软土地基处理粉喷桩软基加固技术

1、168/168软土地基处理:粉喷桩软基加固技术的研究概 述第一节 地基处理的目的及意义任何建筑物的荷载最终将传递到地基上，由于上部结果材料强度专门高，而地基土强度专门低，压缩性较大，因此通过设置一定结构型式和尺寸的基础才能解决那个矛盾。基础具有承上启下的作用，它一方面处于上部结构的荷载及地基反力的共同作用下，承受由此产生的内力；基础底面的反力反过来又作为地基土的荷载，使地基产生应力和变形。基础设计时，除了需保证基础结构本身具有足够的刚度和强度外，同时还需选择合理的基础尺寸和布置方案，使地基的强度和沉降保持在规范同意的范围内。因此，基础设计又常被称为地基基础设计。凡是基础直接建在未经加固的天然土

2、层上时，这种地基称之为天然地基。若天然地基专门软弱，则事先需要通过人工处理后再建筑基础者，这种地基称之为人工地基。随着国民经济的高速进展，不仅需要选择在地基条件良好的场地从事建设，而且有时也不得不在地质条件不良的地基上进行修建。另外，科学技术的日新月异也使结构物的荷载日益增大，对变形要求越来越严，因而原来一般可被评价为良好的地基，也可能在某种特定条件下非进行地基处理不可，因此，地基处理的重要地位也日益明显，已成为制约工程建设的要紧因素，如何选择一种既满足工程要求，又节约投资的设计、施工和验算方法，差不多刻不容缓的呈现在宽敞的工程技术人员面前。软土是指近代沉积的软弱土层，由于它低强度，高压缩性和

3、弱透水性，作为地基，常常成为棘手的工程地质问题。软土的成分包括饱含水分的软弱粘土和淤泥土，其工程性质要紧取决与颗粒组成、有机质含量、土的结构、孔隙比及天然含水量。软土地基的共同特性是：天然含水量高，最小为30%40%，最高可达200%；孔隙比大，最小为0.81.2，最大达5；压缩系数大；渗透系数小，一般小于1106软弱地基的特点决定了在这种地基上建筑工程，必须进行地基处理。地基处理的目的确实是采取适当的措施改善地基条件，要紧包括：改善剪切特性地基的剪切破坏以及在土压力作用下的稳定性，取决于地基土的抗剪强度。因此，为了防止剪切破坏以及减轻土压力，需要采取一定措施以增加地基土的抗剪强度。改善压缩特

4、性要紧是采纳一定措施以提高地基土的压缩模量，藉以减少地基土的沉降。另外，防止侧向流淌（塑性流淌）产生的剪切变形，也是改善剪切特性的目的之一。改善透水特性由于地下水的运动会引起地基出现一些问题，为此，需要采取一定措施使地基土变成不透水层或减轻其水压力。改善动力特性地震时饱和松散粉细砂（包括一部分轻亚粘土）将会产生液化。因此，需要采取一定措施防止地基土液化，并改善其振动特性以提高地基的抗震特性改善专门土的不良地基特性要紧是指消除或减少黄土的湿陷性和膨胀性等专门土的不良地基特性。第二节地基处理的分类和方法我国劳动人民在处理地基方面有着极其宝贵的丰富经验，据史料记载，早在两千年往常就已采纳在软土中夯入

5、碎石等压密土层的夯实法，灰土和三合土的换土垫层法也是我国的传统建筑技术之一。随着时代的进展，地基处理方法也有了长足进步，按时刻分可分为临时处理和永久处理；按深度分可分为浅层处理和深层处理；按土性对象分可分为砂性土处理和粘性土处理，饱和土处理和非饱和土处理等。许多方法尚在不断进展中，差不多方法是置换，夯实，挤密，排水，胶结，加筋和热学等处理方法。这些方法差不多上被实践证明的行之有效的方法。近三、四十年来，国外在地基处理技术方面进展十分迅速，老方法得到改进，新方法不断涌现。在60年代中期，从如何提高土的抗拉强度这一思路中，进展了土的“加筋法”；从如何有利于土的排水和加速固结这一差不多观点动身，进展

6、了土工织物、砂井预压和塑料排水板；从如何进行深层压密处理的方法考虑，进展了“强夯法”和“振动水冲法”等。另外，现代工业的进展，对地基工程提供了强大的生产手段，真空泵的问世，建立了“真空预压法”，在压缩空气机的基础上产生了“高压喷射注浆法”。随着地基处理工程实践经验的积存，人们在改造土的工程性质的同时，不断丰富了对土的特性的认识，从而又推动了地基处理技术和方法的更新，往常简单的分类方法差不多不能符合时代的要求，按地基处理的作用机理对地基处理方法进行分类，能体现各种处理方法的要紧特点，是一种比较妥当的分类方法。按地基处理的作用机理分类，各种处理方法的简介见表：表11各种处理方法的比较分类处理方法原

7、理及作用有用范围优点及局限性浅层密实法机械碾压法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沙（石）垫层，碎石垫层，粉煤灰垫层，干渣垫层，土（灰土，二灰）垫层等。它可提高持力层的承载力，减小沉降量，消除或部分消除土的湿陷性和膨胀性，防止土的冻胀及改善土的抗液化性。常用于基坑面积大和开挖土方量较大的回填土方工程，适用于处理浅层非饱和软弱土地基，湿陷性黄土地基，膨胀性地基，季节性冻土地基，素填土和杂填土地基。简易可行，但仅限于浅层处理，一般不大于3米，对湿陷性黄土地基不大于5米。如遇地下水，关于重要工程需要附加降低地下水的措施。重锤夯实法适用于地下水位以上为潮湿的粘性土，砂土和湿陷

