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文档简介

一、概述水泥土搅拌法1、概念

水泥土搅拌法是指:利用水泥(或石灰)等材料作为固化剂(材料)

,通过特制的搅拌机械(工具),在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌(施工方法),由固化剂和软土间所产生的一系列物理-化学反应,使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土(结果),从而提高地基强度和增大变形模量(目的)的处理方法。2、施工分类《规程》分类

根据施工方法的不同,水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌(湿法)和粉体喷射搅拌(干法)两种。前者是用水泥浆和地基土搅拌;后者是用水泥粉或石灰粉和地基土搅拌。3适用土质类型4、条件限定1)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;2)湿法的加固深度不宜大于20m;干法不宜大于15m。水泥土搅拌桩的桩径不应小于500mm;3)对泥炭土、有机质土、塑性指数Ip大于25的粘土、地下水具有腐蚀性时、无工程经验的地区,必须通过现场试验确定其运用性。4)室内试验表明:含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的这类软土加固效果较好;含有伊犁石、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机质含量高、酸碱度(pH值)较低的粘性土的加固效果较差。5适用的工程对象

深层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。

1)市政工程、铁路、高速公路及工业与民用建筑等厚层软粘土地基的加固;厂房内具有地面荷载的地坪(如金属材料堆场)、高填方路堤下的基层等;2)进行大面积地基加固,以防止港口、码头、岸壁的滑动、深基坑开挖时边帮坍塌、坑底隆起和减少软土中地下构筑物的沉降等;3)海中(水中)的堤类地基。可作为地下防渗墙以阻止地下渗透水流;可对桩侧或板桩背后的软土加固,以增加侧向承载能力。7水泥土搅拌法的主要优点6水泥土加固体的主要作用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、被动区加固、防渗帷幕、大体积水泥稳定土等。1)可针对不同工程特性的地基土及工程设计要求灵活选用固化剂及配方。

具有设计灵活的特点;2)搅拌时,对地基侧向挤出影响细小。

对周围建筑影响小;3)施工对环境影响小(无振动、无噪音、无污染)。

适于集市及密集度建筑区作业;

4)能使原土得到有效利用;5)加固后重度变化小。

软弱下卧土层附加沉降小;6)与钢筋混凝土桩相比,工程造价低(不仅大量利用了原地基土,水泥、石灰等固化剂用量也相对较小)。

经济;7)可以根据上部结构需要,可以灵活采用柱状、壁状、格栅状及块状等加固型式。

加固型式具多变性与灵活性;8)加固深度从数米~数十米。

适用于不同级别的建筑。9)当采用干法时,无须向地基中加水,并可吸收周围软土中的水分。

使加固后,地基的初期强度便较高;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软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理,集中体现在水泥加固土(简称水泥土)的物理—化学反应过程中。

水泥加固土与混凝土的硬化机理有所不同:

混凝土的硬化主要是水泥在粗填充料(即比表面不大、活性很弱的介质)中进行水解和水化作用,所以凝结速度较快;

而在水泥加固土中,由于水泥的掺量很小(仅占被加固土重的10%~15%),水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质——土的围绕下进行,所以硬化速度缓慢且作用复杂。二、加固机理水泥加固土强度增长的过程也比混凝土缓慢。1、水泥的水解与水化反应1)

普通水泥的主要成份及特点

普通硅酸盐水泥的主要组份是CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3等,并由这些不同的氧化物分别组成不同的水泥矿物:硅酸三钙(3CaO·SiO2){决定水泥早期强度,四个星期内}、硅酸二钙(β-2CaO·SiO2){产生水泥后期强度,四星期后开始发挥强度作用,一年左右达到硅酸三钙四个星期时的强度作用}、铝酸三钙(3CaO·Al2O3){水化速度快,促进早期凝结,对水泥1至3天内的强度起一定作用},铁铝酸四钙(4CaO·Al2O·Fe2O3){也促进早期强度,但强度较低}与硫酸钙(CaSO4)等;

