1、,水泥土搅拌法,主要内容,概述 加固机理 水泥土的物理力学性质 水泥土的应用 水泥土搅拌桩地基的设计 水泥土搅拌桩的施工,概述,定义、分类,水泥土搅拌法的概念 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性、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。 根据固化剂掺入状态的不同，它可分为浆液搅拌和粉体喷射搅拌两种。前者是用浆液和地基土搅拌，后者是用粉体或石灰和地基土搅拌。,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)。,概
2、述,定义、分类,深层搅拌法：一般加固深度可大于5m，国外最大加固深度可达60m,早期的“浅层搅拌法”：20世纪20年代，美国及西欧国家在软土地区修建公路和堤坝时，按照地基加固范围从地表挖取0.6-1.0m深的软土，在附近用机械拌入水泥或石灰，然后放回原处压实的方法。 这种加固软土的方法加固深度一般为1-3m。,概述,技术发展,二战后，美国研制成功水泥浆搅拌法。简称MIP法。d=0.3-0.4m，L=10-12m。,1953年，日本引入水泥浆搅拌法，并在1973-1974年进行该工法的研究和开发，简称CMC工法。 目前，日本的施工机械： 陆上：双轴成孔，成孔直径d=1000mm，最大钻深L=40
3、m 海上：多种成孔数量类型，成孔最大直径d=2000mm，最多一次成孔8个，最大钻孔深度为70m（自水面向下算）,概述,技术发展,概述,技术发展,国内： 1977年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进行室内试验和机械研制。 1978年底制造出国内第一台SJB-1型双搅拌轴中心管输浆的搅拌机械。目前SJB-2型的加固深度可达18m。 1994年，上海探矿机械厂生产的GDP-72型双轴深层搅拌机。加固深度可达18m成孔直径d=700mm。 2002年，为配合土壤水泥土墙工法（简称SMW工法），又研制生产出三轴钻孔搅拌机ZKD65-3和ZKD85-3.其钻孔深度达27-30m，钻孔直径650
4、-850mm。,概述,技术发展,1967年，瑞典提出石灰浆搅拌桩法设想。 1971年，现场制成一根石灰土搅拌桩。 1972年，用石灰粉喷桩做路堤和基坑支护。,同一时期，日本在1973-1974年进行该工法的研究和开发。 DLM法：颗粒状生石灰深层搅拌法 DJM法：使用生石灰粉末的粉体喷射法。 目前，日本粉喷施工机械： 单轴、双轴，成孔直径d=800-1000mm，钻孔深度L=15-33m。 国内的粉喷机械：成孔直径d=500-700mm，钻孔深度L=18m。,概述,适用范围,适用范围 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
5、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。,石灰固化剂一般适用于粘土颗粒含量大于20%，粉粒及粘粒含量之和大于35%， 粘土的塑性指数大于10，液性指数大于0.7， 土的pH值为4-8， 有机质含量小于11%, 土的天然含水量大于30%的偏酸性的土质加固。,一般认为用水泥作固化剂，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
6、含量高，pH值较低的粘性土加固效果较差。,概述,适用范围,水泥土搅拌法加固软土其独特优点,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； 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。,概述,优点,加固机理,（一）水泥的水解和水化反应,普通硅酸盐水泥中的水泥矿物： 硅酸三钙（3CaOSiO2） 硅酸二钙（2CaOSiO2） 铝酸三钙（