8、性黄土，杂填土和分层填土地基。续表11处理方法原理及作用有用范围优点及局限性浅层密实法平板振动法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沙（石）垫层，碎石垫层，粉煤灰垫层，干渣垫层，土（灰土，二灰）垫层等。它可提高持力层的承载力，减小沉降量，消除或部分消除土的湿陷性和膨胀性，防止土的冻胀及改善土的抗液化性。适用于处理非饱和性，无粘性土或粘粒含量少而透水性强的杂填土地基简易可行，但仅限于浅层处理，一般不大于3米，对湿陷性黄土地基不大于5米。如遇地下水，关于重要工程需要附加降低地下水的措施。强夯挤密法采纳边强夯、边填碎石、边挤淤的方法，在地基中形成碎石墩体，从而提高地基承载力和

9、减小沉降。适用于厚度较小的淤泥和淤泥质 土地基。应通过试验方法确定其适用性。爆破法由于振动使土体产生液化和变形，达到较大的密实度，用以提高地基承载力和减小沉降。适用于饱和性砂或非饱和性但经灌水后饱和的砂，粉土和湿陷性黄土。深层密实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，用以提高地基承载力和减小沉降，消除土的湿陷性、膨胀性和液化性。强夯置换是指对厚度小于6米的软弱土层边夯边填碎石，形成深度为36米，直径为2米左右的碎石柱体，与周围土体形成复合地基。适用于碎石土，砂土，素填土，杂填土，低饱和度的粉土与粘性土，湿陷性黄土。强夯置换法适用于软粘土。施工速度快，施工质量容易得到保

10、证。经处理后土体性质较为均匀，造价经济，适用于大面积场地。施工时对周围有专门大的振动和噪音，不宜在闹市区施工，同时需要整套强夯设备（重锤，起重机）。续表11分类处理方法原理及作用有用范围优点及局限性深层密实法挤密法（碎石、砂石桩挤密法）（土，灰土，二灰桩挤密法）（石灰桩挤密法）利用挤密或振动使深层土密实，并在振动或挤密过程中回填以砂，砾石，碎石，土，灰土，二灰或石灰等，形成砂桩，碎石桩，土桩，灰土桩，二灰桩，或石灰桩，与桩间土一起组成复合地基，从而提高地基承载力，减少沉降量，消除或部分消除土的湿陷性或液化性。砂（砂石）桩挤密法，振动水冲法，干振碎石桩法一般适用于杂填土和松散砂土，对软土地基经试

11、验证明加固有效时方可使用。土桩，灰土桩，二灰桩挤密性一般适用于地下水位以上深度为510米的湿陷性黄土和人工填土。石灰桩适应于软弱的粘性土和杂填土。经振冲处理后地基土性质较为均匀。排水固结法堆载预压法真空预压法降水预压法电渗排水法通过布置垂直排水井，改善地基排水条件，并采取加压，抽水，抽气和电渗等措施，以加速地基土的固结和强度的增长，提高地基土的稳定性，并使沉降提早完成。适用于处理厚度较大的饱和粘土和冲填土地基，但关于厚的泥炭层要慎重对待。需要有预压时刻和荷载条件及土石方搬运机械。对真空预压，预压压力达80kpa还不够时，可同时加土石方堆载。真空泵需长时刻抽气，耗电量大。降水预压法无须堆载，效果

12、取决于降水水位的深度，需长时刻，耗电量大。加筋法加筋土，土锚，土钉锚板在人工填土地路堤或挡墙内铺设土工合成材料：钢带，钢条，尼龙或玻璃纤维等作为拉筋，或在软弱土层上设置树根桩或碎石桩等，使这种人工复合土体能够承受抗拉、抗压、抗剪和抗弯作用，用以提高地基的承载力，减小沉降量和增加地基稳定性。加筋土适用于人工填土的路堤和挡墙结构。土锚，土钉，锚板运用于土坡稳定。适用于处理浅层地基，简便易行，施工速度较快。土工合成材料适用于砂土，粘性土和软土。树根桩适用于各类土，可用于稳定土坡支拉结构或用于对既有建筑物的托换结构。砂石桩、砂桩、碎石桩适用于粘性土，疏散砂性土和人工填土，关于软土，经试验证明有效时方可

13、使用。续表11分类处理方法原理及作用有用范围优点及局限性热学法热加固法热加固法是通过渗入热空气和燃烧物，并依靠热传导将细颗粒土加热到适当温度（100oC以上）则土的强度就会增加，而压缩性随之降低。适用于非饱和粘性粉土和湿陷性黄土。处理地基深度大，加固效果明显，污染性小，但受地理因素和气候条件的限制。冻结法采纳液体氮或二氧化碳膨胀的方法，或采纳一般的制冷设备与一个闭阀式液压系统相连接，使冷却液在内部流淌，造成软而湿的土进行冻结，以提高土的强度和降低压缩性。适用于各类土，特不在软弱地质条件下，开挖深度大于78米，以及低于地下水位的情况下是一种普便而有效的施工措施。胶结法注浆法（灌浆法）通过注入水泥

14、浆液或化学浆液的措施使土粒胶结，用于提高地基承载力，减小沉降量，增加稳定性，防止渗漏。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，可加固暗滨和使用在托换工程中施工时水泥浆冒出地面，流失量大，对流失的水泥浆应设法予以利用。高压喷射注浆法将有专门喷嘴的注浆管通过钻孔置入到处理土层的预定深度，然后将浆液（通常是水泥浆）以高压冲切土体，在喷射浆液的同时，以一定的速度旋转提升，形成水泥柱圆柱体，若喷嘴提升而不旋转，则形成墙状固结体。加固后可提升地基承载力，减少沉降，防止砂土液化，管涌和基坑隆起，建成防渗帷幕。适用于处理淤泥，淤泥质粘土，粘性土，粉土，黄土，砂土和人工填土等地基。

