第六章、水泥土搅拌桩法

第六章水泥土搅拌桩法第一节概述水泥土搅拌桩是一种用于加固饱和粘土地基的常用软基处理技术，他将水泥作为固化剂与软土在地基深处强制搅拌，由固化剂和软土产生一系列物理化学反应，使软土硬结成一定强度的水泥加固体，从而提高地基土承载力和增大变形模量。水泥土搅拌桩从施工工艺上可分为湿法和干法两种。一、湿法湿法常称为浆喷搅拌法，将一定配比的水泥浆注人土中搅拌成桩，国内于1977年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院研制，1978年生产出第一台深层搅拌机，并于1980年在上海宝山钢铁总厂软基加固中获得成功。该工艺利用水泥浆作固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在加固深度内就地将软土和水泥浆充分拌和，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和足够强度的水泥土的一种地基处理方法。二、干法干法常称为粉喷搅拌法，于1974年日本研制出另一类粉体搅拌桩即DJM法，自1983年铁四院应用该技术首先成功地用于铁路涵洞软土地基加固以来，经过多年的试验、研究和工程实践，国内粉体喷搅法已在港口、石油化工、市政和工业与民用建筑工程中得到大量应用，并取得了良好的技术经济效果。该工艺利用压缩空气通过固化材料供给机的特殊装置，携带着粉体固化材料，经过高压软管和搅拌轴输送到搅拌叶片的喷嘴喷出，借助搅拌叶片旋转，在叶片的背面产生空隙，安装在叶片背面的喷嘴将压缩空气连同粉体固化材料一起喷出，喷出的混合气体在空隙中压力急剧降低，促使固化材料就地粘附在旋转产生空隙的土中，旋转到半周，另一搅拌叶片把土与粉体固化材料搅拌混合在一起，与此同时，这只叶片背后的喷嘴将混合气体喷出，这样周而复始地搅拌、喷射、提升，与固化材料分离后的空气传递到搅拌轴的周围，上升到地面释放。粉体喷射搅拌法(DJM工法)是深层搅拌加固技术的一种。1967年瑞典BPA公司的KjeldPaus先生提出了一种采用生石灰粉与原位软粘土搅拌形成石灰桩的软土加固法，即石灰桩法(LimeColumnsMethod)，它标志着粉体喷射搅拌技术的问世。1971年瑞典的Linden-Alimat公司根据KjeldPaus的研究成果，在现场用生石灰和软土搅拌制做了石灰桩，进行了第一次现场试验，1974年正式取得专利并进入工程实用阶段，开创了粉喷技术的新时代。日本在1967年由运输部港湾技术研究所开始研究石灰搅拌施工机械，1974年开始在软土地基加固工程中应用，且在施工技术上超越瑞典。研制了两种施工机械，形成两种施工方法，一类是使用颗粒状生石灰的深层石灰搅拌法，即DLM法(DeepLimeMixing工法)；另一类是喷射搅拌的粉体，且不限于石灰粉末，可使用水泥粉之类干燥的加固材料，称之为粉体喷射搅拌法，即DJM(DryJetMiximg工法)。由于使用的固化剂为干燥雾状粉体，不再向地基土中注入附加水份，它能充分吸收软土中的水，对含水量高的软土加固效果尤为显著，较其他加固方法输入的固化剂要少得多，不会出现地表隆起现象。同时，水泥粉等粉体加固料是通过专用设备，用压缩空气将粉体喷入地基土中，再通过机械的强制性搅拌将其与软土充分混合，使软土硬结，形成具有整体性较强、水稳性较好、有一定强度的桩体，起到加固地基的作用。这种地基处理方法在施工过程中无振动、无污染，对周围环境无不良影响，近二十年来，在国外得到了广泛应用。1983年，铁道部第四勘察设计院引进这项技术，进行了设备研制和生产实践，1984年在广东省云浮硫铁矿铁路专用线上的软土地基加固工程中率先使用，后来相继在武昌、连云港等用于下水道沟槽挡土墙和铁路涵洞软基加固，均获得良好效果。实践证明，喷粉桩是一种具有很大推广价值的软土地基加固技术，这一技术已广泛应用于铁路、市政工程、工业民用建筑等的地基础处理中。然而由于喷粉桩复合地基施工质量不易控制，近年来出现事故较多，上海、天津等地相继暂停该项技术在工民建地基处理中的应用。粉体喷搅法加固软弱土层中，其设计理论、施工控制技术一直存在争论，在使用时需加强过程控制。