第十章-水泥搅拌桩复合地基

主要内容

一、概述二、加固机理三、水泥土的工程特性四、水泥土搅拌桩地基的设计五、水泥土搅拌桩的施工工艺六、质量检验10.1概述

水泥土深层搅拌法是利用水泥（或石灰）等材料作为固化剂。通过特制的深层搅拌施工机械，在地基深处将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，硬化后形成具有整体性、水稳定和一定强度的水泥加固土，从面提高地基强度，增大其变形模量。根据施工方法的不同，水泥土深层搅拌法可分为水泥浆搅拌（湿法，搅拌桩）和粉体喷射搅拌（干法，粉喷桩）两种。水泥浆搅拌法是在二次世界大战后由美国研制成功的，称为就地搅拌桩，桩径0.3-0.4m，桩长10-12m。1953年日本从美国引进，并研究开发出了各种深层搅拌机械。1967年瑞典的KjeldPaus提出石灰搅拌桩加固软土地基的设想，并于1971年在现场制成第一根石灰桩。日本在同一时期也开展了这项研究，以后陆续应用于实际工程中，并形成了两种施工方法。国内从八十年代开始进行试验研究，并在软土地基加固工程中使用，取得了良好的效果。目前，水泥土深层搅拌法已经在铁路、公路、市政工程、港口码头、工业与民用建筑等软土地基加固中得到了一定的推广和使用。双轴搅拌桩机的搅拌叶片水泥土搅拌桩

喷粉桩施工水搅拌法加固软土地基，具有下列优点：

（1）固化剂与地基土就地搅拌混合。最大限度地利用了地基土（2）搅拌时地基土不会侧向挤出，对原有建筑物影响很小；

（3）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；（4）施工过程中无振动、无污染、无噪音，可在市区内和密集建筑群中施工；

（5）加固后土体的重度基本不变，软弱下卧层不会产生附加沉降；（6）与钢筋混凝土桩基相比，降低成本的幅度较大；（7）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。水泥搅拌桩适用性

1、国外：新吹填的超软土、泥炭土和淤泥质土等饱和软土，深度达20-60m，从陆地到海底软土都有．2、国内

国内适用的土质范围：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、含水量较高且地基承载力不大于120kPa的粘性土和粉土，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。

湿法的加固深度不宜大于20m；干法不宜大于15m。

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。3.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。10.2加固机理1、水泥水解和水化反应

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，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。2、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，封闭各土团的空隙，形成坚固的联结，从而使土体强度提高。3、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。4、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，宏观的总体强度也深层搅拌法施工工艺流程1定位2预搅拌下沉3喷浆搅拌上升4重复搅拌下沉5重复搅拌上升6完毕浆喷桩施工试验后深层搅拌桩载荷粉喷桩施工

施工时，用带有特殊喷嘴的注浆管置于土层预定深度后提升，喷嘴同时以一定的速度旋转，高压喷射气流使固化浆液与土体混合并凝固硬化，粉喷桩法的施工机械按照注浆管的构造不同分成:(1)单管法(2)双重管法(3)三重管法(4)多重管法★粉喷法所形成的固结体的形状与喷射流移动的范围有关，根据喷射流移动范围的大小可以分为旋转喷射（简称旋喷）、定向喷射（简称定喷）和摆动喷射（简称摆喷）三种形式。三、水泥土的工程特性物理性质1.重度

水泥土的重度仅比天然软上重度增加0.5%～3.0%，也不会产生较大的附加沉降。

2.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%。3.含水量

水泥土的含水量一般比原状土降低0.5～7%4.抗渗性

：渗透系数K一般在10-7～10-8cm/s水泥土力学性质1.无侧限向抗压强度

fcu=（0.3-4）MPa比天然地基土大几十倍甚至数百倍。外力达到极限强度70%-80%时，应力-应变关系呈非线性。外力达到极限强度时，强度大于2MPa的水泥土脆性破坏；强度小2MPa的水泥土塑性破坏（A5、A10、A15)；龄期90d不同参入比水泥土无侧限抗压强度2.抗拉强度

随无侧限抗压强度而提高,但非正比关系。叶观宝公式：

（fcu=(0.5-3.5)MPa)3.抗剪强度水泥土抗剪强度随其抗压强度的增加而提高,破坏面与大主应力面夹角约为600Φ=20°—30°(fcu=0.3-1.3MPa)对于荷载不大的工程，采用直剪快剪指标进行设计。4、变形模量E50变形模量定义：垂直应力达到50%无侧限抗压强度时应力与应变之比。实验表明，E50与无侧限抗压强度fcu近似呈正比关系