15、当土中含有较大的大粒径块石，坚硬粘性土，大量植物根茎或过多有机质时，应依照现场试验结果确定运用程度。对既有建筑物可进行托换工程。水泥搅拌法分湿法（深层搅拌法）和干法（粉体喷射搅拌法）两种。湿法利用深层搅拌机将水泥浆和地基土原位拌和。干法利用粉喷机将水泥粉或石灰粉与地基土原位拌和。搅拌后形成柱状水泥土体。提高承载力，用于处理淤泥，淤泥质土，粉土和含水量较高且地基承载力不大于120Kpa的粘性土等地基。当用于处理泥炭类土或地下水有侵蚀性宜通过试验确定适用程度。经济效果显著，目前差不多成为我国软土地基建筑67层建筑物、高等级公路路基、防渗墙等工程最为经济合理的处理方法之一。不能用于含石块的杂填土。以

16、上各种地基处理方法差不多上根椐不同软弱土性质进展起来的。在选择不同的地基处理方案时需要考虑以下因素：土的类不；处理后土的加固深度；上部结构要求；能提供的材料；具有地基处理的机械设备；周围环境因素；施工工期要求；施工队伍技术素养；施工技术条件和经济指标比较等。各种地基处理方法的土质适用情况、加固效果和最大有效处理深度见表12：表12各种地基处理方法的土质适用情况、加固效果和最大有效处理深度分类序号处理方法土质适用情况加固效果常用有效处理深度(米)淤泥质土人工填土无粘性土湿陷性黄土粘性土降低压缩性提高抗剪性增加不透水性改善动力特性饱和土非饱和土浅层加固法1换土垫层法*32机械碾压法*33平板振动法

17、*1.54重锤夯实法*1.55土工合成材料法*1.5深层加固法6强夯法*107砂（砂石）桩挤密法*208振动水冲法*189干振碎石桩法*610土（灰土，二灰）桩挤密法*2011石灰桩挤密法*2012砂井（袋装砂井，塑料排水板）预压法*1513真空预压法*1514降水预压法*3015电渗排水法*2016注浆法*2017高压喷射注浆法*2018深层搅拌法*1819粉体喷射搅拌法*12地质构造情况的复杂性要求在具体工程实践中要注重各种处理方法的加固机理，有用范围，优点及局限性。真正做到因“地”制宜，达到提高地基承载力，减小沉降，保证上部建筑物的正常使用的目的。第三节粉体喷射搅拌法的进展历史、工程特点

18、及其应用一 粉体喷射搅拌法的进展历史、现状及工程特点粉体喷射搅拌法是在软土地基中输入粉体加固材料（水泥粉或石灰粉），通过搅拌机械与原位地基土强制性搅拌混合，使地基土和加固材料发生化学反应，在稳定地基土的同时提高其强度的方法。1967年瑞典KJELD PAUS提出使用石灰搅拌桩加固15米深度范围内软土地基的设想，并于1971年现场制成一根用生石灰和软土搅拌制成的桩。次年在瑞典斯德哥尔摩以南约10公里的HUDDING用石灰粉体搅拌桩作为路堤和深基坑边坡稳定措施。瑞典的LINDENALIMAT公司还生产出专用的成桩机械，柱径可达500mm，最大加固深度1015米同一时期，日本于1967年由运输部港湾

19、研究所开始研制石灰搅拌施工机械，1974年在软土地基加固工程中应用，并研制出两种石灰搅拌机械，形成两种施工方法。一类为使用颗粒状生石灰的深层搅拌法（DLM法），另一类为使用生石灰粉末的粉体喷射搅拌法（DJM法）。由于粉体喷射搅拌法采纳粉体作为固化剂，不再向地基中注入附加水分，反而能充分汲取周围软土中的水分，因此加固后地基的初期强度高，对含水量高的软土，加固效果尤为明显，该技术得到了广泛的应用。国内由铁道部第四勘测设计院于1983年初开始进行粉体喷射搅拌法加固软土的试验研究，并于1984年在广东省云浮硫铁矿铁路专用线上单孔4.5米盖板箱涵软土地基加固工程中使用，后来相继在武昌和连云港用于下水道河

20、槽挡土墙和铁路涵洞软土地基加固，均获得良好效果。它为软土地基加固技术开拓了一种新的方法，并在铁路，工路，市政工程，港口码头，工业和民用建筑等软土地基加固方面推广使用。粉体喷射搅拌法自1986年经国家鉴定（获科技进步奖）正式应用于工程，同时专项技术规程的颁布（软土地基深层搅拌加固技术规程YBJ22591），标志着该技术在设计和施工上趋于成熟。粉体喷射搅拌法加固地基有如下特点：使用的固化材料（干燥状态）可更多汲取软土地基的水分，对加固含水量高的软土地基，效果更为显著。固化材料全面的被喷射到靠搅拌叶片旋转过程中产生的孔隙中，同时又靠土的水分把它粘附到孔隙内部，随着搅拌叶片的搅拌，使固化剂均匀的分布在

21、土中，可不能产生不均匀的散乱现象，有利于提高地基土加固强度，被加固土的无侧限抗压强度能够提高许多，达几十倍以上，一般为5004000Kpa，而且强度增长快，工期短，有利于快速施工。适量的选择固化剂，掺入比，搅拌方式，置换率等，可达到良好的软基加固效果。与高压喷射注浆法和水泥浆深层搅拌法相比，输入地基土中固化材料要少得多，无浆液排出，无地面隆起现象。粉体喷射搅拌法施工能够加固成群桩，也能够交替搭接成壁状，格栅状或块状，使的固化材料为干燥状态的直径为0.5mm就地加固，无弃土，减少土方工程。施工无振动，无噪声，无排污，对周围环境无污染，对周边软土无扰动。加固费用不高，成桩快。一般日成桩300400

