第10章-水泥土重力式围护墙的设计与施工

第10章水泥土重力式围护墙的设计与施工10.1慨述10.1.1水泥土重力式围护墙的慨念水泥土重力式围护墙是以水泥系材料为固化剂，通过搅拌机械采用喷浆施工将固化剂和地基土强行搅拌，形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。1996年5月在日本东京召开的第二届地基加固国际会议上，这种加固法被称为DMM工法（DeepMixingMethod)。我国《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2002)称之为深层搅拌法（简称“湿法”），并启用了“水泥土”这一专用名词。上海市《地基处理技术规范》（DBJ08-40-94)称之为水泥土搅拌法。本手册将采用这种加固法、连续搭接施工所形成的挡土墙定名为水泥土重力式围护墙。将水泥系材料和原状土强行搅拌的施工技术，近年来得到大力发展和改进，加固深度和搅拌密实性、均匀性均得到提高。目前常用的施工机械包括：双轴水泥土搅拌机、三轴水泥土搅拌机、高压喷射注浆机。由于施工工艺的不同，形成目前常用的水泥土重力式围护墙。水泥土搅拌桩是指利用一种特殊的搅拌头或钻头，在地基中钻进至一定深度后，喷出固化剂，使其沿着钻孔深度与地基土强行拌和而形成的加固土桩体。固化剂通常采用水泥浆体或石灰浆体。高压喷射注浆是指将固化剂形成高压喷射流，借助高压喷射流的切削和混合，使固化剂和土体混合，达到加固土体的目的。高压喷射注浆有单管、双重管和三重管法等，固化剂通常采用水泥浆体。10.1.2水泥土的发展与现状搅拌法原是我国及古罗马、古埃及等文明古国，以石灰为拌合材料，应用最早而且流传最广泛的一种加固地基土的方法。例如，我国房屋或道路建设中传统的灰土垫层(或面层)，就是将石灰与土按一定比例拌合、铺筑、碾压或夯实而成；又如万里长城和西藏佛塔以及古罗马的加普亚军用大道、古埃及的金字塔和尼罗河的河堤等，都是用灰土加固地基的范例。应用水泥土较早的一些国家，如日本约始于1915年，美国约始于1917年。随后，许多国家纷纷将水泥土用于道路、水利等工程。搅拌桩最早于本世纪50年代初问世于美国。但自60年代以后的发展直到现在，不论在施工机械、质量检测、设计方法、工程应用等方面均以日本和瑞典领先于世。经过40多年的应用和研究，已形成了一种基础和支护结构两用、海上和陆地两用、水泥和石灰两用、浆体和粉体两用、加筋和非加筋两用的软土地基处理技术，它可根据加固土受力特点沿加固深度合理调整它的强度，施工操作简便、效率高、工期短、成本低，施工中无振动、无噪声、无泥浆废水污染，土体侧移或隆起较小。故在世界各地获得广泛的应用，并在应用中获得进一步发展。我国自1977年以来在中央部属和地方各级科研、设计、施工、生产、高教等部门的共同协作努力下，仅10余年时间已开发研制出适合我国国情、具有不同特色而且互相配套的多种专用搅拌机械和由地质钻机等改装成功的搅拌机械，并且已经形成了庞大的专业施工队伍。每年施工各种搅拌桩达数千万延长米之多，施工点遍布沿海和内陆的软土地区。10.1.3水泥土重力式围护墙的应用搅拌桩在我国应用的头10年中，其主要用途是加固软土，构成复合地基以支承建筑物或结构物。将搅拌桩用于基坑工程，虽在其发展初期已有成功的实例，但大量应用则是90年代初随着我国各地高层建筑和地下设施大量兴建而迅速兴起的，其中尤以上海及沿海各地为最多。与此同时，在设计中利用弹塑性有限元分析、土工离心模拟试验等方法，结合基坑开挖现场监测，对搅拌桩重力式围护墙的稳定和变形特性进行了深入的研究。通过20多年的应用与研究，搅拌桩重力式围护墙的结构、计算和构造等均有了较大的发展，也出现了一些新的水泥土与其它受力构件相结合的结构形式。随着改革开放政策的深化和经济建设的发展，我国的搅拌桩技术适应国情特点，不断登上新的台阶。大功率的三轴搅拌机，加固深度可达到25～30m，已经得到广泛应用。