2)水泥加固软土时的水解与水化反应

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,

生产氢氧化钙(CaOH2)、含水硅酸钙(CaO·mSiO2·nH2O)、含水铝酸钙(3CaO·Al2O3·6H2O)及含水铁酸钙(CaO·Fe2O3·H2O)等化合物。所生成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶于水中,从而使水泥颗粒表面重新暴露出来,与水继续发生反应,这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后,水分子虽然继续深入颗粒内部,但新生成物已不能再溶解,只能以细分散状态的胶体析出,悬浮于溶液中,形成胶体。粘土和水结合时会表现出一种胶体特征,例如:如土中二氧化硅遇水后形成硅酸胶体微粒,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(膨胀性),

使较小的土颗粒形成较大的土团粒,而使土体强度提高。

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,

产生很大的表面能。表面能强烈的吸附活性,使较大的土团粒进一步结合聚集,形成团粒结构的水泥土,并填充于各土团的空隙,形成坚固的联结,使水泥土的宏观强度大大提高。2、土颗粒与水泥水化物的作用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,有的则与其周围具一定活性的粘土颗粒发生反应。1)离子交换和团粒化作用2)凝结硬化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SiO2及Al2O3的一部分或大部分与钙离子Ca2+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。

实验中,从扫描电子显微镜观察中可见,拌入水泥7d时,土颗粒周围充满了水泥凝胶体,并有少量水泥水化物结晶的萌芽;一个月后水泥土中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,并相互联结形成空间网状结构,水泥的形状和土颗粒的形状已不能分辨出来。水泥水化物中游离的氢氧化钙(Ca(OH)2)能吸收水中和空气中的二氧化碳(CO2),发生碳酸化反应,生成不溶于水的碳酸钙沉淀:Ca(OH)2+CO2

→→CaCO3

+H2O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。3、碳酸化作用水泥掺入比αw为或者1影响水泥土的主要因素三、水泥加固土的工程特性有关工程特性参数主要通过对水泥加固土的室内外实验获得。1)水泥(固化剂)掺入比2)原土的土性及物理力学特性3)外掺剂。木质素磺酸钙、石膏、二乙醇胺、氯化钠、氯化钙、硫酸钠等。可改善水泥土的性能和提高强度。4)水泥加固土的工程施工过程与养护条件

【例】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()。A.14.5%B.15.5%C.16.5%D.17.5%答案:(2)该工程的水泥掺量最接近()。A.270kg/m3B.280kg/m3C.290kg/m3D.300kg/m3答案:水泥掺人比αw为CB1)含水量2水泥土的物理性质水泥土在凝结硬化过程中,由于水泥的水化等反应,使得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的含水量,水泥土含水量比原土的含水量减少0.5~7.0%,且随着水泥掺人比的增加而减小。因拌人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,它仅比天然软土重度增加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。2)重度3)相对密度水泥的相对密度为3.1,比一般软土的相对密度(2.65~2.75)大,

故水泥土的相对密度比天然软土的相对密度稍大,一般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系数随水泥掺入比的增大和养护龄期的增长而减小,一般可达10-5~10-8cm/s数量级。尤其是水泥加固淤泥质粘土时,能明显地减小原天然土层的水平向渗透系数,这对深基坑施工非常有利,因此,他可利用水平向渗透系数的改善作为防渗帷幕。水泥土对垂向渗透性的改善效果不显著。水泥土的无侧限抗压强度一般为300~4000kPa,是天然软土的几十倍至数百倍。其变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑体之间。其中,①受力开始阶段,应力与应变关系基本符合虎克定律;②外力达到极限强度的70%-80%时,试块σ-ε关系不再保持直线关系;③外力达到极限强度时,强度大于2000kPa的水泥土很快出现脆性破坏,破坏后残余强度很小,轴向应变约为0.8~1.2%(图1-1中A20、A25),而强度小于2000kPa的水泥土则表现为塑性破坏(图1-1中A5、A10及A15)。

3水泥土的力学性质1)无侧限抗压强度及其影响因素图1-1水泥土的应力—应变曲线

A5、A10、A15、A20、A25表示水泥掺入比

αw=5%、10%、15%、20%、25%影响水泥土的无侧限抗压强度fcu因素有水泥掺入比、水泥强度等级、龄期、含水量、有机质含量、外掺剂、养护条件及土性等。a水泥土的fcu强度随着水泥掺入比αw的增加而增大