22、米，成桩10天左右即可进行下一道工序施工，大大缩短施工周期。粉体喷射搅拌法（干法）由浆体深层搅拌法（湿法）改进而来。在原地基承载力高时，湿法施工比干法施工搅拌搅拌效果理想。若采纳干法施工，搅拌后形成的水泥土均匀性相对较差。另外，当天然地基土的含水量较低时，干法搅拌满足不了水泥水化反应的水量要求，从而达不到理想的效果。二 粉体喷射搅拌法在路基设计中的应用粉体喷射搅拌法作为软土地基处理的一种方法，由于其加固工期短，见效快，就地处理，最大限度利用原土，无污染，加固后地基整体性、水稳定性及强度都有大幅度的提高，目前已得到越来越多的应用。在我国，粉喷桩加固软弱土层差不多被广泛的用于铁路、高等级公路、市政

23、工程、工业与民用建筑、港口码头等工程的地基加固，并取得了较好的技术经济效果和社会效果。尤其对高速公路的建设而言，路线所经区域的不良地质要紧为软土地基，路堤的沉降，桥头的沉降和小型构造物的不均匀沉降，常常是工程设计人员面临的要紧难题，这些问题解决的好坏与否，不仅直接关系到高速公路建设成败的关键，也是操纵工期、关系工程造价的重要环节。为了确保路面的使用质量，在充分考虑各种软土路段路基的处理方案时，许多工程采纳粉喷桩对软土路基的高填土部分和桥头部位进行处理。国内外工程实践表明，通过加固后的土体压缩性明显减小，抗侧向变形能力有所提高，明显防止软土对桥台桩基的侧向挤密作用。又因水泥土的固化时刻较短，在争

24、取时刻的过程中不失为一种有效的软基处理方法。在施工期紧的情况下，遇到桥台施工与桥台后填土安排的矛盾时，许多中高填土部位采纳粉喷桩加固方案。第四节问题的提出和本文要紧研究内容一问题的提出1粉体喷射搅拌法常被应用于建筑物地基、高速公路路基等加固工程中，其机理是基于水泥对土的加固作用。然而这项技术的进展历史仅仅为几十年，对其加固机理的认识还不充分，设计理论和方法还不不成熟，有些还处于半理论半经验的状态。粉喷桩的一般设计原则为桩径50cm，粉剂为425#水泥干粉，掺量为天然土重的15%，桩间距约为12米2工程实践表明，粉体喷射深层搅拌法的施工工艺、施工机械尚待进一步完善；搅拌桩的检测方法及手段长期悬而

25、未解；目前尚无统一的粉喷桩质量检测方法和验收标准。粉体喷射深层搅拌加固技术进展至今，加之工程治理的疏漏，操作人员素养的参差不齐，技术应用的某种失度，确实有加固失败，工程失事的情况发生，致使深层搅拌这一个有明显优势的加固技术在国内的进展受到了限制。对粉喷桩这种隐蔽工程而言，如何准确、有效、快速的检测其施工质量，一方面为建设单位的现场质量的操纵提供依据，另一方面便于及时的检查和发觉施工过程中出现的问题，解决施工质量状况令人疑虑状况，有必要提供一种行之有效的检测方法，来充分发挥粉喷桩加固地基经济、有效、节约工时等多种优点。3提高地基承载力和减小压缩层的沉降量是地基处理的要紧目的。由于工程结构物对地基

26、的要求，随型式、规模及重要性而异，对软弱地基的推断标准也难有一个统一的正确的定义。因此，沉降量的合理估算，是地基加固方案设计的一个重要依据。沉降量估算的小，将会阻碍上部建筑物的正常使用乃至破坏，造成不必要的损失；沉降量估算过大，将直接导致工程造价提高，投资增加，经济效益低下。如何在种类繁多的各种沉降计算方法中选择一种适合工程应用、原理易于理解、计算结果合理、方法简单易行的有用计算方法，对工程技术人员而言，将具有直接的工程实践意义。鉴于以上缘故，本文以在建的省“九五”重点工程南京至马鞍山高速公路的软基加固工程为依托，结合河海大学结构研究所与南京公路建设处合作的南京市重点建设工程南京至高淳高等级公

27、路二期工程，对粉喷桩加固路基方案的设计、桩基现场质量操纵及粉喷桩复合地基沉降的计算进行了初步研究，以期加深前期经验，积存资料成果，指导工程实践，达到修正和完善现有工程设计、现场检测和沉降计算方法的目的。二本文要紧研究内容水泥土抗压强度的阻碍因素分析为了经济合理地确定深层搅拌法加固地基土的技术方案，确定与地基土加固相适应的水泥品种、标号和水泥掺入比，同时也是为地基加固设计提供必不可少的试验资料，预先进行了各种不同方案的水泥土室内配比试验。目的在于探究用水泥土加固各种成因软土的适宜性，了解加固水泥的掺入比、含水量、龄期、外掺剂等对水泥土强度的阻碍，求得波速、掺入比、含水量、干密度、龄期和标贯击数与

28、强度的关系，从而为设计、计算和施工提供可靠的参数。现场桩基质量检测本文首先依照波速、标贯与抗压强度的相关性分析揭示的彼此之间的客观关系，对反射波动测法、钻孔取芯和标准贯入试验的方法应用于现场桩基检测的可行性进行了论证，并结合本次工程实践，对反射波动测法、钻孔取芯和标准贯入试验的方法应用于现场桩基检测的合理性进行评价。目的在于寻求一种与工程实际相适应，操作简便易行，结果合理可靠的方法，从而更好的对现场施工进行质量监控。地基沉降计算方法分析对高速公路软土路基的处理而言，沉降量的估确实是决定软基是否需要处理及处理效果如何的重要步骤，合理的计算沉降量将具有非比平常的重要意义。本文结合试验和原观分析，对

