第七章2水泥土搅拌法

粉体喷射搅拌(DryJetMixingMethod，简称DJM法)最早由瑞典人KjeldPaus于1967年提出了使用石灰搅拌桩加固15m深度范围内软土地基的设想，并于1971年Linden—Alimak公司在现场制成第一根用石灰粉和软土搅拌成的桩，1974年获得粉喷技术专利，生产出的专用机械其桩径可达500mm，加固深度15m。铁道部第四勘测设计院于1983年用DDP-100型汽车改装成国内第一台粉体喷射搅拌机，并使用石灰作固化剂，应用于铁路涵洞加固。1986年开始使用水泥作为固化剂，应用于房屋建筑的软土地基加固。1987年铁四院和上海探矿机械厂制成GPP-5型步履式粉体喷射搅拌机，成桩直径500mm，加固深度12.5m。当前国内粉体喷射搅拌机的成桩直径一般在500~700mm范围，深度可达15m。

水泥土搅拌法加固软土技术，具有以下独特的优点：⑴水泥土搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度地利用了原土；⑵搅拌时无振动、无噪音和无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工；⑶搅拌时不会使地基侧向挤出，所以对周围原有建筑物及地下沟管影响很小；⑷水泥土搅拌法形成的水泥土加固体，可作为竖向承载的复合地基、基坑工程围护挡墙、基坑被动区加固、防渗帷幕、大体积水泥稳定土等，其设计灵活，可按不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方；⑸根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式；⑹与钢筋混凝土桩基相比，可节约大量的钢材，并降低造价。

水泥土搅拌法可用于增加软土地基的承载能力，减少沉降量，提高边坡的稳定性，适用于以下情况：⑴作为建筑物或构筑物的地基、厂房内具有地面荷载的地坪高填方路堤下基层等；⑵进行大面积地基加固、以防止码头岸壁的滑动、深基坑开挖时坍塌、坑底隆起和减少软土中地下构筑物的沉降；⑶作为地下防渗墙以阻止地下渗透水流，对桩侧或板桩背后的软土加固以增加侧向承载能力。2加固机理

(1)水泥的水解和水化反应普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、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，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的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。

(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；有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。

①

离子交换和团粒化作用粘土和水结合时就表现出一种胶体特征，如土中含量最多的氧化硅遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带有钠离子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ca2＋进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度提高。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稳定结晶化合物，增大了水泥土的强度。(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，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应也能使水泥土增加强度，但增长的速度较慢，幅度也较小。由于搅拌机械的切削搅拌作用，实际上不可避免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，而土团间的大孔隙基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，而在大小土团内部则没有水泥。只有经过较长的时间，土团内的土颗粒在水泥水解产物渗透作用下，才逐渐改变其性质。因此在水泥土中不可避免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。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，则水泥土结构强度的离散性越小，其宏观的总体强度也越高。3.水泥土的物理力学特性

(1)水泥土的物理性质①含水量水泥土在硬凝过程中，由于水泥水化等反应，使部分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.％，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土重度增如0.5％～3.0％，所以采用水泥土搅拌法加固厚层软土地基时，其加固部分对于下部未加固部分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2.65～2.75要大，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

水泥土的渗透性随水泥掺入比的增大和养护龄期的增长而减小，一般可达10-8~10-5cm/s数量级。水泥加固淤泥质粘土能减小原天然土层的水平向渗透系，这对深基坑施工是有利的，可以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300~4000kPa，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性体之间。

a.水泥掺入比aw

水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大(见图7-14)，当aw≤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，故在深层搅拌法的实际施工中，选用的水泥掺入比以大于5％为宜。b.龄期对强度的影响

水泥土强度随着龄期的增长而增大，在龄期超过28天后，强度仍有明显增长(见图7-15)。为了降低造价，对承重搅拌桩试块国内外都取90d龄期为标准龄期。对起支挡作用承受水平荷载的搅拌桩，为了缩短养护期，水泥土的强度标准取28d龄期为标准龄期。