(1)水泥掺入比aw对强度的影响当αw<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。但是,当αw>5%时,水泥土的强度随着水泥掺入比αw的增加而增大(表1-1,图1-2)。故在水泥土搅拌法的实际施工中,选用的水泥掺入比要求大于7%。图1-2水泥土fcu与aw和t的关系曲线aw(%)天然土的无侧限抗压强度fcuo(MPa)水泥掺入比aw(%)水泥土的无侧限抗压强度fcu(MPa)龄期t(d)fcufcu00.037571012150.2660.5601.1241.5202.270907.215.130.441.161.3表1-1水泥土的无侧限抗压强度试验b不同掺入比aw时fcuc的归一化性质

(1-1)该统计关系的适用条件是:aw=5%~16%据试验和部分工程实践表明,其他条件相同时:水泥某掺入比aw时(例如=15%)的水泥土强度fcuc与掺入比aw=12%的水泥土强度fcu12的比值fcuc/fcu12与水泥掺该入比aw(=15%)时的关系有较好的归一化性质。回归分析得到:fcuc/fcu12与aw呈幂函数关系,其关系式为:c

两个不同aw的水泥土的无侧限抗压强度之比

式中:fcu1为水泥掺人比为aw1时的水泥土无侧限抗压强度;

fcu1为水泥掺人比为aw2时的水泥土无侧限抗压强度。(1-2)式(1-2)的适用条件是:aw1=5%~20%;aw1/aw2=0.33~3.00其他条件相同的前提下,两个不同水泥掺入比的水泥土的无侧限抗压强度之比值随水泥掺入比之比的增大而增大。经回归分析得到两者呈幂函数关系,其经验方程式为:

a水泥土的强度随着龄期增长而提高

(2)龄期对强度的影响图1-3水泥土掺人比、龄期与强度的关系曲线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(图1-3

)。根据试验结果的回归分析,得到在其他条件相同时,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,这些关系式如下:上式,fcu7、fcu14、fcu28、fcu60、fcu90分别为7d、14d、28d、60d和90d龄期的水泥土无侧限抗压强度。

龄期超过3个月后,水泥土的强度增长趋缓,这与电子显微镜观察看到的、水泥和土的硬凝反应在3个月充分完这一结果一致。因此,水泥土一般选用3个月的龄期强度作为其标准强度。b某龄期(T)的fcuT与28d龄期的fcu28关系

(1-3)该统计关系中龄期的适用范围是:7~90d回归分析发现,在其他条件相同时,某个龄期(T)的无侧限抗压强度fcuT与28d龄期的无侧限抗压强度fcu28的比值fcuT/fcu28与龄期T的关系具有较好的归一化性质,且大致呈幂函数关系。其关系式如下:c

两个不同龄期的水泥土的无侧限抗压强度之比

(1-4)式中:fcu1为龄期T1时的水泥土无侧限抗压强度;

fcu1为龄期T2时的水泥土无侧限抗压强度。式(1-4)的适用条件是:T

=7~90d;T1/T2=0.08~0.67和T1/T2=1.50~12.85在其他条件相同的前提下,两个不同龄期的水泥土的无侧限抗压强度之比随龄期之比的增大而增大。经回归分析得到两者呈幂函数关系,其经验方程式为:综合考虑水泥掺入比与龄期的影响,经回归分析,得到如下经验关系式:(1-5)式中:fcu1为掺入比aw1、龄期T1时的水泥土无侧限抗压强度;

fcu1为掺入比aw2

、龄期T2时的水泥土无侧限抗压强度。式(1-5)的适用条件是:

aw1=5%~20%;aw1/aw2=0.33~3.00,T

=7~90d;

aw1=aw2时,应采用(5-1-4);T1=T2时应采用(5-1-2);水泥土的强度随水泥强度等级的提高而增加。水泥提高一级,水泥土的强度fcu约增大50%~90%。如要求达到相同强度,水泥强度等级提高一级,可降低水泥掺入比2%~3%。(3)水泥强度等级对强度的影响水泥土的无侧限抗压强度fcu随着土样含水量的降低而增大,当土的含水量从57%降低至47%时,无侧限抗压强度则从260kPa增加到2320kPa。一般情况下,土样含水量每降低10%,则强度可增加10%~50%。(4)土样含水量对强度的影响(5)土样中有机质含量对强度影响水泥土强度随有机质含量的减少而明显增大。这是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)养护方法