7、3CaOAl2O3） 铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3） 硫酸钙（CaSO4）（石膏）,(1)硅酸三钙（3CaOSiO2）：在水泥中含量最高（约占全重的50左右），是决定强度的主要因素。2(3CaOSiO2)+6H2O3CaO2SiO23H2O +3Ca(OH)2,含水硅酸钙,加固机理,(2)硅酸二钙（2CaOSiO2）：在水泥中含量较高（约占全重的25左右），它主要产生后期强度。2(2CaOSiO2)+4H2O3CaO2SiO23H2O +Ca(OH)2,(3)铝酸三钙（3CaOAl2O3）：占水泥重量的10，水化速度最快，促进早凝。3CaOAl2O3+12H2O+ Ca(OH)23
8、CaOAl2O3Ca(OH)2 12H2O,(4)铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3）：占水泥重量的10，能促进早期强度。4CaOAl2O3Fe2O3+ 2Ca(OH)2 +10H2O3CaOAl2O36H2O+ 3CaOFe2O36H2O,（5）硫酸钙（CaSO4）占水泥重量的33CaSO4+3CaOA12O3+32H2O3CaOAl2O33CaSO432H2O,加固机理,水泥杆菌（钙矾石）,这种反应很迅速，可把大量的自由水以结晶水形式固定下来，这种结晶会产生膨胀，掺量过多会使水泥发生膨胀破坏。 某种特定条件下可利用这种膨胀作用增强地基加固效果。,加固机理,（二）粘土颗粒与水泥水化物的
9、作用,加固机理,1、离子交换和团粒化作用,粘土与水结合即表现胶体特征，如土中含量最多的二氧化硅与水形成硅酸胶体，其表面带有Na+或K+，和水泥水化生成的氢氧化钙中的Ca2+进行当量吸附交换。 使较小的土颗粒形成较大的土团粒； 由于其产生了很大的比表面能，可使较大的土粒进一步联合，形成水泥土团粒结构，并封闭各土团的空隙，形成坚固的联结，从而使土体强度提高。,2、硬凝反应,加固机理,随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的Ca2+，当其数量超过离子交换需要量后，则在碱性环境中，与组成粘土矿物的二氧化硅和三氧化二铝的一部分或大部分进行化学反应：,逐渐生成了不溶于水的稳定结晶化合物， 其在水中和空气中
10、逐渐硬化，增大了水泥土的强度。 其结构致密，水分不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。,（三）碳酸化作用,加固机理,水泥水化物中游离的氢氧化钙能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，能使水泥土的强度增长，但速度较慢，幅度较小。水泥和软土搅拌越充分，混合越均匀，则水泥土强度的离散性越小，宏观的总体强度也越高。,水泥,水泥系材料,（一）、水泥土的物理性质 1.重度 当水泥掺入比在8%-20%之间，水泥土重度比原状土增加约3%-6%，不会产生较大的附加沉降。 2.相对密度 由于水泥的相对密度为3.1，比一般软土的相对密度2.65-2.75为大，故水泥土的相对密度比天
11、然软土的相对密度稍大。水泥土相对密度比天然软土的相对密度增加0.7%-2.5%。 3.含水量 水泥土的含水量一般比原状土降低0.5-7% ，且随着水泥掺入比的增加而减小。 4.抗渗性 渗透系数K一般在10-7-10-8cm/s,水泥土的物理力学性质,（二）水泥土的力学性质 1 、无侧限抗压强度水泥土的无侧限抗压强度qu在0.3-4.0MPa之间，比原状土提高几十倍乃至几百倍。 2 、抗拉强度水泥土抗拉强度与抗压强度有一定关系，一般情况下，抗拉强度在（0.15-0.25）qu之间。 3 、抗剪强度当水泥土qu=0.5-4MPa时，其粘聚力C在100-1000kPa之间，其摩擦角在20-30之间。
12、 4、 变形特性当qu=0.5-4.0MPa时，其50d后的变形模量相当于（120-150）qu。,水泥土的物理力学性质,水泥土的物理力学性质,（三）影响水泥土的无侧限抗压强度的因素,影响因素主要有： 水泥掺入比 水泥标号 龄期 含水量 有机质含量 外掺剂 养护条件等,1.水泥掺入比,水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大，当 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，故在水泥土搅拌法的实际施工中，选用的水泥掺入比必须大于7%。,水泥土的物理力学性质,2、水泥标号 水泥土的强度随水泥标号的提高而增加。一般说来，水泥标号提高100号，水泥土的强度fcu约增大50%-90
