地基处理第10章-水泥土搅拌法

第10章水泥土搅拌法主要内容概述加固机理水泥土的物理力学性质水泥土的应用水泥土搅拌桩地基的设计水泥土搅拌桩的施工10.1概述(p147)1.水泥上搅拌法的概念水泥土搅拌法是适用于加固饱和粘性土和粉土等地基的一种方法，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，就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土—水泥土，从而提高地基土强度和增大变模。2.分类根据固化剂掺入状态的不同，它可分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种。前者是用浆液和地基土搅拌，后者是用粉体或石灰和地基土搅拌。3.适用条件（p148）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％（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。水泥浆搅拌加固深度不宜大于20m；粉体喷射搅拌不宜大于15m。水泥土搅拌桩的桩径不应小于500mm。一般认为用水泥作加固料，对含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好；而对含有伊利石、氯化物和水铝石英等矿物的粘性土以及有机质含量高，pH值较低的粘性土加固效果较差。可用于增加软土地基的承载力、减少沉降、提供边坡稳定性、防渗等。4.石灰固化剂石灰固化剂一般适用于粘土颗粒含量大于20%，粉粒及粘粒含量之和大于35%，粘土的塑性指数大于10，液件指数大于0.7，土的pH值为4～8，有机质含量小于11%,土的天然含水量大于30%的偏酸性的土质加固。5.水泥土搅拌法加固软土的优点(p148)最大限度地利用了原土；搅拌时施工，对原有建筑物影响很小；根据地基土的不同性质和工程要求，可以合理选择固化剂的类型及其配方，设计灵活；搅拌时无振动、无污染、无噪音，可在市区内和密集建筑群中施工；加固后土体的重度基本不变，不会产生附加沉降；与钢筋混凝土桩基相比，降低成本的幅度较大；可根据上部结构的需要，灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固型式。10.2、加固机理(p148)++++++++++水泥加固土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同：混凝土硬化主要在粗填充料中（比表面不大、活性很弱的介质）进行水解、水化作用，所以凝结速度快，而水泥加固土时，由于水泥掺入量很小，水泥的水解、水化反应是在具有一定活性的介质-土的围绕下进行，所以水泥加固土的强度增长比混凝土缓慢。（一）水泥的水解和水化反应水泥遇水后，其颗粒表面的矿物很快与水发生水解和水化反应，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。其中前二种化合物溶于水，使水泥颗粒表面暴露出来，再与水作用，逐渐使溶液达到饱和，新生成物便以胶体析出，悬浮于溶液形成凝胶体。（二）颗粒与水泥水化物作用（1）离子交换和团粒化作用粘土与水结合即表现胶体特征，如土中含量最多的二氧化硅与水形成硅酸胶体，其表面带有Na+或K+，和水泥水化生成的氢氧化钙中的Ca2+进行当量吸附交换。使较小的土颗粒形成较大的土团粒；由于其产生了很大的比表面能，可使较大的土粒进一步联合，形成水泥土团粒结构，并封闭各土团的空隙，形成坚固的联结，从而使土体强度提高。（2）硬凝反应随着水泥水化反应的深入，深液中析出大量的Ca2+，当其数量超过离子交换需要量后，则在碱性环境中，与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进行化学反应：逐渐生成了不溶于水的稳定结晶化合物，其在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。（三）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，能使水泥土的强度增长，但速度较慢，幅度较小。水泥和软土搅拌越充分，混合越均匀，则水泥土强度的离散性越小，宏观的总体强度也越高。10.3、水泥土的物理力学性质(p151)（一）、水泥土的物理性质(p151）1.含水量水泥土的含水量一般比原状土降低0.5～7%2.重度水泥土的重度仅比天然软上重度增如0.5%～3.0%，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2.65～2.75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（抗渗性）渗透系数K一般在10-5～10-8cm/s（二）、水泥土的力学性质(p152-156)1.无侧限抗压强度水泥土的无侧限抗压强度fcu在0.3～4.0MPa之间，比原状土提高几十倍乃至几百倍。（表10-1）（图10-1）2.抗拉强度3.抗剪强度4.变形特性5.压缩系数和压缩模量