29、复合地基沉降的各种计算方法进行了对比分析和估价，决定采取数值和简化两种计算手段。数值计算采纳非线性有限元方法，土体假定为邓肯张模型，以比奥固结理论为基础，考虑侧向变形和渗流对沉降的阻碍，将桩土作为整体划分网格，取网格节点上孔隙压力和竖向、水平向位移为差不多未知量，在填土作用下依照土体劲度和渗透性建立方程，解得孔压和位移随时刻的变化。简化计算要紧采纳等效模量当层法和MindlinBoussinesq联合求解法计算沉降，并依照有限元计算或现场实测结果进行修正。本文目的在于通过以上尝试，选择一种适宜本地区简易而又较合理、易于为工程技术人员同意的的沉降计算方法。第二章 室内配比试验中水泥土强度阻碍因素

30、分析粉体喷射深层搅拌法处理软土地基要紧是通过水泥与软土通过一系列物理化学反应，对软土结构进行改变来提高地基承载力和减小沉降量来实现加固目的。粉喷桩加固软土地基的效果，要紧取决于加固土的性质、水泥掺入量的多寡、桩长和桩间距的大小等因素。就目前的粉喷桩工程设计而言，其加固方案差不多上是千篇一律，专门难做到与工程实际相结合，使得粉喷桩加固地基经济效益明显的作用未能充分发挥。因此，我们进行室内配比试验的目的，确实是模拟粉喷桩的现场加固过程，反映出加固过程中的决定性因素，然后结合具体工程软弱土层的物理力学特性，寻求最优加固方案。在室内配比方案中，如何确定阻碍水泥土的因素和阻碍因素中的要紧因素，第一步要搞

31、清晰水泥土的加固机理。因此，本文首先从对水泥土加固机理的研究动身，试图揭示软土改性的机理。第一节 水泥土加固机理分析水泥加固土的物理化学反应过程和混凝土硬化机理不同。混凝土的硬化要紧是在粗填充料的比表面积不大，活性专门弱的介质中进行水解水化作用，因此凝聚速度较快。而在水泥加固土中，由于水泥掺量专门小，水泥的水化水解反应完全是在具有一定活性的介质土的围绕下进行的，因此水泥加固土的强度增长过程比混凝土较为缓慢。软土工程性状差的物质多为粘性矿物成分（如蒙脱石，伊利石，高岭石等），这类次生矿物构成的土粒极细，比表面积大，且多呈片状，性质爽朗，有较强的吸附水能力，改善粘土矿物性质就能够改善软土的物理力学

32、性质。一水泥的水解水化反应一般的硅酸盐水泥要紧是氧化钙，二氧化硅，三氧化二铝，三氧化二铁，三氧化硫等组成，掺入的水泥与软土中的水发生水解和水化反应，在软土中形成水泥石骨架。要紧反应如下：2（3CaOSiO2）+6H2O3CaO2SiO23H2O+3Ca（OH）2；2（2CaOSiO2）+4H2O3CaO2SiO23H2O+Ca（OH）2；3CaOAl2O3+6H2O3CaOAl2O36H2O；4CaOAl2O3 Fe2O3+ 2Ca（OH）2+10H2O3CaOAl2O36H2O+3CaOFe2O36H2O；3CaSO4+3CaOAl2O3+32H2OCaOAl2O33CaSO432H2O;生

33、成物要紧为氢氧化钙，含水硅酸钙，含水铝酸钙，含水铁酸钙和水泥杆菌等化合物。所生成的氢氧化钙，含水硅酸钙能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，如此周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后，水分子虽接着渗入颗粒内部，但新生成物不能再接着溶解，只能以胶体析出，悬浮在溶液中。依照电子显微镜的观看，水泥杆菌最初以杆状结晶形式在比较短的时刻内析出，其生成量随水泥掺入量的多寡和龄期的长短而异。由X射线衍射分析，这种反应迅速，最后把大量自由水以结晶水的形式固定下来。这关于含水量高的软土强度增长有专门意义，可使土中自由水的减少量约为水泥杆菌生成重量的46%。因此，硫酸钙的掺量不能太多，

34、否则这种水泥杆菌针状结晶会使水泥发生膨胀而遭到破坏。因此，使用合适，在某种特定的条件下，可利用这种膨胀势来使加固土发生膨胀、挤密作用来增加地基加固效果。二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，有的自身接着硬化，形成水泥石骨架，有的则与周围具有一定活性的粘土颗发生反应。1）离子交换和团粒化作用粘土和水结合时就表现一定的胶体特性，如土中二氧化碳遇水后，形成胶体微粒，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土团粒，从而使土体的强度提高。水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗粒大1000倍，因而产生专门大的表面

35、能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合，形成水泥土的团粒结构，并封闭各团粒的孔隙，形成牢固的联结。从宏观上看也能使水泥土的强度大大提高。2）硬凝反应随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交换需要量后，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部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，增大水泥土强度。SiO2+ Ca（OH）2+nH2O3CaOSiO2(nH)H2O;Al2O3+ Ca（OH）2+nH2OCaOAl2O3(n+1)H2O;从电子显微镜扫描的观看可见，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

36、物结晶萌芽；一个月后，水泥土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；到五个月后，纤维状结晶辐射向外伸展，产生分叉，相互结合形成网状结构，土颗粒的性状差不多不能分辨。3）碳酸化作用水泥水化物中游离的氢氧化钙能汲取水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应也能使水泥土增加强度，但增长强度较慢，幅度较小。从水泥土加固机理分析，由于搅拌机械的切削作用，实际上不可幸免会留下一些未被粉碎的大小团粒，在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象，而土团间的大孔隙差不多上已被水泥颗粒填满。因此，加固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