10.2水泥土重力式围护墙的类型与适用范围10.2.1水泥土重力式围护墙的类型水泥土重力式围护墙的类型主要包括采用搅拌桩、高压喷射注浆等施工设备将水泥等固化剂和地基土强行搅拌，形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。根据搅拌机械的类型，由于其搅拌轴数的不同，搅拌桩的截面主要有双轴和三轴两类，前者由双轴搅拌机形成，后者由三轴搅拌机形成。国外尚有用4、6、8搅拌轴等形成的块状大型截面，以及单搅拌轴同时作垂直向和横向移动而形成的长度不受限制的连续一字形大型截面。此外，搅拌桩还有加筋和非加筋，或加劲和非加劲之分。目前在我国除型钢水泥土（SMW）工法为加筋(劲)工法外，其余各种工法均为非加筋(劲)工法。近些年来，以水泥土为主体的复合重力式围护墙得到了一定的发展，主要有水泥土结合钢筋混凝土预制板桩、钻孔灌注桩、型钢、斜向或竖向土锚等结构形式。水泥土重力式围护墙按平面布置区分可以有：满膛布置、格栅型布置和宽窄结合的锯齿形布置等形式，常见的布置形式为格栅型布置。水泥土重力式围护墙按竖向布置区分可以有等断面布置、台阶形布置等形式，常见的布置形式为台阶形布置。10.2.2水泥土重力式围护墙的特点水泥土重力式围护墙系通过固化剂对土体进行加固后形成有一定厚度和嵌固深度的重力墙体，以承受墙后水、土压力的一种挡土结构。水泥土重力式围护墙是无支撑自立式挡土墙，依靠墙体自重、墙底摩阻力和墙前基坑开挖面以下土体的被动土压力稳定墙体，以满足围护墙的整体稳定、抗倾稳定、抗滑稳定和控制墙体变形等要求。水泥土重力式围护墙可近似看作软土地基中的刚性墙体，其变形主要表现为墙体水平平移、墙顶前倾、墙底前滑以及几种变形的叠加等。水泥土重力式围护墙的破坏形式主要有以下几种：1．由于墙体入土深度不够，或由于墙底土体太软弱，抗剪强度不够等原因，导致墙体及附近土体整体滑移破坏，基底土体隆起，如图10-1（a）；2．由于墙体后侧发生挤土施工、基坑边堆载、重型施工机械作用等引起墙后土压力增加、或者由于墙体抗倾覆稳定性不够，导致墙体倾覆，如图10-1（b）；3．由于墙前被动区土体强度较低、设计抗滑稳定性不够，导致墙体变形过大或整体刚性移动，如图10-1（c）；4．当设计墙体抗压强度、抗剪强度或抗拉强度不够，或者由于施工质量达不到设计要求时，导致墙体压、剪或拉等破坏，如图10-1（d）。图10-110.2.3水泥土重力式围护墙的适用条件10.2.3.1基坑开挖深度采用水泥土重力式围护墙的基坑开挖深度起先一般不超出5m，自九十年代起，陆续出现开挖深度超出6m基坑。93年底施工的某商厦的基坑开挖深度达9.5m（部分达12.1m），平面面积达12900m²。基坑开挖愈深，面积愈大，墙体侧向位移愈难以控制，水泥土重力式围护墙开挖深度超出7m的基坑工程，墙体最大位移可能达到20cm以上，使工程的风险相应增加。鉴于目前施工机械、工艺和控制质量的水平，开挖深度不宜超出7m。由于水泥土重力式围护墙侧向位移控制能力在很大程度上取决于桩身的搅拌均匀性和强度指标，相比其他基坑围护墙体来说，位移控制能力较弱。因此，在基坑周边环境保护要求较高的情况下，若采用水泥土重力式围护墙，基坑深度应控制在5m范围以内，降低工程的风险。10.2.3.2土质条件国内外试验研究和工程实践表明，水泥土搅拌桩和高压喷射注浆均适用于加固淤泥质土、含水量较高而地基承载力小于120kPa的粘土、粉土、砂土等软土地基。对于地基承载力较高、粘性较大或较密实的粘土或砂土，可采用先行钻孔套打、添加外加剂或其它辅助方法施工。当土中含高岭石、多水高岭石、蒙脱石等矿物时，加固效果较好；土中含伊里石、氯化物和水铝英石等矿物时，加固效果较差，土的原始抗剪强度小于20～30kPa时，加固效果也较差。水泥土搅拌桩当用于泥炭土或土中有机质含量较高，酸碱度(pH值)较低(7)及地下水有侵蚀性时，宜通过试验确定其适用性。当地表杂填土层厚度大或土层中含直径大于100mm的石块时，宜慎重采用搅拌桩。10.2.3.3环境条件水泥土重力式围护墙在整个施工过程中对环境可能产生两个方面的影响：1．水泥土重力式围护墙的体量一般较大，搅拌桩施工过程中由于注浆压力的挤压作用，周边土体会产生一定的隆起或侧移；2．