13、%。 如要求达到相同强度，水泥标号提高100号，可降低水泥掺入比2%-3%。表2-6为水泥标号对水泥土的影响试验结果。 水泥标号对水泥土强度的影响（引自刘建军，1992）,水泥土的物理力学性质,水泥种类 核工业部第四勘察院与同济大学在同一种淤泥质粉质粘土(w36.4，e1.03)中选用同一水泥掺入比(21)，对32.5级矿渣水泥、32.5级钢渣水泥、42.5级普通硅酸盐水泥、52.5级波特兰水泥作为对比试验。从图中可以看出32.5级矿渣水泥和钢渣水泥的水泥土无侧限抗压强度fcu要大于后两者，其原因可能是水泥中的矿渣、钢渣和粘粒水化反应的缘故。,水泥土的物理力学性质,水泥土的物理力学性质,水泥土
14、的物理力学性质,3、龄期,水泥土的强度随着龄期的增长而提高，一般在龄期超过28d后仍有明显增长见图 根据试验及上海地区水泥加固饱和软粘土的无侧限抗压强度试验结果的回归分析，得到在其它条件相同时，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见图；这些关系如下：,当龄期超过3个月后，水泥土的强度增长才减缓。 同样，据电子显微镜观察，水泥和土的硬凝反应约需3个月才能充分完成。 因此水泥土选用3个月龄期强度作为水泥土的标准强度较为适宜。一般情况下，龄期少于3d的水泥土强度与标准强度间关系其线性较差，离散性较大。,水泥土的物理力学性质,4.含水量,水泥土的无侧限抗压强度随着土样含水量的降低而增大，
15、当土的含水量从157%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)%。,水泥土的物理力学性质,5.地基土中有机质含量,水泥土的物理力学性质,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。 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、外掺剂,水泥土的物理力学性质,不同的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响。 如木质素磺酸钙对水泥土强度的增长影响不大，主要起减水作用。 石膏、三乙
16、醇胺对水泥土强度有增强作用，而其增强效果对不同土样和不同水泥掺入比又有所不同，所以选择合适的外掺剂可提高水泥土强度和节约水泥用量。 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。 不同水泥掺入比的水泥土，当掺入与水泥等量的粉煤灰后，强度均比不掺粉煤灰的提高10%，故在加固软土时掺入粉煤灰，不仅可消耗工业废料，还可稍微提高水泥土的强度。,水泥土的物理力学性质,7、养护温度 国内外试验资料都说明，温度对短龄期水泥土强度的影响很大， Kawasaki等研究了温度在10-50变化时，温度对水泥含量分别为20和30的水泥土加固强度的影响，见图。,水泥土的物理力学性质,从图中可以看出，温度高时，
17、水泥与土的反应加快，故前期强度增长率大。 但是日本的试验研究也表明，温度对水泥土强度的影响随着时间的增长而减小， 如图所示，不同养护温度下的无侧限抗压强度与20(标准养护室温度)的无侧限抗压强度之比值随着时间的增长而逐渐趋近于1，说明温度对水泥土后期强度的影响较小。,8、pH值研究表明，水泥在pH值较高的条件下，有利于土壤颗粒中的硅酸盐和铝酸盐的溶解性，加快了水化反应的进行。 但是当加固土的pH12.6时，水化反应的主要生成物水化硅酸三钙会产生逆向反应见下式,这样大大降低水泥土的强度。,3CaO2SiO2xH2O3CaO2SiO2xH2O +Ca(OH)2(C3S2HX) (Hydrated
