地基處理第10章-水泥土攪拌法

第10章水泥土攪拌法主要內容概述加固機理水泥土的物理力學性質水泥土的應用水泥土攪拌樁地基的設計水泥土攪拌樁的施工10.1概述(p147)1.水泥上攪拌法的概念水泥土攪拌法是適用于加固飽和粘性土和粉土等地基的一種方法，它是利用水泥（或石灰）等材料作為固化劑通過特制的攪拌機械，就地將軟土和固化劑（漿液或粉體）強制攪拌，使軟土硬結成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強度的水泥加固土—水泥土，從而提高地基土強度和增大變模。2.分類根據(jù)固化劑摻入狀態(tài)的不同，它可分為水泥漿攪拌和粉體噴射攪拌兩種。前者是用漿液和地基土攪拌，后者是用粉體或石灰和地基土攪拌。3.適用條件（p148）水泥土攪拌法適用于處理正常固結的淤泥與淤泥質土、粉土、飽和黃土、素填土、粘性土以及無流動地下水的飽和松散砂土等地基。當?shù)鼗恋奶烊缓啃∮?0％（黃土含水量小于25%）、大于70％或地下水的pH值小于4時不宜采用干法。冬期施工時，應注意負溫對處理效果的影響。水泥漿攪拌加固深度不宜大于20m；粉體噴射攪拌不宜大于15m。水泥土攪拌樁的樁徑不應小于500mm。一般認為用水泥作加固料，對含有高嶺石、多水高嶺石、蒙脫石等粘土礦物的軟土加固效果較好；而對含有伊利石、氯化物和水鋁石英等礦物的粘性土以及有機質含量高，pH值較低的粘性土加固效果較差?？捎糜谠黾榆浲恋鼗某休d力、減少沉降、提供邊坡穩(wěn)定性、防滲等。4.石灰固化劑石灰固化劑一般適用于粘土顆粒含量大于20%，粉粒及粘粒含量之和大于35%，粘土的塑性指數(shù)大于10，液件指數(shù)大于0.7，土的pH值為4～8，有機質含量小于11%,土的天然含水量大于30%的偏酸性的土質加固。5.水泥土攪拌法加固軟土的優(yōu)點(p148)最大限度地利用了原土；攪拌時施工，對原有建筑物影響很??；根據(jù)地基土的不同性質和工程要求，可以合理選擇固化劑的類型及其配方，設計靈活；攪拌時無振動、無污染、無噪音，可在市區(qū)內和密集建筑群中施工；加固后土體的重度基本不變，不會產(chǎn)生附加沉降；與鋼筋混凝土樁基相比，降低成本的幅度較大；可根據(jù)上部結構的需要，靈活地采用柱狀、壁狀、格柵狀和塊狀等加固型式。10.2、加固機理(p148)++++++++++水泥加固土的物理化學反應過程與混凝土的硬化機理不同：混凝土硬化主要在粗填充料中（比表面不大、活性很弱的介質）進行水解、水化作用，所以凝結速度快，而水泥加固土時，由于水泥摻入量很小，水泥的水解、水化反應是在具有一定活性的介質-土的圍繞下進行，所以水泥加固土的強度增長比混凝土緩慢。（一）水泥的水解和水化反應水泥遇水后，其顆粒表面的礦物很快與水發(fā)生水解和水化反應，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣等化合物。其中前二種化合物溶于水，使水泥顆粒表面暴露出來，再與水作用，逐漸使溶液達到飽和，新生成物便以膠體析出，懸浮于溶液形成凝膠體。（二）顆粒與水泥水化物作用（1）離子交換和團?；饔谜惩僚c水結合即表現(xiàn)膠體特征，如土中含量最多的二氧化硅與水形成硅酸膠體，其表面帶有Na+或K+，和水泥水化生成的氫氧化鈣中的Ca2+進行當量吸附交換。使較小的土顆粒形成較大的土團粒；由于其產(chǎn)生了很大的比表面能，可使較大的土粒進一步聯(lián)合，形成水泥土團粒結構，并封閉各土團的空隙，形成堅固的聯(lián)結，從而使土體強度提高。（2）硬凝反應隨著水泥水化反應的深入，深液中析出大量的Ca2+，當其數(shù)量超過離子交換需要量后，則在堿性環(huán)境中，與組成粘土礦物的二氧化硅和三氧化二鋁的一部分或大部分進行化學反應：逐漸生成了不溶于水的穩(wěn)定結晶化合物，其在水中和空氣中逐漸硬化，增大了水泥土的強度。（三）碳酸化作用水泥水化物中游離的氫氧化鈣能吸收水中和空氣中的二氧化碳，發(fā)生碳酸化反應：生成不溶于水的碳酸鈣，能使水泥土的強度增長，但速度較慢，幅度較小。水泥和軟土攪拌越充分，混合越均勻，則水泥土強度的離散性越小，宏觀的總體強度也越高。10.3、水泥土的物理力學性質(p151)（一）、水泥土的物理性質(p151）1.含水量水泥土的含水量一般比原狀土降低0.5～7%2.重度水泥土的重度僅比天然軟上重度增如0.5%～3.0%，也不會產(chǎn)生較大的附加沉降。3.相對密度由于水泥的相對密度為3.1，比一般軟土的相對密度2.65～2.75為大，故水泥土的相對密度比天然軟土的相對密度稍大。水泥土相對密度比天然軟土的相對密度增加0.7%～2.5%。4.滲透系數(shù)（抗?jié)B性）滲透系數(shù)K一般在10-5～10-8cm/s（二）、水泥土的力學性質(p152-156)1.無側限抗壓強度水泥土的無側限抗壓強度fcu在0.3～4.0MPa之間，比原狀土提高幾十倍乃至幾百倍。（表10-1）（圖10-1）2.抗拉強度3.抗剪強度4.變形特性5.壓縮系數(shù)和壓縮模量