三、两种方法的差别干法和湿法相比较，具有如下特点：1、使用的干燥状态的固化材料可以吸收软土地基中的水分，对加固含水量高的软土、极软土以及泥炭化土地基效果更为显著。2、固化材料全面地被喷射到靠搅拌叶片旋转过程中产生的空隙中，同时又靠土的水分把它粘附到空隙内部，随着搅拌叶片的搅拌，固化剂均匀地分布在土中，不会产生不均匀散乱现象，有利于提高地基土的加固强度。3、与浆喷深层搅拌或高压旋喷相比，输入地基土中的固化材料要少得多，无浆液排出，地面无拱起现象。同时固化材料是干燥状态的0.5mm以下的粉状体，如水泥、生石灰、消石灰等，材料来源广泛，并可使用两种以上的混合材料。因此，对地基土加固适应性强，不同的土质要求都可以找出与之相适应的固化材料，其适应的工程对象较广。4、固化材料从施工现场的供给机的贮仓一直到喷入地基土中，成为连贯的密闭系统，中途不会发生粉尘外溢、污染环境的现象。5、湿法水泥配比较直观，材料的量化较容易，有利于质量控制。第二节原理深层搅拌桩多用于软土层较厚的地基加固处理工程中，其基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程，可通过专用机械设备将固化剂灌入需处理的软土地层内，并在灌注过程中上下搅拌均匀，使水泥与土发生水解和水化反应，生成水泥水化物并形成凝胶体，将土颗粒或小土团凝结在一起形成一种稳定的结构整体，这就是水泥骨架作用，同时，水泥在水化过程中生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子进行离子交换作用，生成稳定的钙离子，从而进一步提高土体的强度，达到提高其复合地基承载力的目的。深层搅拌桩按固化剂的不同分为水泥系与石灰系，按灌注的是浆液还是粉体也可分为湿法与干法。以水泥作固化剂，配石膏、粉煤灰、木质素磺酸钙等为外掺剂的深层水泥搅拌桩是深层软土地基工程中常用的桩基形式之一。一、加固机理水泥土的强度机理主要有两个方面的作用，首先是水泥的骨架作用，水泥与饱和软粘土搅拌后，发生水泥的水解和水化反应，生成水泥水化物，形成凝胶体-氢氧化钙，将土颗粒或小土团凝结在一起，形成一种稳定的结构整体。其次是离子交换作用，水泥在水化过程中，生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子(或钾离子)进行离子交换，生成稳定的钙离子，从而提高土体的强度。国内外大量的试验及研究表明，水泥与软土拌合后，将发生如下的物理化学反应：1．水泥的水解水化反应减少了软土中的含水量，增加土粒间的粘结，水泥与土拌合后，水泥中的硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙以及铁铝四钙等矿物与土中水发生水解反应，在水中形成各种硅、铁、铝质的水溶胶，土中的CaSO4大量吸水，水解后形成针状结晶体。2．离子交换与团粒作用水泥水解后，溶液中的Ca++含量增加，与土粒发生阳离子交换作用，等当量置换出K+、Na+，形成软土大的土团粒和水泥土的团粒结构，使水泥土的强度大为提高。3．硬凝反应阳离子交换后，过剩的Ca++在碱性环境中与SIO2--、AI2O3发生化学反应，形成水稳性的结晶水化物，增大了水泥土的强度。4．碳化反应水泥土中的Ca(OH)2与土中或水中CO2化合生成不溶于水的CaCO3，增加了水泥土的强度。水泥与地基土拌合后经上述的化学反应形成坚硬桩体，同时桩间土也有少量的改善，从而构成桩与土复合地基，提高地基承载力，减少了地基的沉降。二、水泥搅拌桩的加固土物理力学特性根据冶金研究院、天津市勘察院、铁四院及铁三院的试验研究，水泥加固土的主要物理力学特性如下：1．物理性质(1)重度：由于拌人士中的固化材料与孔隙中水的重度相差不大，搅拌中还产生部分土的挤出和隆起，且固化后固化材料本身存在孔隙，因此，在饱和的软土中加固土体的重度与天然土的饱和重度很接近，试验说明固化体重度仅增加3％~5％。但在非饱和的大孔隙土中，固化体的重度将较天然土的重度增加量要大一些，见表6·2·1。此外，固化料掺合量大时，固化体重度增加幅度也大。