37、有在较长的时刻，土团内的土颗粒在水泥水解产生的渗透作用下，才逐渐改变性质。因此在水泥土中不可幸免的会产生强度较大和水稳定性较好的水泥石和强度较低的土团粒区。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，则水泥土结构的离散性越小，其宏观强度也越高。第二节 水泥土的室内配比试验一试验目的软弱土层的粉喷桩加固技术是基于水泥对软土的加固作用，而目前这项技术的进展仅仅经历了几十年，不管从加固机理依旧设计计算方法依旧施工工艺均有不完善的地点，有些还处于半理论半经验状态，因此，应该特不重视水泥土的室内配比试验。通过对试验结果的分析，掌握一些规律性

38、因果关系来指导粉喷桩加固方案的设计。本文依照各种不同方案的水泥土室内配比试验结果，利用多元线性回归和BP神经网络两种数学方法对地基土加固效果有阻碍的因素如：掺入比、含水量等因素进行了分析，希望对设计、计算和施工中重要参数的确定有指导意义，从而经济合理地确定深层搅拌法加固地基土的技术方案，也为类似工程提供参考数据。具体步骤如下：1确定哪些变量xi（如水泥品种，标号，掺入比，含水量，搅拌方式，养护条件等）对响应Y（如无侧限抗压强度，抗剪，抗拉强度等）最有阻碍。2确定最有阻碍的xi设置在何处（如含水量、掺入比最优）使得Y几乎接近于所希望的额定值。3确定有阻碍的xi设置在何处使得Y的变异性较大。4确定

39、有阻碍的xi设置在何处使得不可操纵的变量z1,z2 zn,(如搅拌机械，施工工艺，治理水平)的效果最小。二试验设计的差不多原理重复性重复性是指差不多试验的重复进行。重复有两个重要性质：第一，是能够得到试验误差的一个可能量；第二，假如样本均值用作为试验中一个因素的效应可能量，则重复同意试验者求得这一效应更为精确的可能量。例如：假如2是数据方差，而有n次重复的样本均值的方差则为2/n。这一点的实际意义是,假如只有一次试验，并观看到含水量为40%的试块抗压强度为y1=0.9Mpa，而含水量为30%的试块抗压强度为y2=1.0Mpa，我们也许不能作出抗压强度随含水量增加而降低的推断，也确实是讲观看差可

40、能是试验误差的结果；另一方面，假如n合理的大，试验误差足够小，当观看到同样的结果时，我们就认为以下的结论是可靠的：在其他条件相同的条件下，含水量的增加确实使水泥土抗压强度降低。随机化它是在试验设计中使用统计方法的基石。所谓随机化，指试验材料的分配和各个试验的进行次序差不多上随机确定的。统计方法要求观看值（或误差）是独立分布的随机变量，而随机化通常使这一假定有效，把试验进行适量的随机化有助于“平均出”可能出现的外来因素的效应。例如在抗拉试验中随机对龄期相同的试块进行拉断试验，而非按掺入比等因素分组进行拉断试验，如此就会缓解试验设备的摩阻力或因接触位置的差异引起的强度变化。）区组化它是用来提高试验

41、精确度的一种方法。一个区组确实是试验材料的一部分，相比于试验材料全体，它们本身的性质应该更为类似。例如：想明白掺入比对试块强度的阻碍，能够用下述方法进行。随机制一批试块，样品的一半掺入比为10%，另一半为15%，进行抗压试验时试块的选取是随机决定的，因为这是一种完全随机化设计，两个样本的平均抗压强度可用t检验法来比较。如此就会显现出完全随机化设计的一个严峻缺陷。设掺入比相同的试块由一个模具压制而成，而在制模过程中可能使试块的厚度、密实性等不同，不同掺入比的样本之间将缺乏均匀性导致抗压强度的变异性，并会增大试验的误差，使掺入比的真实阻碍难以鉴不。区组化原则确实是针对这一情况，假定一个模具能够制成

42、掺入比不同的两个试块，如此试块之间的厚度、密实性等差异将缩小，从而降低其他因素引起的抗压强度的变异性，达到提高试验精确度的目的。以上设计实际是一般的随机化区组设计中专门的设计类型。区组理解为一个相对均匀的试验单元，同时表示对完全随机化的一个约束，因为处理组合仅仅在区组内部是随机化的。然而，要注意以下几点：例如对一个20个样本的试验，用完全随机化设计方法，对t统计量而言，用了n1-1+n2-1=10-1+10-1=18个自由度，而随机化区组设计却使t统计量只用了10-1=9个自由度，区组化使我们失去了（n2-1）个自由度。但我们希望，消除了附加的变异性源（样本之间的差不）能得到更好的信息，对以上

43、两种方法进行置信区间分析可知：区组化分析所得到的置信区间小于独立分析所得到的置信区间，这一点反应了区组化的噪音减小性质。区组化并不常是最好的设计策略。假如区组内部的变异性和区组之间的变异性相同，则y1-y2的方差不管用什么设计方法差不多上相同的，实际上区组化将不是一个好的选择，因为区组化损失了（n2-1）个自由度并在实际上导致了一个关于（1-2）的较宽的置信区间。三试验设备和规程本次试验用土取自宁高公路（洪蓝至双牌石段）工地现场，场地原为河道，属于江、河漫滩沉积，加固区土层土样由钻机在现场进行补充勘探时取得，常规土工试验测得其物理力学性质指标见表21，这些参数要紧是在粉喷桩地基加固设计和沉降计