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。养护方法对短龄期水泥土强度的影响很大,但随着时间的增长,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。(7)外掺剂对强度的影响

不同的外掺剂对水泥土强度的影响不同。如木质素磺酸钙主要起减水作用,基本不影响水泥土强度的增长;石膏、三乙醇胺对水泥土强度有增强作用,而其增强效果与原土样、不同水泥掺入比时的影响不同。所以合适的外掺剂可提高水泥土强度和节约水泥用量。

一般早强剂可选用三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠或水玻璃等材料,其掺人量宜分别取水泥质量的0.05%、2%、0.5%和2%;减水剂可选用木质素磺酸钙,其掺人量宜取水泥质量的0.2%;石膏兼有缓凝和早强的双重作用,其掺人量宜取水泥质量的2%。水泥土的抗拉强度st随无侧限抗压强度fcu的增长而提高。当水泥土的抗压强度fcu=0.5~4.0MPa时,其抗拉强度st=0.05-0.70MPa,即st=(0.06~0.30)

fcu。抗压与抗拉这两类强度有密切关系,根据试验结果的回归分析,得到水泥土抗拉强度,与其无侧限抗压强度fcu有幂函数关系:2)抗拉强度(1-6)式(1-6)成立的条件是:fcu

=0.5~3.5MPa3)抗剪强度水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。当fcu在0.30~4.0MPa时,其粘聚力c=0.10~1.0MPa,一般约为fcu的20%~30%,其内摩擦角变化在20°~30°之间。水泥土在三轴剪切试验中受剪破坏时,试件有清楚而平整的剪切面,剪切面与最大主应力面夹角约为60°。一些岩土工程专家根据试验结果回归分析,发现水泥土黏聚力c与其无侧限抗压强度fcu呈近似的幂函数关系,可表示为:(1-7)式(1-7)成立的条件是:fcu

=0.3~1.3MPa4)变形模量当垂直应力达无侧限抗压强度的50%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。当fcu=0.1-3.5MPa时,其变形模量E50=10~550MPa,即E50=(80~150)fcu。根据试验结果的线性回归分析,得到E50与fcu大致呈正比关系,它们的关系式为:E50=126fcu(1-8)5)压缩系数和压缩模量水泥土的压缩系数约为(2.0~3.5)×10-5kPa-l,其相应的压缩模量Es=60~100MPa。6)水泥土抗冻性能水泥土试件在自然温度零度以下进行抗冻试验表明,其外观无显著变化,仅少数试块表面出现裂缝,并有局部微膨胀或出现片状剥落及边角脱落,但深度及面积均不大,表明自然冰冻不会造成水泥土深部的结构破坏。四、设计计算1水泥材料要求固化剂:宜选用强度等级为42.5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%。水灰比: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。

水泥土搅拌法的设计,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(进入500mm);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;干法不宜大于15m。水泥土搅拌桩的桩径不应小于500mm。2搅拌桩的置换率和长度3单桩竖向承载力特征值:4承载力特证值的计算5、褥垫层的设置:竖向承载搅拌桩复合地基应在基础下设置200~300mm的褥垫层。6、下卧层的承载力计算:地基下存在软弱下卧层时,应按GB50007有关规定进行下卧层的承载力计算。7、布桩型式: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。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.块状五、深层搅拌法施工技术(一)、施工方法要领