（三）、影响水泥土的无侧限抗压强度的因素(p152-154)

影响因素主要有：水泥掺入比水泥标号龄期含水量有机质含量外掺剂养护条件等（三）、影响水泥土的无侧限抗压强度的因素(p152)

水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大(图10-2（p153）)，当<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，故在水泥土搅拌法的实际施工中，选用的水泥掺入比必须大于10%。1.水泥掺入比（三）、影响水泥土的无侧限抗压强度的因素（三）、影响水泥土的无侧限抗压强度的因素某工程采用水泥土搅拌法加固，桩径为500mm，水泥用量为55kg/m，土的湿重度为17.0kN/m3，则：1、该工程的水泥掺入比最接近下列哪个值?(A)14.5%(B)15.5%(C)16.5%(D)17.5%2、该工程的水泥掺量最接近下列哪个值?(A)270kg/m3(B)280kg/m3(C)290kg/m3(D)300kg/m3

（三）、影响水泥土的无侧限抗压强度的因素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（10-3（p153）），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（龄期小于3天的线性差、离散性大），这些关系式如下:（三）、影响水泥土的无侧限抗压强度的因素（三）、影响水泥土的无侧限抗压强度的因素（三）、影响水泥土的无侧限抗压强度的因素3.水泥标号（水泥强度等级）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（p154）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，无侧限抗压强度则从260kPa增加到320kPa。一般情况下，土样含水量每降低10％，则强度可增加(10～50)%。5.地基土中有机质含量对强度影响(p154)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。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，所以选择合适的外掺剂可提高水泥土强度和节约水泥用量。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%，故在加固软土时掺入粉煤灰，不仅可消耗工业废料，还可稍微提高水泥土的强度。（三）、影响水泥土的无侧限抗压强度的因素7.养护方法(p155)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。10.4、水泥土搅拌法的设计计算（p156）

1．对岩土工程勘察的要求除了一般的岩土工程斟察规范中常规要求外，还应包括；（1）土质分析：有机质和可溶盐含量，总烧失量等；（2）地下水水质分析：地下水的酸碱度（pH值），硫酸盐含量。2．加固型式水泥土搅拌桩可布置成：柱状、壁状和块状三类型式。1）柱状：由单独桩体组成的桩群，适月于单层工业厂房独立柱基础和多层房屋条形基础下的地基加固。2）壁状：由许多搅拌桩相互搭接而成的壁状加固体，适用于深基坑开挖时软土边坡的加固、条基下软土地基的加固等。3）块状：为纵横两个方向许多桩体相互搭接而形成的加固体，适用于荷载较大、对不均匀沉降控制严格的建筑物以及深基坑封底等场合。3．加固范围水泥土搅拌桩强度和刚度介于刚性桩（钢硂桩、钢桩、木桩等）和柔性桩（砂桩、碎石桩、土桩等）之间，但其承载性能却与刚性桩接近。因此，可仅在上部结构基础范围内布桩，不必象柔性桩那样，在基础范围以外设置保护桩。4、水泥土搅拌法的计算(p157)（一）.设计原理（二）.布桩型式（三）.单桩容许承载力（四）.复合地基承载力（五）.下卧层地基强度验算（六）.沉降计算（一）、设计原理1.桩土共同承载桩的承载力+桩间土承载力（折减）2.沉降桩范围的压缩+桩端以下土的沉降（二）、布桩型式水泥土桩的布置形式对加固效果很有影响，一般根据工程地质特点和上部结构要求可采用柱状、壁状、块状、格栅状以及长短桩相结合等不同加固型式。1.柱状每隔一定距离打设一根水泥土桩，形成柱状加固型式，适用于单层工业厂房独立柱基础和多层房屋条形基础下的地基加固，它可充分发挥桩身强度与桩周侧阻力。2.壁状将相邻桩体部分重叠搭接成为壁状加固型式，适用于深基坑开挖时的边坡加固以及建筑物长高比大、刚度小、对不均匀沉降比较敏感的多层房屋条形基础下的地基加固。4.块状对于上部结构单位面积大，对不均匀沉降要求严格的构筑物地基进行加固可采用块状形式，由纵横两个方向的相邻搭接所形成的。3.格栅状它是纵横两个方向的相邻桩体搭接而形成的加固型式。适用于对上部结构单位面积荷载大和对不均匀沉降要求控制严格的建（构）筑物的地基加固。