水泥土重度表表6·2·1土类原状土含水量原状土重度kN/m3水泥土饱和重度kN/m3水泥土饱和重度kN/m3粉砂饱和15.018.817.4粘粉砂饱和18.019.817.5黄土15.5%16.020.217.1淤泥质砂黏土饱和17.517.512.4(2)含水量：水泥加固土含水量略低于原土的含水量，约戒少3％～7％，对粉喷桩来言，干粉状水泥的加入使土的塑性状态随之变化，掺人比为7％～15％其塑性状态降低一个等级，即由流塑变为软塑，软塑变为可塑等，当掺人比大于15％时，塑性状态可以降低一至二个等级。图6·2·1为某场地上部为粉质粘土水泥掺入比为15％时，不同含水量所做水泥容重的对比试验，图中显示容重随土的含水量的堪加而降低，大体上呈线性变化。图6·2·1土样含水量与水泥土容重的关系2．水泥土力学性质水泥加固土的抗压强度一般为300～4000kPa，比天然软土加大几十～几百倍，影响加固土的抗压强度的因素较多，与土类、含水量、水泥掺人比、养护龄期以及外掺剂等因素有关。(1)土的种类对水泥土强度的影响不同成因软土的水泥加固试验结果见表6·2·2。不同成因软土的水泥加固试验结果表6·2·2(2)水泥掺人比对水泥土qu的影响图6·2·2为不同成因的不同类别地基土的不同水泥掺入比与水泥加固土无侧限抗压强度的关系，由图可见：uq随土的水泥掺入比的增大而增大，当掺入比小于5％时，水泥土水化反应很弱，水泥土的强度比原状土增长较小，水泥掺人比宜大于10％，地基土的不同水泥土的强度随水泥掺入比的增加速率也不同，粉土的增长速度最大，淤泥质土最小。图6·2·2水泥掺入比对水泥土无侧限抗压强度的影响(3)水泥标号对水泥土的qu的影响试验表明：水泥标号越高，水泥的早期强度增长速率越快，当水泥掺人比相同时，水泥标号每提高100号，水泥土的无侧阻抗压强度提高15％～30％。根据试验结果可以用325#水泥代替现在较常用的425#水泥作为加固材料，以加大水泥用量，更有利于水泥掺入的均匀性。土名土的性质掺加水泥试验含水量%天然密度kN/m3孔隙比e液性指数塑性指数无侧限抗压强度kPa水泥标号水泥掺量%龄期d水泥土无侧限抗压强度kPa滨海相沉积淤泥50.017.31.391.2122.82432510901096淤泥质亚黏土36.418.31.031.2610.4264258901415淤泥质黏土68.415.61.801.7121.81942514901097河川沉积淤泥质亚黏土47.417.41.291.6316.02842510120998淤泥质黏土56.016.71.311.1821.0205251030880湖沼相沉积泥炭44810.48.060.85341≈04252590155泥炭化土58.016.31.480.6526.0154251590714(4)龄期的影响根据室内试验，天津地区水泥加固土一般有以下关系：)90()47.0~4.0()28()7.0~6.0()7(uuuqqq)180()95.0~9.0()90()90()75.0~7.0()28(uuuuqqqq(5)土中含水量的影响在固化剂种类和掺人量相同的情况下，浆液喷搅时，土的天然含水量越低，加固土的强蜜就越高。图6·2·3(a)的试验条件是，水泥为土的干重度的10％，土性为冲积黏土，龄期：28天；图6·2·3(b)的试验条件是，水泥掺入量为湿土重量的10％，水泥浆的水灰比为1：1，龄期28天，图中的含水量不单纯为土的含水量，其中还包含所用水泥浆的水分，所以是总含水量与强度问的关系。从图6·2·3中可看出，不同种类的土在相同的水泥掺入量条件下，虽然强度不等，但其强度随土中含水量增大而减小的递减率十分接近。图6·2·3(a)的结果表明，当水泥配方相同时，其强度随土样的天然含水量的降低而增大。当土样含水量在50～85％范围内变化时，含水量每降低10％，强度可提高30％～50％。由于土的种类及固化剂性质不尽相同，同时水泥掺人量也不相同。有的试验说明，水泥掺人量比较大时，强度随含水量增大而显著减少，当掺人比为32％时，土中含水量每减少10％，强度可增加66％。对粉喷桩，土中含水量对水泥土强度的影响不同于浆液搅拌，当土中含水量过低时，水泥水