应用无损检测未施工部分软土地基（K21+008）瑞利波