18、gel),水泥土的物理力学性质,9、粘粒含量Masaaki Gotoh研究了土性即含水量、pH值、烧失量、粘粒含量对水泥土强度的影响，得到了粘粒含量越高，其加固强度越低。 Woo认为土的塑限增大或者粘粒含量增大，水泥的加固效果也越差。图为某一水泥掺量时，细粒土含量对抗压强度的影响。,水泥土的物理力学性质,10、有机质含量及含盐量Miura等通过大量的试验，得到有机质含量小于6时，用石灰加固效果优于水泥加固，但当有机质含量超过8时，水泥加固比用石灰加固效果好，见图。为了克服有机质对强度提高的影响，需要使用大量的石灰和水泥进行加固，也会出现过剩的未参加反应的石灰和水泥，并且得到它们在短期内对水泥土
19、的强度影响不大。Broms指出在含盐量较高的海相软土进行水泥加固时，由于絮凝作用其强度大大降低。Miura等通过对土中加入盐配制不同含盐量的试料土，然后进行水泥或者石灰加固试验，试验结果见图。从图形中可以看到，当含盐量增加到一定时，强度随含盐量增大而增大。但是，当土中含有SO42-时，对水泥的水化将起到阻碍作用。,水泥土的物理力学性质,（一）.支护结构 重力式支护结构；止水帷幕；SMW工法 （二）.地基加固 提高地基强度；控制沉降；防止液化,水泥土的应用,水泥土的应用,（一）、支护结构水泥土墙,水泥土的应用,水泥土的应用,水泥土的应用,止水帷幕,水泥土的应用,SMW工法,承受荷载与防渗挡水结合
20、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,水泥土的应用,水泥土的应用,导沟开挖,水泥土的应用,置放导轨,水泥土的应用,SMW钻拌,水泥土的应用,置放应力补强材（H型钢）,水泥土的应用,水泥土的应用,施工完成SMW,水泥土的应用,（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,水泥土的应用,水泥土搅拌桩地基的设计,（一）.设计原理 （二）.布桩型式 （三）.单桩容许承载力 （四）.复合地基承载力 （五）.下卧层地基强度验算 （六）.沉降计算,水泥土搅拌桩地基的设计,（一）、设计原理,桩土共同承载承载 桩的承载力 + 桩间土承载力（折减）沉降 桩
21、范围的压缩 + 桩端以下土的沉降,（二）.布桩型式,水泥土搅拌桩地基的设计,水泥土桩的布置形式对加固效果很有影响，一般根据工程地质特点和上部结构要求可采用柱状、壁状、格栅状、块状以及长短桩相结合等不同加固型式。,1.柱状,每隔一定距离打设一根水泥土桩，形成柱状加固型式，适用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，它可充分发挥桩身强度与桩周侧阻力。,水泥土搅拌桩地基的设计,2.壁状,将相邻桩体部分重叠搭接成为壁状加固型式，适用于深基坑开挖时的边坡加固以及建筑物长高比大、刚度小、对不均匀沉降比较敏感的多层房屋条形基础下的地基加固。,3.格栅状,它是纵横两个方向的相邻桩体搭接而形成的
22、加固型式。适用于对上部结构单位面积荷载大和对不均匀沉降要求控制严格的建（构）筑物的地基加固。,4.长短桩相结合,当地质条件复杂，同一建筑物坐落在两类不同性质的地基土上时，可用3m左右的短桩将相邻长桩连成壁状或格栅状，藉以调整和减小不均匀沉降量。,水泥土桩的强度和刚度是介于柔性桩（砂桩、碎石桩等）和刚性桩（钢管桩、混凝土桩等）间的一种半刚性桩， 它所形成的桩体在无侧限情况下可保持直立，在轴向力作用下又有一定的压缩性，但其承载性能又与刚性桩相似， 因此在设计时可仅在上部结构基础范围内布桩，不必像柔性桩一样需在基础外设置护桩。,水泥土搅拌桩地基的设计,单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定。 初
23、步设计时也可按（I式），并应同时满足（II式）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：,(I式),(II式),水泥土搅拌桩地基的设计,（三）.单桩容许承载力,单桩容许承载力(kN)； 水泥土90d龄期的抗压强度平均值(kPa)； 桩的截面积(m2) 桩身强度折减系数，可取：干法0.20.3，湿法0.250.33 ； 桩的周长(m)； 桩周第i层土的容许摩阻力。对淤泥可取58kPa；对淤泥质土可取812kPa；对粘性土可取1215kPa； 桩周第i层土的厚度(m)； 桩端天然地基土的承载力(kPa)； 桩端天然地基土的承载力折减系数，可取