5.长短桩相结合当地质条件复杂，同一建筑物坐落在两类不同性质的地基土上时，可用3m左右的短桩将相邻长桩连成壁状或格栅状，藉以调整和减小不均匀沉降量。（三）、单桩容许承载力(p157)

对于柱状加固地基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（（p157的10-17式）式），并应同时满足（（p157的10-18式）式）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：……(10-17式)……(10-18式)(四）、复合地基的设计计算(p158)

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：

式中：—复合地基容许承载力(kPa)；

—桩间天然地基土容许承载力(kPa)；

—桩土面积置换率；

—桩间土承载力折减系数。当桩端为软土时，可取0.5-0.9；当桩端为硬土时，可取0.1-0.4。(五)、下卧层地基强度验算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《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定进行下层承载力验算。

—假想实体基础底面压力(kPa)；—基础底面积(m2)；—假想实体基础的自重(kN)；—假想实体基础侧表面积(m2)；—假想实体基础侧表面平均摩阻力(kPa)；—假想实体基础边缘地基土的容许承载力(kPa)；—假想实体基础底面积(m2)；—假想实体基础底面经修正后的地基容许承载力(kPa)。(六）、沉降计算(p159)水泥土桩复合地基的变形包括：搅拌桩复合土层的平均压缩变形S1桩端下未加固土层的压缩变形S21.搅拌桩复合土层的压缩变形S1可按下式计算P

—桩群顶面的压力(kPa)P0—桩群底面土的附加压力(kPa)L

—搅拌桩长度(m)A1—假想实体基础的底面积(m2)Esp—桩群体的压缩模量(kPa)

Ep—水泥土搅拌桩的压缩模量(kPa)Es—桩间土的压缩桩长(m)

γp—桩群底面以上土的加权平均重度(kN/m3)f’

—2.桩端下未加固土层的压缩变形S2桩端以下未加固土层的压缩变形可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定进行计算。【例题1】某工程采用水泥土搅拌桩处理地基，桩径为500mm，桩长为6m，间距为1.2m的正方形布置，桩间土压缩模量为3.5MPa，搅拌桩桩身强度为1.5MPa，则搅拌桩复合土层的压缩模量最接近下列哪个值?(A)19.5MPa(B)21.5MPa(C)23.5MPa(D)27.5MPa水泥土搅拌桩基本设计参数：设桩长l=8m，桩径500mm。设计采用正方形布桩，桩距1.2m，置换率m＝0.136，桩间土承载力折减系数，按《建筑地基处理技术规范》规定：“当桩端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0.5～0.9，β取0.5。桩身材料强度等级：取水泥掺量15％，试验测出的kPa。桩身强度折减系数η取0.3。【问题】水泥土搅拌桩单桩承载力特征值最接近下列哪个值?(A)100kN(B)105kN(C)106kN(D)110kN(E)117kN水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值最接近下列哪个值?(A)98.8kPa(B)120kPa(C)125kPa(D)135kPa沉降计算点a的沉降最接近下列哪个值?(A)55.5mm(B)102.0mm(C)119.2mm沉降计算点b的沉降最接近下列哪个值?(A)55.5mm(B)102.0mm(C)119.2mm沉降计算点c的沉降最接近下列哪个值?(A)55.5mm(B)102.0mm(C)119.2mm10.5、水泥土搅拌桩的施工(p164)1、施工机械（搅拌机械）2、施工工艺（一）搅拌机械国外搅拌机械于七十年代中期才正式应用于工程实践，有陆上和水上专用的，也有深层和浅层搅拌的，有多轴和单轴的，还有单轴叶片喷浆和双轴中心管喷浆等各种形式。国内目前的搅拌机有中心管喷浆和叶片喷浆方式。我国第一台专用的SJB—30型搅拌机是双搅拌头、中心管输浆方式的中型机械，它包括电机、减速器、搅拌轴、搅拌头、中心管、输浆管等部件（图10-7）。其动力是采用两台30kW的潜水电机。固化剂是通过灰浆泵从中心管下端管口压开单向球阀而注入被加固土中的。搅拌机与吊装机是由导向系统配合使用。搅拌头直接影响水泥浆和软土的拌和均匀程度，决定着地基的加固效果。（一）搅拌机械（p166）图10-7

