第10章.水泥土搅拌桩

水泥土搅拌法主要内容概述加固机理水泥土的工程特性设计计算施工工艺质量检验一、概述1.水泥上搅拌法的概念及分类水泥上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件、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。根据施工方法的不同，它可分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种。前者是用水泥浆和地基土搅拌，后者是用粉体或石灰和地基土搅拌。10.1概述10.1概述水泥土搅拌法分为深层搅拌法(简称湿法)和粉体喷搅法(简称干法)。2.适用条件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。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。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.独特优点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；10.1概述搅拌时无振动、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。10.1概述水泥的水解和水化反应：用水泥加固软土时，水泥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。土颗粒与水泥水化物的作用离子交换和团粒化作用：水泥水化生成凝胶粒子。硬凝反应：生成不溶于水的结晶化合物。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碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应使水泥土增加强度，速度缓慢，增幅效果小。10.2加固机理10.3.1水泥土的室内配合比试验试验目的：水泥品种、掺入量、水灰比、外掺剂对水泥土的影响，龄期与强度的关系。试验设备：土工试验仪器和砂浆混凝土试验仪器。土样制备：风干土样、烘干土样、原装土样。固化剂：水泥品种、水泥掺入比。外掺剂:改善水泥土的性能和提高强度。试件的制作和养护试件的养护方法：标准养护，温度20±3°，湿度＞90%物理力学性能试验10.3水泥加固土的工程特性10.3.2水泥土的物理性质含水量：水泥在硬凝过程中，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，水泥土的含水量比原土样的含水量减少0.5%~7.0%,且随着水泥掺入比的增加而减小。重度：水泥土的重度与天然软土的重度相近。因此采用深层搅拌法加固厚层软土地基时，其加固部分对下部未加固部分不致产生过大的附加荷重，也不会发生较大的附加沉降。10.3水泥加固土的工程特性相对密度：水泥的比重为3.1，比一般软土的2.65～2.75大，故水泥土的比重也比天然土稍大。一般水泥土的相对密度比软土约增加0.7％～2.5％。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。水泥土减少了天然软土的水平向渗透性，这对深基坑施工是有利的，可利用它作为防渗帷幕；但对垂直向渗透性改善效果不明显。10.3水泥加固土的工程特性10.3.3水泥土的力学性质无侧限抗压强度及影响因素：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。影响水泥土抗压强度的因素很多，主要有：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。水泥掺入比aw对强度的影响：水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大，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，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。10.3水泥加固土的工程特性龄期对强度的影响：水泥土强度随着龄期的增长而增大，一般在龄期超过28天后仍有明显增加。水泥强度等级对强度的影响：水泥土的强度随水泥强度等级的提高而增加水泥强度等级提高10个等级，水泥土的强度增大约50%~90%,而水泥掺入比可减少。土样含水量对强度的影响：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％。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。10.3水泥加固土的工程特性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，如掺入石膏、氯化钙、三乙醇胺等可提高水泥土的早期强度，但强度增加的百分数随龄期的增长而减小。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，其掺入量宜分别取水泥重量的0.05%、2%、0.5%和2%；减水剂可选用木质素磺酸钙，其掺入量宜取水泥重量的0.2%；石膏兼有缓凝和早强的双重作用，其掺入量宜取水泥重量的2%。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影响较大。10.3水泥加固土的工程特性抗拉强度：水泥土的抗拉强度随抗压强度的增长而提高。抗剪强度：水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。变形模量：是水泥土的应力与应变的比值，其与无侧限抗压强度大致呈正比。压缩系数和压缩模量：水泥土试件的压缩系数约为（2.0~3.5）×10-5（KPa）-1，其相应的压缩模量Es=（60~100）MPa。10.3.4水泥土抗冻性能：不低于-10℃，就可以进行冬季施工。10.3水泥加固土的工程特性10.4.1水泥土搅拌桩的设计对地质勘察的要求：土质分析、水质分析。加固形式的选择：搅拌桩可布置成柱状、壁状和块状三种形式。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：将相邻搅拌桩部分重叠搭接成壁状加固形式。适用于深基坑开挖时的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。10.4设计计算块状：上部结构单位面积荷载大，不均匀下沉控制严格的建筑物地基进行加固时可采用这种布桩形式。它是纵横两个方向的相邻桩搭接而形成的。如在软土地区开挖深基坑时，为防止坑底隆起也可采用块状加固形式。加固范围的确定：可仅在上部结构基础范围内布桩。水泥浆配合比及搅拌桩施工参数的确定：实验室试验求得最佳配方，进行现场成桩工艺试验，比较不同桩长与不同桩身强度的单桩承载力，确定桩土共同作用的复合地基承载力。10.4设计计算10.4.2水泥土搅拌桩的计算柱状加固地基：单桩竖向承载力设计计算：初步设计时：复合地基的设计计算：

10.4设计计算

根据设计要求的单桩承载力特征值Ra和复合地基承载力特征值fspk计算搅拌桩的置换率m和总桩数n’：10.4设计计算水泥土搅拌桩的沉降验算：水泥土搅拌桩复合地基变形s的计算，包括搅拌桩群体压缩变形s1和桩端下未知土层的压缩变形s2之和：s1计算方法：复合模量法；应力修正法；桩身压缩法。s2计算方法：

应力扩散法；等效实体法；Mindlin-Geddes方法。10.4设计计算壁状加固地基：主要用于侧向支护工程，平面上组成格栅形。优点：

限制了格栅中软土的变形，也大大减少了其竖向沉降；增加支护的整体刚度，保证复合地基在横向力作用下共同工作。原则上按重力式挡土墙设计，要进行抗滑、抗倾覆、抗渗、抗隆起和整体滑动计算。P161-P164。土压力计算：抗倾覆验算：抗滑以计算：整体稳定计算：10.4设计计算四、水泥土的应用1.支护结构重力式支护结构；止水帷幕；SMW工法2.地基加固

提高地基强度；控制沉降；防止液化（一）、支护结构—水泥土墙止水帷幕

SMW工法承受荷载与防渗挡水结合起来,使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙导沟开挖

置放导轨

SMW钻拌

置放应力补强材（H型钢）施工完成SMW（二）、地基加固a)柱状布置；b)壁状布置；c)格栅状布置；d)块状布置

水泥土搅拌法的施工步骤为：（1）搅拌机定位、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）清洗机械；（7）移位。10.5施工工艺（一）、施工机械－主机一般的施工工艺流程（一次喷浆、二次搅拌）（二）、施工工艺就位

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