地基处理深层搅拌法

合肥工业大学土木与水利工程学院赵静地基处理GroundTreatment第五章深层搅拌法1、概念：利它是利用水泥(或石灰）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体）强制搅拌，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，从而提高地基强度和增大变形模量。根据施工方法的不同，水泥土搅拌法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，后者是用水泥粉或石灰粉和地基土搅拌。一、概述2、发展（P72）20世纪20年代：美国、西欧；水泥土二战后，就地搅拌桩（MIP，mixed-in-place-pile），DCM（Deepcementmixing）等20世纪50年代，传入日本，较快发展20世纪70年代末，我国引进3、优点：（1）～（9）一、概述4、适用情况：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上等地基。当地基土的天然含水量小于3%（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。需要作试验确定情况：泥炭土、地下水具有侵蚀性的土加固效果较差情况：有机质含量高、生活垃圾类填土一、概述（一）水泥的水解和水化发应：CaO、SiO2、Al2O3→Ca(OH)2、CaSiO3·nH2O等（二）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：Na+、K＋←→Ca2+，形成大颗粒，强度提高。(2)硬凝反应：生成不溶于水的结晶化合物。（三）碳酸化作用生成不溶于水的碳酸钙，使水泥土增加强度。二、加固机理（微观角度）（一）石灰吸水作用（二）石灰发热（三）石灰吸水膨胀（四）离子交换作用与土粒的凝聚作用（五）石灰的胶凝作用二、加固机理（微观角度）（一）桩身材料：水泥、水泥系固化材料、石灰（二）水泥土的物理性质：含水量(减少0.5~7%)重度(增加0.5~3%)相对密度（应是比重，增加0.7~2.5%）渗透(10-8~10-5cm/s，低渗透性)三、水泥加固土的工程特性（三）力学性能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体之间。三、水泥加固土的工程特性（三）力学性能1、无侧限抗压强度及其影响因素影响水泥土的无侧限抗压强度的因素：水泥掺入比、水泥标号、龄期、含水量、有机质含量、外掺剂、养护条件及土性等。（1）水泥掺入比aw对强度的影响掺入比aw概念小于5%时反应微弱要求必须大于10%aw~fcu经验公式(见书)三、水泥加固土的工程特性（三）力学性能1、无侧限抗压强度及其影响因素影响水泥土的无侧限抗压强度的因素：（2）龄期对强度的影响水泥土3个月作为强度标准值（3）水泥强度等级对强度的影响水泥土的强度随水泥标号的提高而增加（4）土样含水量对强度的影响无侧限抗压强度随着土样含水量的降低而增大，一般含水量w降低10%强度增加10~50%三、水泥加固土的工程特性（三）力学性能1、无侧限抗压强度及其影响因素影响水泥土的无侧限抗压强度的因素：（5）土样中有机质含量对强度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大得多。（6）外掺剂对强度的影响掺加粉煤灰的水泥土，其强度一般都比不掺粉煤灰的有所增长。（7）养护方法温度湿度：对短龄期水泥土强度的影响很大，对水泥土后期强度的影响较小。三、水泥加固土的工程特性（三）力学性能2、抗拉强度水泥土σt随fcu的增长而提高，幂函数关系。3、抗剪强度水泥土抗剪强度随fcu的增长而提高。当fcu=0.5～4MPa时，粘聚力c在100～1000KPa，在20～30。4、变形模量(无侧限)--土力学当σv达50％fcu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。E50=126fcu5、压缩系数和压缩模量（有侧限）--土力学av约为(2.0~3.5)×10-2(MPa)-1(低压缩性土)，压缩模量Es60~100MPa三、水泥加固土的工程特性（四）水泥土的抗冻性能自然冰冻不会造成水泥土深部的结构破坏在长期冰冻下强度几乎不增长，但恢复正常温度后正常增长不低于-15℃时冰冻对水泥土结构损害甚微只要地温不低于-10℃就可进行水泥土搅拌法的冬季施工三、水泥加固土的工程特性（一）水泥土搅拌桩的设计1、对地质勘察的要求土质、水质分析2、加固形式的选择柱状、壁状（和格栅状）、块状。3、加固范围的确定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。四、设计计算（二）水泥土搅拌桩的计算1、柱状加固地基(1)单桩竖向承载力的设计计算①公式：单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定，初步设计时可按式(5－17)估算，并应满足式(5-18)的要求，应使由桩身材料强度确定的单桩承载力大于(或等于)由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力。)175(1ppinisipaAqlquR)185(pcuaAfR地基土抗力桩体本身四、设计计算（二）水泥土搅拌桩的计算1、柱状加固地基(1)单桩竖向承载力的设计计算②参数含义fcu—标准养护下90d龄期立方体抗压强度平均值/kPaη—桩身强度折减系数,干法0.20~0.30,湿法0.25~0.33up—桩的周长/mn—桩长范围内所划分的土层数qsi—桩周第i层土的侧阻力特征值。