（三）、影響水泥土的無側限抗壓強度的因素(p152-154)

影響因素主要有：水泥摻入比水泥標號齡期含水量有機質含量外摻劑養(yǎng)護條件等（三）、影響水泥土的無側限抗壓強度的因素(p152)

水泥土的強度隨著水泥摻入比的增加而增大(圖10-2（p153）)，當<5%時，由于水泥與土的反應過弱，水泥土固化程度低，強度離散性也較大，故在水泥土攪拌法的實際施工中，選用的水泥摻入比必須大于10%。1.水泥摻入比（三）、影響水泥土的無側限抗壓強度的因素（三）、影響水泥土的無側限抗壓強度的因素某工程采用水泥土攪拌法加固，樁徑為500mm，水泥用量為55kg/m，土的濕重度為17.0kN/m3，則：1、該工程的水泥摻入比最接近下列哪個值?(A)14.5%(B)15.5%(C)16.5%(D)17.5%2、該工程的水泥摻量最接近下列哪個值?(A)270kg/m3(B)280kg/m3(C)290kg/m3(D)300kg/m3

（三）、影響水泥土的無側限抗壓強度的因素2.齡期對強度的影響水泥土的強度隨著齡期的增長而提高，一般在齡期超過28d后仍有明顯增長（10-3（p153）），根據(jù)試驗結果的回歸分析,得到在其它條件相同時，不同齡期的水泥土無側限抗壓強度間關系大致呈線性關系（齡期小于3天的線性差、離散性大），這些關系式如下:（三）、影響水泥土的無側限抗壓強度的因素（三）、影響水泥土的無側限抗壓強度的因素（三）、影響水泥土的無側限抗壓強度的因素3.水泥標號（水泥強度等級）對強度的影響水泥土的強度隨水泥標號的提高而增加。水泥標號提高100號，水泥土的強度fcu約增大(50～90)%。如要求達到相同強度，水泥標號提高100號，可降低水泥摻入比(2～3)%。4.土樣含水量對強度的影響（p154）水泥土的無側限抗壓強度隨著土樣含水量的降低而增大，當土的含水量從157%降低至47%時，無側限抗壓強度則從260kPa增加到320kPa。一般情況下，土樣含水量每降低10％，則強度可增加(10～50)%。5.地基土中有機質含量對強度影響(p154)有機質含量少的水泥土強度比有機質含量高的水泥土強度大得多。由于有機質使土體具有較大的水溶性和塑性，較大的膨脹性和低滲透性，并使土具有酸性，這些因素都阻礙水泥水化反應的進行。因此，有機質含量高的軟土，單純用水泥加固的效果較差。6.外摻劑對強度的影響不同的外摻劑對水泥土強度有著不同的影響。如木質素磺酸鈣對水泥土強度的增長影響不大，主要起減水作用。石膏、三乙醇胺對水泥土強度有增強作用，而其增強效果對不同土樣和不同水泥摻入比又有所不同，所以選擇合適的外摻劑可提高水泥土強度和節(jié)約水泥用量。摻加粉煤灰的水泥土，其強度一般都比不摻粉煤灰的有所增長。