44、算中提供桩间土参数。依照表21提供的地质资料情况，知加固区以粘性土和淤泥质土为主，分布呈层状，且同种土土层较薄，由于钻头的推进和旋转，可能会使相邻土层土混杂，与掺入水泥共同胶结形成成桩材料；另一方面，试验经费有限，回归分析所需样本量又较大，难以对每种土都进行配比试验。因此室内土样要紧取粘土和淤泥质土，在室内使土样完全扰动，并搅拌均匀后，利用现有的土工试验仪器，制得试块为70mm70mm70mm的立方体，空气养护，搅拌方式为干搅，按照土工试验规程进行试验。配比方案如下：水泥掺入比分不为8%、12%、15%；含水量分不为30%和40%；龄期分为30天和90天。试样共分12组，每组12个，共12组1

45、2个=144（个）表21.宁高二期土工试验成果表冯村大桥北（k54+400+465）土层种类深度（m）含水量（%）干密度（g/cm3）孔隙比比重压缩系数（Mpa-1）压缩模量（Mpa）粉质粘土1.0-1.228.31.430.8972.720.523.6淤泥质粉粘土3.1-3.341.01.261.1672.720.842.5粉质粘土4.5-4.727.61.510.8002.710.364.9粘土8.0-8.227.11.520.7982.730.189.8冯村大桥南（k54+625+670）土层种类深度（m）含水量（%）干密度（g/cm3）孔隙比比重压缩系数（Mpa-1）压缩模量（Mpa）

46、粉质粘土2.0-4.229.31.470.8452.720.403.9粉土7.0-7.226.01.540.7542.700.237.5残积土8.9-10.323.51.550.7362.700.453.8杨村小桥北（57+582+632）土层种类深度（m）含水量（%）干密度（g/cm3）孔隙比比重压缩系数（Mpa-1）压缩模量（Mpa）粘土1.0-1.331.31.390.9652.740.523.7淤泥质3.1-3.341.51.221.2532.740.297.4细砂土4.6-4.834.61.360.9850.209.6淤泥质细砂土8.1-8.336.11.241.1740.249.1

47、粉质粘土10.8-11.228.11.510.7952.720.266.8杨村小桥南（57+632+693）土层种类深度（m）含水量（%）干密度（g/cm3）孔隙比比重压缩系数（Mpa-1）压缩模量（Mpa）粉质粘土1.3-1.526.91.530.7792.720.345.1淤泥质粉砂土2.3-2.543.61.191.2672.700.872.5淤泥质2.8-3.050.31.131.4262.741.101.9淤泥质粉砂土3.5-3.749.01.121.4092.700.762.9第三节 多元线性回归分析阻碍粉喷桩的物理力学性能指标的因素甚多：软土性质、工程设计、施工机械、施工工艺、养

48、护条件及施工者素养对水泥土强度都有强烈的阻碍，现排除设计、施工等诸多因素，在本章分析中，要紧研究水泥土抗压强度这一要紧指标，考察水泥掺入比、含水量、孔隙率、干容重、声波传播速度等因素的作用。通过回归分析，试图将各阻碍因素对目标的阻碍量化，同时希望进行各因素之间的共线性诊断以及模型的适合性检验，从而建立只包含要紧阻碍因素与抗压强度的新模型，在工程中以更少的参数来较好的操纵粉喷桩水泥土的抗压强度。将波速这一物理量放入分析，并不是讲它对室内配比试验的试样强度的形成有直接阻碍，目的是试图通过建立波速与强度之间的关系，从而为反射波法应用于粉喷桩质量检测的可行性进行论证。对本此试验结果，要紧采取了多元线性

49、回归的分析方法，然而由于模型本身存在一些自身不能解决的问题，因此，在本章的最后，文章引入了BP神经网络的新方法，试图解决非线性回归中不能或难以解决的问题，希望探究一条处理数据的新途径。分析依照数理统计中的回归理论，以水泥土的抗压强度为因变量y，考虑的自变量为掺入比x1、龄期x2、含水量x3、孔隙率x4、饱和度x5、干密度x6、和波速x7，此模型是多维回归变量xi空间中的一张超平面。设y和x1,x7的n次观测数据满足线性回归模型yj=0+1x1j+7x7j+jcj(j=1n)用距阵符号表示为： Y=X+其中Y=（Y1，YN）,为因变量的观测向量，=（1，m）,是未知参数向量，x=,为n(7+1)

50、阶距阵，是回归变量的观测数据阵，=（1，n）,是未知的误差向量，且E（）=0，E（）=2。因考察n个自变量对抗压强度y的作用有大有小，且自变量之间一般存在相关性，为了从y和x1,x7中所有可能的回归模型中选出拟合这组数据的最优回归子集，本文要紧采纳了全回归模型的分析方法，并利用大型系统统计分析软件SYS进行数据拟合。全回归模型是指没有对回归变量进行筛选，建立全回归变量的全回归模型。这是专门多回归分析常用的方法。附：SYS 软件数据输入文件Input抗压强度 掺入比 含水量 孔隙度 饱和度 干密度 波速 龄期;Cards; 1.49 0.08 0.234 0.620 0.926 1.61 141

51、4 30 2.36 0.12 0.222 0.588 0.945 1.69 1645 30Proc reg; Model 抗压强度=掺入比 含水量 孔隙度 饱和度 干密度 波速 龄期 / selection=none r collin tol vif;Run;输出结果为当前选择模型的方差分析表及参数可能等有关统计量（全回归变量分析）。具体结果如下：表22检验回归显著性的方差分析变差来源自由度平方和均方误差F0检验量显著性概率ProbF0回归模型712.40801.772579.7290.0221残差的误差40.728810.18220偏差总和1113.13683表23参数可能自变量自由度回归系

52、数标准差T检验Prob|T|常数11.31810219.334520.0680.9489掺入比12.9573109.4456090.3130.7699龄期10.0153730.0101401.5160.2041含水量1-59.57009391.34560-0.6520.5499孔隙度116.13403532.663970.4940.6472饱和度17.02165714.858350.4730.6611干密度14.0948768.3035680.4930.6478波速10.0025960.0018561.3980.2346则抗压强度Y=1.318+2.957x1+0.015x2-59.570 x

