第11章 水泥土搅拌法

第11章水泥土搅拌法

（CementDeepMixing）水泥土搅拌法是利用水泥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，从而提高地基土强度和增大变形模量。11.1概述深层单轴搅拌机三轴水泥搅拌机水泥粉喷机水泥粉喷机底盘贮灰罐水泥粉喷机的搅拌叶片

水泥土搅拌法分为深层搅拌法（湿法）和粉体（水泥或石灰）喷搅法（干法）。

适用范围：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％、大于70％或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。

发展概况：

（1）水泥浆液搅拌法：由美国在第二次世界大战后研制成功的，称为就地搅拌桩（MIP）。国内1978年研制出第一台搅拌机械。

（2）粉体喷射搅拌法（DryJetMixingMethod，简称DJM法）：由瑞典人KjeldPaus于1967年提出设想，1971年制成第一根桩，1974年获得专利。铁四院1983年开始试验研究，并应用于实际工程中。

特点：

⑴基本不存在挤土效应，对周围地基扰动小；

⑵可根据不同土质和工程设计要求，合理选择固化剂及配方，应用较为灵活；

⑶施工无振动，无噪音，污染小，可在市区和建筑物密集地带施工；

⑷土体加固后，重度基本不变，软弱下卧层不致产生较大附加沉降；

⑸结构型式灵活多样，可根据工程需要，选用柱状、壁状、格栅状或块状。

（6）在负温下制作的水泥土正温后强度可继续增长且接近标准值，因此只要地温不低于-10度，就可进行深层搅拌法冬季施工。地基加固支护结构

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水泥土墙11.2加固机理一、加固机理

1.水泥的水解水化反应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

⑴硅酸三钙：在水泥中含量最高(50％)，是决定强度的主要因素。⑵硅酸二钙：在水泥中含量较高(25%)，它主要产生后期强度。⑶铝酸三钙：占水泥总量的10％左右，水化速度最快，促进早凝。⑷铁铝酸四钙：占水泥总量的10％作用，能促进早期强度。⑸硫酸钙：含量3％左右，生成“水泥杆菌”状的化合物，能将大量自由水一结晶水形式固定下来，使土中自由水减少。1.水泥的水解和水化反应

（1）离子交换和团粒化作用粘土颗粒带负电，吸附阳离子，形成胶体分散体系。表面带有钾离子或钠离子，可与水泥水化反应的钙离子进行离子交换，产生凝聚，形成较大的团粒，提高土体强度。（2）硬凝反应在碱性环境下，溶液中析出大量的钙离子，与二氧化硅或三氧化铝产生化学反应，生成不溶于水的铝酸钙等结晶水化物。在水中和空气中逐渐硬化，提高水泥强度，使水泥具有足够的水稳定性。2.粘土颗粒与水泥水化物的作用3.碳酸化作用

水泥水化物中游离的氢氧化钙吸收水中和空气中的二氧化钙，发生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸钙。水泥土

1.水泥土的物理性质

（1）重度当水泥掺入比在8%～20%之间，水泥土重度比原状土增加约3%～6%。（2）含水量随水泥掺合量的增大而降低，一般比原状土降低15％～18%。（3）抗渗性渗透系数k一般在10-8～10-9cm/s。二、水泥土的工程特性

2.水泥土的力学性质

（1）无侧限抗压强度水泥土的无侧限抗压强度qu在0.3～4.0MPa之间，比原状土提高几十倍乃至几百倍。

（2）抗拉强度水泥土抗拉强度与抗压强度有一定关系，一般情况下，抗拉强度在（0.15～0.25）qu之间。

（3）抗剪强度当水泥土qu=0.5～4MPa时，其粘聚力C在100～1000KPa之间，其摩擦角在20～30之间。

（4）变形特性当qu=0.5～4.0MPa时，其50d后的变形模量相当于（120～150）qu。1.水泥掺入比αw

水泥掺入比是指掺入土中水泥质量与被加固软土的湿重量比值的百分数。水泥土的强度随掺入比的增加呈增大的趋势。2.龄期

水泥土强度随龄期的增长呈增大趋势，龄期超过28d后仍有明显增长，90d后，强度增长才减慢。

3.水泥标号

水泥土强度随水泥标号的提高而增加。水泥标号提高100号，水泥强度约增大50～90％。三、影响水泥土力学性质的主要因素

水泥土的强度随地基含水量增大而降低。如图水泥掺入比小于20％时，水泥土无侧限抗压强度随土中含水量降低而增加；大于20％时，存在一个峰值。4.含水量5.天然地基土中的有机质含量有机质可使土具有较大的水容量和塑性、膨胀性及低渗透性，并使土的酸性增加，使水泥的水化反应受到抑制。有机质含量小的水泥土强度比有机质含量高的水泥土强度高的多。