基坑开挖阶段围护墙体的侧向位移较大，会使坑外一定范围的土体产生沉降和变位。因此，在基坑周边距离1~2倍开挖深度范围内存在对沉降和变形较敏感的建（构）筑物时，应慎重选用水泥土重力式围护墙。10.2.4加固土的物理力学特性加固土的物理力学特性，与天然地基的土质、含水量、有机质含量等因素以及所采用固化剂的品种、掺入比、外掺剂等因素有关，也与搅拌方法、搅拌时间、操作质量等因素有关。一、水泥土的物理力学特性（一）物理性质1．重度水泥土的重度主要与被加固土体的性质、水泥掺入比及所用的水泥浆有关。水泥土重度室内试验结果表明，当水泥掺入比为5%～20%、水灰比=0.45～0.5时，水泥土较被加固的土体重度增加约1%～3%左右。2．含水量和孔隙比与天然软土相比，水泥土的含水量和孔隙比有不同程度的降低。一般地说，天然软土含水量越大或水泥掺入比越大，则水泥土加固体的含水量降低幅度越大。3．液限与塑限不同含水量的软土用不同的水泥掺入比加固后，其液限将稍有降低，而其塑限则有较大提高。(二)力学特性1．无侧限抗压强度水泥土的无侧限抗压强度在0.3～4.0MPa之间，大约比天然软土强度提高数十倍到数百倍，主要受以下诸多因素的影响。(1)土质加固土的强度随水泥掺入比的增加和龄期的加长而增长，但有不同的增长幅度，一般初始性质较好的土加固后强度增量较大，初始性质较差的土加固后强度增量较小。(2)龄期水泥土的抗压强度随其加固龄期而增长。这一增长规律具有两个特点：(a)它的早期(例如7～14天)强度增长不甚明显，对于初始性质差的土尤其如此；（b）强度增长主要发生在龄期28天后，并且持续增长至120天，其趋势才减缓，这同混凝土的情况不一样。由此应合理利用水泥土的后期强度。(3)水泥掺入比水泥掺入比通常指水泥掺入重量与被加固土天然重度之比（%）。试验表明水泥土的强度随水泥掺入比的增加而增长。其特点是随水泥掺入比的增加，水泥土的后期强度增长幅度加大。在实际应用中，当水泥掺入比小于7%时，加固效果往往不能满足工程要求，而当掺入比大于15%时，加固费用偏高。因此，规定双轴搅拌桩水泥的掺入比以7%～15%为宜，一般双轴搅拌桩施工的水泥土重力式围护墙体的水泥掺量为12%～15%。（4）土的含水量天然土的含水量越小，加固后水泥土的抗压强度越高。含水量对强度的影响还与水泥掺入比有关，水泥掺入比越大，则含水量对强度的影响越大。反之，水泥掺入比较小时，含水量对强度的影响不甚明显。（5）土的化学性质土的化学性质，如酸碱度(pH值)、有机质含量、硫酸盐含量等对加固土强度的影响甚大。酸性土(pH7)加固后的强度较碱性土为差，且pH值越低，强度越低。土的有机质或腐殖质会使土具有酸性，并会增加土的水溶性和膨胀性，降低其透水性，影响水泥水化反应的进行，从而会降低加固土的强度。在实际工程中，当土层局部范围遇到pH值偏低的情况时，可在水泥中掺入少量石膏CaSO4，即可使土的pH值明显提高。(6)水泥品种与标号水泥搅拌桩可以采用不同品种的水泥，如普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥等。其标号一般也不受限制。但水泥的品种和标号对水泥土的强度有一定影响。一般在其它条件均相同时，普通水泥的标号每提高一级，可使水泥土强度有一定的提高。(7)外掺剂固化剂中常选用某些工业废料或化学品作为外掺剂，因它们分别具有改善土性、提高强度、节约水泥、促进早强、缓凝或减水等作用，所以掺加外掺剂是改善水泥土加固体的性能和提高早期强度的有效措施，常用的外掺剂有碳酸钙、氯化钙、三乙醇胺、木质素磺酸钙等，但相同的外掺剂以不同的掺量加入不同的土类或不同的水泥掺入比，会产生不同的效果。粉煤灰是具有较高的活性和明显的水硬性的工业废料，可作为搅拌桩的外掺剂。室内试验表明，用10％的水泥加固淤泥质粘土，当掺入占土重5％～10％的粉煤灰时，其90天龄期强度比不掺入粉煤灰时提高45％～85％，而且其早期强度增长十分明显。在水泥中掺入相当于水泥重量2％的石膏(CaSO4)可使水泥土强度提高20％左右，