在其他条件相同时，不同龄期的水泥土抗压强度间大致呈线性关系，其经验关系如下：c.水泥强度等级对强度的影响水泥强度等级直接影响水泥土的强度，水泥强度等级提高10级，水泥土强度fcu约增大20％～30％。

d.土样含水量对强度的影响当水泥土的配比相同时，其强度随着土样含水量的降低而增大。试验表明，当土的含水量在50％～85％范围内变化时，含水量每降低10％，水泥土强度可提高30％。

e.土样中有机质含量对强度的影响

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高得多。由于有机质使土壤具有较大的水容量和塑性，较大的膨胀性和低渗透性，并使土壤具有酸性，这些因素都阻碍水泥水化反应的进行。

f.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，例如，木质素磺酸钙对水泥土强度增长影响不大，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以提高水泥土强度或节省水泥用量；当掺入与水泥等量的粉煤灰后，水泥土强度可提高10％，因此采用水泥土搅拌法加固软土时掺入粉煤灰，不仅可消耗工业废料，水泥土强度还有所提高。②抗拉强度

水泥土的抗拉强度随抗压强度的增长而提高，但远较抗压强度低，部分试验结果如表7-3所示。抗拉强度约为抗压强度的1/10~1/15，与混凝土的抗拉/抗压强度之比值相近。③抗剪强度用高压三轴仪进行剪切试验表明：水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。④变形模量当垂直应力达到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E50。⑤压缩系数和压缩模量水泥土试件的压缩系数a1-2约为(2.0～3.5)×10-5kPa-1。，其相应的压缩模量E=(60～100)MPa。⑥水泥土的抗冻性能

水泥土试块经长期冰冻后的强度与冰冻前的强度相比几乎没有增长。但恢复正温后其强度能继续提高，冻后正常养护90天的强度与标准强度非常接近，抗冻系数达0.9以上。在自然温度不低于-15℃的条件下，冻胀对水泥土结构损害甚微。在负温时，由于水泥与粘土之间的反应减弱，水泥土强度增长缓慢；恢复正温后随着水泥水化等反应的继续深入，水泥土的强度可接近标准强度。因此只要地温不低于-10℃，就可以进行水泥土搅拌法的冬季施工。

4.设计计算⑴水泥土搅拌桩设计前的一般要求①勘察要求确定处理方案前应搜集拟处理区域内详尽的岩土工程资料。尤其是填土层的厚度和组成；软土层的分布范围、分层情况；地下水位及pH值；土的含水量、塑性指数和有机质含量等。②试验要求设计前还应进行拟处理土的室内配比试验。针对现场拟处理的最弱层软土的性质，选择合适的固化剂、外掺剂及其掺量，为设计提供各种龄期、各种配比的强度参数。

对竖向承载的水泥土强度宜取90d龄期试块的立方体抗压强度平均值；对承受水平荷载水泥土桩强度宜取28d龄期试块的立方体抗压强度平均值。

③

加固形式选择搅拌桩可布置成柱状、壁状和块状三种形式。

a.柱状：每间隔一定距离打设一根搅拌桩，即成为柱状加固形式。适合于单层工业厂房独立柱基础或多层房屋条形基础下的地基加固。

b.壁状：将相邻搅拌桩部分重叠搭接成壁状加固形式。适用于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的地基加固。

c.块状：对上部结构单位面积荷载大、对不均匀下沉控制严格的构筑物地基进行加固时可采用这种布桩形式。它是纵、横两个相邻桩搭接而形成的。如在软土地区开挖基坑时，为防止坑底隆起也可采用块状加固形式。(2)柱状水泥土搅拌桩复合地基的设计计算①固化剂

固化剂宜选用强度等级为32.5级及以上的普通硅酸盐水泥。水泥掺量除块状加固时可用被加固湿土质量的7％～12％外，其余宜为12％～20％。湿法的水泥浆水灰比可选用0.45～0.55。外掺剂可根据工程需要和土质条件选用具有早强、缓凝、减水以及节省水泥等作用的材料，但应避免污染环境。②桩长水泥土搅拌桩的设计，主要是确定搅拌桩的置换率和长度。竖向承载搅拌桩的长度应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，并宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层。为提高抗滑稳定性而设置的搅拌桩，其桩长应超过危险滑弧以下2m。湿法的加固深度不宜大于20m，干法的加固深度不宜大于15m。