6.外加剂

外掺剂对水泥土强度有不同的影响。7.搅拌的均匀程度

施工时搅拌的均匀程度对水泥土强度的影响很大。在搅拌时间相同的情况下，塑性指数越大，土的粘性越大，越难搅均匀；含水量和液性指数过低，易产生抱土现象，影响搅拌效果。（1）固化剂宜选用强度等级为32.5级以上的普通硅酸盐水泥，水泥掺量宜为12％～20％。（2）桩长宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层。湿法加固深度不宜大于20m，干法加固深度不宜大于15m。11.3设计计算

（3）加固范围和平面布置加固范围：水泥搅拌桩既与钢筋混凝土桩不一样，也与散体材料桩不一样，其刚度介于两者之间，因此其加固范围可仅布置在基础范围内，而不必像散体材料一样，在基础以外设置保护桩。布桩形式：桩位的平面布置可采用等边三角形和正方形等形式。布桩形式应根据地基土性质及上部建筑对变形的要求进行选择，可采用柱状、壁状、格栅状、块状等不同形式。b)c)a)d)a.柱状b.壁状c.格栅状d.块状柱状：每隔一定的距离打设一根搅拌桩，即成为柱状加固形式。适合处理局部饱和软粘土夹层和表层与桩端土质较好的建筑物地基。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。

壁状和格栅状：将相邻搅拌桩部分重叠搭接成为壁状加固形式。适用于深基坑开挖时边坡加固以及建筑物长高比较大、刚度较小，对不均匀沉降比较敏感的多层砖混结构房屋条形基础下的地基加固。

块状：由纵横两个方向的相邻搅拌桩搭接而成。适用于上部结构单位面积荷载大，不均匀沉降控制严格的构筑物地基。在软土地区开挖深基坑时，为防止基坑隆起或增大坑底土的被动土压力及对基坑进行封底隔渗处理等也常采用块状加固形式。（4）桩径

常用桩径500～700mm。（5）承载力初步设计时按下式估算：式中Ra——单桩竖向承载力特征值（kN）；Ap——桩的截面积（m2）；β——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间土的承载力特征值的平均值时，取0.1～0.4，差值大时取低值；否则取0.5～0.9，差值大时或设置褥垫层时均取高值。式中——与搅拌桩桩身水泥配比相同的室内加固土试块（边长70.7mm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）；η——桩身强度折减系数，干法可取0.20～0.30，湿法可取0.25～0.33；up——桩的周长（m）；

单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定。也可由下两式估算，取小值。n——桩长范围内所划分的土层数；

qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值。对淤泥可取4～7kPa；对淤泥质土可取6～12kPa；对软塑状态的粘性土可取10～15kPa；对可塑状态的粘性土可取12～18kPa；

li——桩长范围内第i层土的厚度（m）；

qp——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《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定确定；α——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6。（6）垫层应在基础和桩之间设置200～300mm厚褥垫层，其材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于20mm。（7）沉降计算水泥土搅拌桩复合地基的变形包括复合土层的平均压缩变形与桩端下未加固土层的压缩变形。复合土层压缩变形可按下式计算：

Ep——水泥土搅拌桩的压缩模量，可取（100～120）fcu（kPa），对桩较短或桩身强度较低者可取低值。桩端以下未加固土层的压缩变形按天然地基采用分层总和法进行计算。

水泥土搅拌法的施工步骤为：

（1）搅拌机就位、调平；（2）预搅下沉至设计加固深度；

（3）边喷浆（粉）、边搅拌提升直至预定的停浆（灰）面；（4）重复搅拌下沉至设计加固深度；

（5）根据设计要求，喷浆（粉）或仅搅拌提升直至预定的停浆（灰）面；

（6）关闭搅拌机械。11.4施工深层搅拌法施工工艺流程定位预搅拌下沉喷浆搅拌上升重复搅拌下沉重复搅拌上升完毕

一、施工质量检验（1）成桩7d后，采用浅部开挖桩头，目测检查搅拌的均匀性，量测成桩直径。检查量为总桩数的5％。（2）成桩后3d内，可用轻型动力触探（N10）检查每米桩身的均匀性，检验数量为总桩数的1％，且不少于3根。11.5质量检验二、竣工验收检测

（1）竖向承载水泥土搅拌桩地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验和单桩载荷试验。（2）载荷试验宜在成桩28d后进行。检验数量为总桩数的0