淤泥4~7kPa；淤泥质土6~12kPa；对软塑状态的粘性土可取10~15kPa；对可塑状态的粘性土可以取12~18kPa)175(1ppinisipaAqlquR)185(pcuaAfR四、设计计算（二）水泥土搅拌桩的计算1、柱状加固地基(1)单桩竖向承载力的设计计算②参数含义li—桩长范围内第i层土的厚度/mqp—桩端地基土未经修正的承载力特征值(kPa)，可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定确定α—桩端天然地基土的承载力折减系数,可取0.4~0.6，承载力高时取低值)175(1ppinisipaAqlquR)185(pcuaAfR四、设计计算（二）水泥土搅拌桩的计算1、柱状加固地基(1)单桩竖向承载力的设计计算③公式理解η—桩身强度折减系数的取值：α—桩端天然地基土的承载力折减系数的取值有效桩长的取值④需设计确定的主要指标桩长l、水泥掺入比av)175(1ppinisipaAqlquR)185(pcuaAfR四、设计计算（二）水泥土搅拌桩的计算1、柱状加固地基(2)复合地基的设计计算①公式：加固后搅拌桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，也可按下式计算：)195()1(skpaspkfmARmf②参数含义：见教材。四、设计计算（二）水泥土搅拌桩的计算1、柱状加固地基(2)复合地基的设计计算③求置换率和总桩数：)205(skpaskspkfARffm)215(pAAmn四、设计计算（二）水泥土搅拌桩的计算1、柱状加固地基(2)复合地基的设计计算④理解--β的取值：反映桩土共同作用四、设计计算（二）水泥土搅拌桩的计算1、柱状加固地基(3)水泥土搅拌桩沉降验算①竖向承载搅拌桩复合地基变形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s2②复合土层的平均压缩变形s1的计算方法:规范采用复合模量法：spzlzElpps21pz—搅拌桩复合土层顶面的附加压力值（kPa）pzl—搅拌桩复合土层底面的附加压力值（kPa）四、设计计算（二）水泥土搅拌桩的计算1、柱状加固地基(3)水泥土搅拌桩沉降验算③未加固土层的压缩变形s2的计算方法:可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定进行计算。（应力扩散分层总和法）四、设计计算（二）水泥土搅拌桩的计算1、柱状加固地基(4)复核地基设计--以沉降控制的设计思路①地层结构--沉降计算--确定加固深度--试选施工桩长②试选桩身强度和水泥掺入量③计算单桩承载力④计算有效桩长⑤计算面积置换率⑥进行布桩，桩可只在基础平面范围内布置四、设计计算（二）技术要点和措施1、用于加固地基P83（1）~（10）2、用于防渗和挡土P83（1）~（10）四、设计计算（一）水泥搅拌法1、搅拌机械设备及性能中心喷浆方式（混合浆）和叶片喷浆方式（纯水泥浆）五、施工方法支护结构——水泥土墙支护结构——水泥土墙支护结构——水泥土墙支护结构——水泥土墙SMW（SoilMixingWall）工法施工SMW（SoilMixingWall）工法施工SMW（SoilMixingWall）工法施工SMW（SoilMixingWall）工法施工SMW（SoilMixingWall）工法施工SMW（SoilMixingWall）工法施工SMW（SoilMixingWall）工法施工双轴搅拌桩机直径700，搭接200桩长10m用于止水c)a)d)b)a)柱状布置；b)壁状布置；c)格栅状布置；d)块状布置（一）水泥搅拌法2、施工工艺一般的施工工艺流程：一次喷浆、二次搅拌就位—预搅下沉—制备水泥浆—提升喷浆搅拌—重复搅拌下沉—重复提升搅拌—清洗—移位五、施工方法水泥掺量及外加剂水泥掺量水泥掺入比（单位体积搅拌桩中水泥与土的重量比）一般为12~16%水灰比~1：0.5（重量之比）外加剂外掺剂作用掺量（%）碳酸钠早强0.2~0.4氯化钙早强2~5三乙醇胺早强0.05~0.2木质素磺酸钙减水、可泵0.2~0.5粉煤灰填充、早强50~80水泥土搅拌桩施工要点.（1）复搅工艺确保搅拌均匀，必要时采用“二喷三搅”工艺（干法工艺为一次搅拌，因而不均匀）。（2）提升速度~喷浆速度提升搅拌速度不宜大于0.5m/min；提升速度与喷浆速度应协调，以保证延桩身全长喷浆均匀。搅拌桩复合地基设计与施工中的若干问题1设计中的若干问题2施工中应注意的有关问题1设计中的若干问题1.1设计参数的取值1.2桩的长度-桩径-桩身强度关系1.3置换率与桩长的选取1.4暗浜及回填土的处理1设计中的若干问题1.1设计参数的取值1.1.1复合地基承载力1.1.2、、、等参数的影响因素siq1.1设计参数的取值1.1.1复合地基承载力加固后的地基强度一般可比原地基土的提高20%~50%，故设计中不应将设计复合地基承载力取得过大，否则难以达到设计要求。1.1设计参数的取值1.1.2、、、等参数的影响因素——桩身强度折减系数（0.3~0.4）施工质量、土层情况、室内实验——桩周土的摩阻力土层情况、工程经验——桩端土承载力折减系数（0.4~0.6）土层情况、桩长、工程经验——桩间土承载力折减系数（0.5~1.0）桩端土情况、工程经验siqsiq1设计中的若干问题1.2桩的长度-桩径-桩身强度关系桩的长度较长，相应的桩径应增加、桩身强度也应相应提高。1设计中的若干问题1.3置换率与桩长的选取a、当地基处理是以提高地基强度为主时，宜用短桩而提高桩的置换率;b、当地基处理是以减小沉降为主时，可根据桩端是否达到较硬土层而分别采用“变掺量、变强度”方法或“变置换率”的方法。1设计中的若干问题1.3置换率与桩长的选取c、最优设计1设计中的若干问题1.4暗浜及回填土的处理a.设计中不计桩间土的承载力，桩周摩阻力取下限值；b.增加水泥掺量（3%～5%），遇有泥炭土或有机质含量较高的土，水泥掺量可增至20%；c.暗浜与回填土的边界应设过渡区。暗浜是不良地质情况的一种。就是，原来这个地方是河道，有淤泥沉积，后来被土填没了，但是沉积的淤泥仍在，这种情况不利于施工，尤其对基础建设存在隐性危害。处理方法有：水泥压密注浆加固、清淤换土和适当加长(