E50=126fcu5、压缩系数和压缩模量水泥土的压缩系数为（2.0-3.0）×10-3kPa.水泥土的压缩模量为（600-100）MPa，

水泥土强度影响因素分析

影响因素主要有：1.水泥掺入比2.水泥标号3.龄期4.含水量5.有机质含量6.外掺剂7.养护条件等1、水泥参入比aw水泥土强度随参入比增加而增大。水泥参入比必须大于10%

（aw=5%-6%）fcu1：参入比aw1时无侧限抗压强度。fcu2：参入比aw2时无侧限抗压强度。水泥土强度随龄期增加而增大。一般超过28天后仍有明显增长。水泥土选用3个月龄期强度作为水泥土的标准强度。2、龄期影响fcu7=(0.47~0.63)fcu28fcu14=(0.62~0.8)fcu28

fcu60=(1.15~1.46)fcu28fcu90=(1.43~1.8)fcu28fcu90=(2.37~3.37)fcu73、水泥标号对强度影响水泥土强度随水泥标号提高而增大。一般来说，水泥标号提高100号，强度fcu增大50%-90%.4、土样含水量对强度影响水泥土无侧限抗压强度随土样含水量降低而增大，一般情况下，含水量每降低10%，强度增加10%-50%。5、土中有机质含量对强度影响有机质使土体具有较高水溶性、塑性、膨胀性和较低的渗透性，并使土具酸性，阻碍水泥水化反应的进行。

有机质含量高的软土，用水泥加固效果较差。Ⅰ有机质含量1.3%Ⅱ有机质含量10%

不同的外加剂对水泥土强度影响不同：石膏、三乙醇胺和氯化钙都能提高水泥土早期强度，但只有三乙醇胺对后期强度有增强作用。6、外加剂影响7、养护方法对强度影响（1）养护方法对强度影响体现在养护环境的温度和湿度上。（2）养护方法对短龄期水泥土强度影响很大，随龄期增长；不同养护方法下水泥土强度趋于一致，不同养护温度下无侧限抗压强度与标准养护温度（200）强度比值随时间增长趋于定值，说明温度对后期强度影响较小。

温度对水泥土强度影响从养护时取出至开始实验时间间隔的影响（龄期14天）从养护时取出至开始实验时间间隔对水泥土强度影响间隔时间长，强度高水泥土桩的破坏模式粉喷桩与浆喷桩的差异粉喷桩吸水，有利于地基密度提高，适合于含水量较高地层。浆喷法从浆液中带进较多水分，对地基加固不利。粉喷桩初期强度高，浆喷桩初期强度低。粉喷法不宜搅拌均匀，浆喷法容易搅拌均匀。粉喷法施工中难以添加粉体添加剂，浆喷法只要将添加剂倒入搅拌池即可。浆喷法搅拌均匀，桩体下部较粉喷法质量好。粉喷法输入土中加固剂相对于浆喷法较少，工程造价较低。粉喷法较之浆喷法施工机械简单，容易移位操作。10.4.1搅拌桩的设计1.对地质勘察的要求特别重视：（1）土质分析：有机质含量，地下水中可溶盐含量（2）水质分析：地下水的酸碱度(pH值)，硫酸盐含量2.地基加固范围

搅拌桩是半刚性桩，在设计搅拌桩时，可仅在上部结构基础范围内布桩，不必象柔性桩一样在基础以外设置保护桩。

10.4设计计算3.搅拌桩的平面布置型式设计

柱状：搅拌桩。适用于单层工业厂房独立基础、多层房屋条形基础下及路堤下的地基加固；(2)壁状：搅拌桩部分重叠搭接成为壁状加固型式。适用于深基坑的支护结构、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和防渗体施工。(3)块状：纵横两方向相邻桩搭接而成的。上部结构单位面积荷载大，对不均匀沉降控制严格的构筑物地基进行加固时可以采用这种布置型式。10.4.2搅拌桩的设计计算一、柱状加固（桩体加固）1、单桩竖向承载力计算：应通过现场荷载实验确定。初步设计时也可按下式估算：

η：桩身强度折剪系数，

取0.2-0.33

α：桩端土承载力折减系数，取0.4-0.6，上海地区取0.0要求：按桩身强度确定值不小于按桩周土抗力确定值。上海地区水泥土强度一般为1-1.2MPa（aw=12%)

2、复合地基设计复合地基承载力特征值：β：桩间土承载力折减系数。fsk：处理后桩间土承载力特征值。复合地基置换率m、总桩数n1：A：地基加固总面积。3、水泥土桩复合地基沉降验算式中

s-复合地基的沉降;s1

-复合地基加固区的压缩量;s2

-地基压缩层厚度内加固区下卧层的压缩量。S1计算方法：（1）复合模量法（2）应力修正法（3）桩身压缩量法S2计算方法：（1）应力扩散法（2）等效实体法（3）Mindlin-Geddes法4、复合地基设计目标：确定搅拌桩配合比、桩长、