③

桩径水泥土搅拌桩的桩径不应小于500mm。④竖向承载水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值竖向承载水泥土搅拌桩复合地基的承载力特征值应通过现场单桩或多桩复合地基荷载试验确定。在初步设计时，也可按下式估算：

⑤

垫层竖向承载搅拌桩复合地基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。⑥桩位布置竖向承载搅拌桩的平面布置可根据上部结构特点及对地基承载力和变形的要求，采用柱状、壁状、格栅状或块状等加固型式。桩可只在基础平面范围内布置，独立基础下的桩数不宜少于3根。柱状加固可采用正方形、等边三角形等布桩型式。

⑦

沉降计算水泥土搅拌桩复合地基的变形s包括复合土层的平均压缩变形s1与桩端下未加固土层的压缩变形s2：复合土层压缩变形s1可按下式计算：例7-2某软土地基fak=70kPa，采用搅拌桩处理地基，桩径0.5m，桩长10m，等边三角形布桩，桩距1.5m，桩周摩阻力特征值qs=15kPa，桩端阻力特征值qp=60kPa，水泥土无侧限抗压强度fcu=1.5MPa，试求复合地基承载力特征值（η=0.3，α=0.5，β=0.85）。例7-3某厂房地基为淤泥，采用搅拌桩加固，搅拌桩复合土层顶面和底面附加压力分别为80kPa和15kPa，土的Es=2.5MPa，桩体Ep=90MPa，桩直径为0.5m，桩间距为1.2m，正三角形布置，试计算搅拌桩复合土层的压缩变形。(3)壁状水泥土搅拌桩的设计计算壁状加固体是由相邻搅拌桩搭接而成，采用这种形式形成的水泥土挡墙可用于防止码头滑动、保护深基坑边坡的稳定等工程中。水泥土挡墙计算主要包括抗滑移稳定性验算、抗倾覆稳定性验算、整体稳定性验算、抗渗验算、抗隆起验算等内容。

①

土压力计算墙后主动土压力计算：墙前被动土压力计算：②抗倾覆验算水泥土挡墙抗倾覆稳定性按下式验算：

④整体稳定性验算水泥土挡墙与地基整体滑动时，一般按通过墙底的圆弧滑动面验算。当墙底以下有软弱夹层时，按实际可能发生的非圆弧滑动面验算。计算时采用圆弧滑动简单条分法确定，整体稳定安全系数采用总应力法计算：

⑤

抗渗流稳定性验算当地下水从基底以下向基坑内渗流时，若其水力坡降大于渗流出口处土颗粒的临界水力坡降，将产生基底渗流失稳现象。当上部为不透水层，坑底下某深度处有承压水层（图7-17）时，基坑底抗渗流稳定性可按下式验算：⑥

抗隆起稳定性验算

在软弱的粘土层内，由于基坑开挖卸载作用，导致墙后土体及基坑土体向基坑内移动，促使坑底向上隆起，出现塑性流动和涌土现象。因此，应验算坑底土抗隆起稳定性。支护桩、墙端以下土体向上隆起，可按下式计算（图7-18）：

5.施工方法

(1)施工机具深层搅拌机械按固化剂的状态不同分为浆液深层搅拌机和粉体喷射深层搅拌机，根据搅拌轴数分为单轴和多轴深层搅拌机。

(2)施工前准备①场地准备水泥土搅拌法施工现场事先应予平整，必须清除地上和地下的障碍物。②工艺性试桩水泥土搅拌桩施工前应根据设计进行工艺性试桩，数量不得少于2根。

③

设备检查调试

1)浆液深层搅拌施工前应确定灰浆泵输浆量、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工艺性成桩试验确定施工工艺。

2)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。运气(粉)管路的长度不宜大于60m。

(3)施工步骤水泥土搅拌法的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：①搅拌机械就位、调平，施工中应保持搅拌机底盘的水平和导向架的竖直，搅拌桩的垂直度偏差不得超过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。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