SJB—1型搅拌机

1—输浆管；2—外壳；3—出水口；4－进水口；5—电动机；6—导向滑块；7—减速器；9—中心管；10—横向系板；11—球形阀；12—搅拌头（二）、施工工艺(p166施工顺序)水泥浆搅拌法的施工工艺流程如图10-12所示。1.定位。起重机或塔架悬吊搅拌机到指定桩位对中，并保持起吊设备水平。2.预搅下沉。待深层搅拌机冷却水循环正常后，启动电机，放松起重机钢丝绳，使搅拌机沿导向架搅拌切土下沉，下沉速度由电流监测表控制，使工作电流不大于70A。3.制备水泥浆。待搅拌机下沉到一定深度后，开始按设计的配合比制备水泥浆，在压浆前将水泥浆倒入集料斗中。4.提升喷浆搅拌。搅拌机下沉到设计深度后，开启灰浆泵将水泥浆压入地基中，边喷浆、边旋转，同时严格按照设计确定的提升速度提升搅拌机。

5.重复上下搅拌。深层搅拌机提升至设计加固深度的顶面标高时，集料斗中的水泥浆应正好排空。为了使软土和水泥浆搅拌均匀，可以再次将搅拌机边旋转沉入土中，至设计加固深度后，再将搅拌机边旋转边提升出地面。6.清洗。向集料斗中注入适量清水，启动灰浆泵，清洗集料斗、全部管路及搅拌头。7.移位。重复上述1～6步骤，再进行下一根桩的施工。由于搅拌桩顶部与上部结构的基础或承台接触部分受力较大，因此还可以对桩顶1．0m～1.5m范围内再增加一次输浆，以提高其强度。施工过程中必须严格控制施工质量，包括预搅时应将软土完全切碎，以利于同水泥浆均匀搅拌；水泥浆不得离析，要按照规定的配比配置，并预先筛除硬块；压浆阶段不允许断浆、堵管；保证加固体的垂直度；确保壁状加固的连续性等。一般的施工工艺流程（一次喷浆、二次搅拌）（二）、施工工艺(p168图10-12)就位预搅下沉（制备水泥浆）提升喷浆搅拌沉钻复搅

重复提升搅拌10.6、质量检验（p172）（一）施工期质量检验在深层搅拌施工期间，每根桩都应该有一份完整的质量检验单。质量检验主要有桩位、桩顶和桩底标高、桩身垂直度、桩身水泥掺量、水泥标号、搅拌头上提的喷浆（或喷粉）速度、外掺剂种类、浆液水灰比、水泥浆液搅拌均匀性、喷粉搅拌的均匀性等。质量检验单由施工人员和监理人员签名后作为施工档案，归档保存。（二）工程竣工后的质量检验1）开挖检验可以根据工程的设计要求，选取一定数量的桩体进行开挖，检查加固柱体的外观质量、搭接质量和整体性等。2）取芯检验和室内试验用钻孔方法连续钻取水泥土搅拌桩桩芯，可以直观地检验桩体强度和搅拌的均匀性。取芯时应确保桩芯的完整性和原状强度，在养护条件下送试验室进行立方强度、无侧限抗压强度和压缩试验，试验结果应满足设计要求的强度和压缩模量。3）静载荷试验对承受垂直荷重的水泥土搅拌桩，最可靠的质量检验方法是静载荷试验。对水泥土搅拌桩复合地基而言，也应进行静载荷试验，试验结果应满足设计要求。另外，标准贯入试验或轻便触探等动力试验，也可用于水泥土搅拌桩的质量检测。4）沉降观测建筑物竣工后，还应进行沉降、侧向位移等观测，这是最为直观的检验加固效果的理想方法。八、工程实例南京南湖新村搅拌