机具设备:关键是深层搅拌机.施工工艺:定位

预搅下沉

制备浆液

下沉到一定深度之后边提升,边压浆搅拌

重复上下搅拌

完桩移位至新桩位(尤其注意水泥浆不得离析)1场地平整、与障碍物的清除:水泥土搅拌法施工现场事先应予以平整,必须清除地上和地下的障碍物。遇有明浜、池塘及洼地时应抽水和清淤,回填粘性土料并予以压实,不得回填杂填土或生活垃圾。图1-31深层搅拌桩机机组

1主机;2机架;3灰浆拌制机;4集料斗;5灰浆泵;6贮水池;7冷却水泵;8道轨;9导向管;10电缆;11输浆管;12水管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。当桩周为成层土时,应对相对软弱土层增加搅拌次数或增加水泥掺量。3搅拌要求搅拌头翼片的枚数、宽度、与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、提升速度应相互匹配,以确保加固深度范围内土体的任何一点均能经过20次以上的搅拌。4停浆面或收桩要求竖向承载搅拌桩施工时,停浆(灰)面应高于桩顶设计标高300~500mm。在开挖基坑时,应将搅拌桩顶端施工质量较差的桩段用人工挖除。5成桩几何要求施工中应保持搅拌桩机底盘的水平和导向架的竖直,搅拌桩的垂直偏差不得超过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。6水泥土搅拌法施工步骤: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:l)搅拌机械就位、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;在预(复)搅下沉时,也可采用喷浆(粉)的施工工艺,但必须确保全桩长上下至少再重复搅拌一次。多动力多头深层搅拌桩机水泥土深层搅拌桩(福州火电厂,1985)水泥土搅拌法施工工艺流程搅拌机对位下钻下钻到预定深度注浆提升搅拌提升结束桩体形成送风停止喷灰成桩反复搅拌移位桩位放样钻机就位钻进进入持力层50cm粉喷、搅拌、提升停灰面(距地面50cm)深层搅拌桩防渗墙广州番禺石其富临花园基坑深层搅拌桩支护止水墙开挖后的成桩情况丹金闸枢纽深层搅拌桩(二)、施工注意事项及常见问题(P42~P43)六、粉体喷射搅拌法施工技术粉喷桩是以干粉(生石灰粉或水泥粉等粉体材料)作为加固料,通过粉喷桩机,用压缩空气将粉体加固料送到地基中与软土搅拌并得到充分拌合,使其充分吸收地下水并与地基土发生理化反应,形成具有水稳定性、整体性和一定强度的柱状体,同时使桩间土得到改善,从而满足地基处理设计要求。粉喷桩施工现场施工场地(一)施工机具施工机具主要由成桩钻机、空压机、供料机三大系统组成。目前使用的机械有:GPF-5、GPF-7、PH-5及PH-7型钻机、YP-1粉体喷射机、3N-1.6/1.0空气压缩机各1台;C-2储气罐、配电箱各一只;电缆、压力胶管、小平车若干。粉体喷射机空气压缩机空气压缩机喷头(二)施工工艺粉喷桩施工工艺分为就位、钻入、预搅下沉、喷搅提升、复搅下沉、复搅喷粉提升、成桩等过程。见图1。1、桩体就位:移动钻机、使钻头对准桩位,分别以经纬仪、水平尺在钻杆及转盘的两个正交方向校正垂直度及水平度。2、上水泥等粉灰:打开粉喷机料罐上盖,按(设计有效桩长+余桩长)×每m用料,计算出水泥等粉灰用量,并进行过筛,加料入罐,第一罐多加50kg水泥等粉灰。3、关闭粉喷机灰路蝶阀、球阀,打开气路蝶阀。4、钻进:启动钻机和空压机,并缓慢打开气路调压阀,对钻机供气,视地质及地下障碍情况采用不同转速正转下钻,宜用慢档先试钻。5、压差控制:观察压力表读数,随钻杆下钻压力增大而调节压差,使后阀较前阀大0.02-0.05MPa压差。6、喷搅提升:钻头钻至设计桩长底标高,关闭气路蝶阀,并开启灰路蝶阀,反转提升,打开调速电机,视地质情况调整转速,喷灰成桩。7、钻机正转下钻复搅,反转提钻复喷。根据地质情况及余灰情况重复数次,保证桩体灰土搅拌均匀。8

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