53、3+16.134x4+7.022x5+4.095x6+0.003x7 表24 模型显著性检验及偏相关分析标准差可能量0.42685复相关系数0.9445样本均值2.74250修正的平方复相关系数0.8474变异系数15.56437使用类型 = 1 * ROMAN I平方和（SS）的平方偏相关系数，用SS/（SS+SSE）计算波速掺入比含水量龄期孔隙度饱和度干密度0.64870310.50303670.36631400.32833690.16978980.10430440.0967931我们常用判定系数R-square来衡量回归模型的适合性。显然0R2掺入比含水量龄期孔隙度饱和度干密度水泥掺入比

54、的大小，对桩的质量至关重要，水泥掺入量的多寡将大大改变软土的加固效果。从分析结果看，掺入比与抗压强度的相关性仅次于波速，掺入比与抗压强度的关系和波速与抗压强度的关系相比，两者的性质是不同的：波速能够作为反应抗压强度大小的一个指标，对抗压强度的形成并没有直接的阻碍作用，通过波速仅仅是达到检测水泥土抗压强度的目的，它与强度之间不存在直接的因果关系；依照本章第一节中水泥土的加固机理可知，提高软弱土强度的水解水化反应、硬凝反应和碳酸化作用，都离不开水泥的参与，同时水泥的多寡对强度而言至关重要，它将直接阻碍水泥土的抗压强度，分析结果揭示了能够通过操纵掺入比这一因素来经济而且有效的提高水泥土的抗压强度，这

55、一点在工程应用中具有十分重要的实践意义。孔隙度、饱和度和干密度对土样强度的贡献在同一水平，这一结果能够从土力学知识得到验证。干密度和饱和度（其中Gs为土粒比重，e为孔隙度，w为含水量，为水的密度），表明它们是能够互相推导，互相表示的。回归分析结果表明干密度、孔隙度和饱和度对抗压强度的阻碍作用较小，笔者对此进行了认真研究，认为回归分析并没有正确反应干密度对抗压强度的贡献情况。就模型本身反应的情况而言，对干密度的分析就存在一些问题：图21充分表现出干密度的变异性较大，离群现象突出，回归趋势相当不明显，对这种情况，通过回归分析的手段专门难正确描述其阻碍规律；由图22的干密度残差图能够看出，干密度残差

56、的散点分布集中于坐标轴两端，违背了残差的无定形分布规律，唯一的解释应该是对回归模型而言，干密度的引入是不恰当的，也确实是讲，对此次试验结果，用回归分析并没有专门好的回归出干密度的阻碍趋势。依照水泥土加固机理的分析可知，尽管硫酸钙在水泥中的含量仅占35%，但它能和约占水泥50%的铝酸三钙生成一种被称为“水泥杆菌”的化合物的同时，结合32倍于自己的水分子。此过程反应专门快，最后把大量自由水以结晶水的形式固定下来，这种水泥杆菌针状结晶在深层搅拌的特定条件下，完全能够利用这种膨胀势通过膨胀、挤密作用增加地基加固效果。加固效果的提高，从另外一个角度来看，就表现为干密度的增大。对本次含水量高的软粘土而言，

57、硫酸钙的结晶过程对强度的提高有专门意义，回归分析不能专门好反应这种情况，要进行进一步的分析，只能采取其它分析方法。本文要紧利用神经网络模型做了初步的探究，详细分析见下文。一. 共线性分析：当模型被表示为线性模型结构时，假设检验就表示为各参数的线性函数。而当某个回归变量近似是其余变量的线性组合时，得到的参数可能往往是不准确的，而且可能量的方差专门大，这就产生了共线性或复共线性。本文试图通过以下途径对全回归模型的共线性进行诊断。1.特征值法我们首先把变换为对角线是1的矩阵，然后求解特征向量和特征值，如有r个特征值近似为0，则回归统计矩阵中有r个共线关系，且共线关系的系数向量确实是近似为0的特征值对

58、应的特征向量，依照以上计算结果，得到阻碍因素之间的相关数矩阵（见表25），相关数大的因素之间存在共线性问题。表25相关数计算结果表特征值常数掺入比龄期含水量孔隙度饱和度干密度波速常数1.00000.2668-0.30290.3479-0.5766-0.2907-0.7306-0.4677掺入比0.26681.0000-0.00730.4907-0.4930-0.46300.1294-0.7060龄期-0.3029-0.00731.00000.2877-0.2139-0.13600.29630.5315含水量0.34790.49070.28771.0000-0.9641-0.97290.3397

59、-0.1283孔隙度-0.5766-0.4930-0.2139-0.96411.00000.9112-0.08040.2093饱和度-0.2907-0.4630-0.1360-0.97290.91121.0000-0.42720.1721干密度-0.73060.12940.29630.3397-0.0804-0.42721.00000.2063波速-0.4677-0.70600.5315-0.12830.20930.17210.20631.00002条件指数法条件指数定义为最大特征值和每个特征值之比的平方根。最大条件指数称为矩阵x的条件数，当条件数较大时，这组数据被认为是病态数据，当条件数专门

60、大时，认为有严峻共线性。我们的分析过程输出有每个主重量解释的可能方差比例，当条件指数高的主重量对两个或几个变量的方差有专门大贡献时，共线性问题就发生了。计算结果见表26：表26 条件指数计算结果表个数特征值条件数常数掺入比龄期含水量孔隙度饱和度干密度波速17.669521.000000.00000.00020.00050.00000.00000.00000.00000.000020.213205.997850.00000.00000.12900.00000.00000.00000.00000.000130.080779.744260.00000.06730.01350.00010.00010.