24、0.40.6。,(I式),(II式),水泥土搅拌桩地基的设计,(四）、复合地基的设计计算,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：,复合地基承载力特征值(kPa)； 桩间天然地基土承载力特征值(kPa)； 桩土面积置换率； 桩间土承载力折减系数。当桩端为软土时，可 取0.5-1.0；当桩端为硬土时，可取0.1-0.4。,水泥土搅拌桩地基的设计,水泥土搅拌桩地基的设计,(五)、下卧层地基强度验算,当搅拌桩处理范围以下存在软弱下卧层时，应按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB-50007的有关规定进行下层承载力验算。,假想实体基础底面压力(kPa)； 基础底
25、面积(m2)； 假想实体基础的自重(kN)； 假想实体基础侧表面积(m2)； 假想实体基础侧表面平均摩阻力(kPa)； 假想实体基础边缘地基土的容许承载力(kPa)； 假想实体基础底面积(m2)； 假想实体基础底面经修正后的地基容许承载力(kPa)。,(六）、沉降计算,水泥土桩复合地基的变形包括： 搅拌桩复合土层的平均压缩变形S1 桩端下未加固土层的压缩变形S2,水泥土搅拌桩地基的设计,1.搅拌桩复合土层的压缩变形S1可按下式计算,P 桩群顶面的模量(kPa) A1假想实体基础的底面积(m2) L 搅拌桩平均压力(kpa) P0桩群底面土的附加压力(kPa) Esp桩群体的压缩模量(kPa)
26、Ep水泥土搅拌桩的压缩模量(kPa) Es 桩间土的压缩桩长(m) p桩群底面以上土的加权平均重度(kN/m3) f ,水泥土搅拌桩地基的设计,2.桩端下未加固土层的压缩变形S2,桩端以下未加固土层的压缩变形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。,水泥土搅拌桩地基的设计,复合地基设计的几个问题,水泥土搅拌桩地基的设计,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。,桩的长度较长，相应的桩径应增加、桩身强度也应相应提高。,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
27、基处理时以减小沉降为主时，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。,水泥土搅拌桩地基的设计,c、最优设计,水泥土搅拌桩地基的设计,有效桩长 L0=(8-20)d Ep/Es=10-50 L0=(20-25)d Ep/Es=50-100 L0=(25-33)d Ep/Es=100-200 柔性桩与刚性桩判别,等边三角形或方形布置，,桩径450、500、600mm,水泥土搅拌桩地基的设计,1、当土质条件、施工因素限制加固深度L 根据桩长单桩承载力Ra和水泥土抗压强度fcu参照室内配合比试验选择所需的水泥掺入比。,2、当搅拌加固的深度不受限制时，可根据室内配合
28、比试验资料选定水泥掺入比aw再确定桩身强度fcu根据桩身强度计算单桩承载力特征值计算桩身长度L。,3、直接根据上部结构对地基的要求，选定单桩承载力特征值计算桩身长度、强度选择水泥掺入比,水泥土搅拌桩地基的设计,根据设计要求的地基复合地基承载力特征值fspk和前面求得的单桩承载力特征值Ran,不宜小于2d,水泥土搅拌桩的施工,（一）施工机械 （二）施工工艺 （三）水泥掺量及外加剂 （四）水泥土墙施工要点,水泥土搅拌桩地基的施工,（一）、施工机械 主机,水泥土搅拌桩地基的施工,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,水泥土搅拌桩地基的施工,(三）、水泥掺量及外加剂,1.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1：1-1：0.5 2.外加剂,水泥土搅拌桩地基的施工,（四）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）提升速度与喷浆速度 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。,水泥土搅拌桩地基的施工,