不同水泥摻入比的水泥土，當摻入與水泥等量的粉煤灰后，強度均比不摻粉煤灰的提高10%，故在加固軟土時摻入粉煤灰，不僅可消耗工業(yè)廢料，還可稍微提高水泥土的強度。（三）、影響水泥土的無側限抗壓強度的因素7.養(yǎng)護方法(p155)養(yǎng)護方法對水泥土的強度影響主要表現(xiàn)在養(yǎng)護環(huán)境的濕度和溫度。國內外試驗資料都說明，養(yǎng)護方法對短齡期水泥土強度的影響很大，隨著時間的增長，不同養(yǎng)護方法下的水泥土無側限抗壓強度趨于一致，說明養(yǎng)護方法對水泥土后期強度的影響較小。10.4、水泥土攪拌法的設計計算（p156）

1．對巖土工程勘察的要求除了一般的巖土工程斟察規(guī)范中常規(guī)要求外，還應包括；（1）土質分析：有機質和可溶鹽含量，總燒失量等；（2）地下水水質分析：地下水的酸堿度（pH值），硫酸鹽含量。2．加固型式水泥土攪拌樁可布置成：柱狀、壁狀和塊狀三類型式。1）柱狀：由單獨樁體組成的樁群，適月于單層工業(yè)廠房獨立柱基礎和多層房屋條形基礎下的地基加固。2）壁狀：由許多攪拌樁相互搭接而成的壁狀加固體，適用于深基坑開挖時軟土邊坡的加固、條基下軟土地基的加固等。3）塊狀：為縱橫兩個方向許多樁體相互搭接而形成的加固體，適用于荷載較大、對不均勻沉降控制嚴格的建筑物以及深基坑封底等場合。3．加固范圍水泥土攪拌樁強度和剛度介于剛性樁（鋼硂樁、鋼樁、木樁等）和柔性樁（砂樁、碎石樁、土樁等）之間，但其承載性能卻與剛性樁接近。因此，可僅在上部結構基礎范圍內布樁，不必象柔性樁那樣，在基礎范圍以外設置保護樁。4、水泥土攪拌法的計算(p157)（一）.設計原理（二）.布樁型式（三）.單樁容許承載力（四）.復合地基承載力（五）.下臥層地基強度驗算（六）.沉降計算（一）、設計原理1.樁土共同承載樁的承載力+樁間土承載力（折減）2.沉降樁范圍的壓縮+樁端以下土的沉降（二）、布樁型式水泥土樁的布置形式對加固效果很有影響，一般根據(jù)工程地質特點和上部結構要求可采用柱狀、壁狀、塊狀、格柵狀以及長短樁相結合等不同加固型式。1.柱狀每隔一定距離打設一根水泥土樁，形成柱狀加固型式，適用于單層工業(yè)廠房獨立柱基礎和多層房屋條形基礎下的地基加固，它可充分發(fā)揮樁身強度與樁周側阻力。2.壁狀將相鄰樁體部分重疊搭接成為壁狀加固型式，適用于深基坑開挖時的邊坡加固以及建筑物長高比大、剛度小、對不均勻沉降比較敏感的多層房屋條形基礎下的地基加固。4.塊狀對于上部結構單位面積大，對不均勻沉降要求嚴格的構筑物地基進行加固可采用塊狀形式，由縱橫兩個方向的相鄰搭接所形成的。3.格柵狀它是縱橫兩個方向的相鄰樁體搭接而形成的加固型式。適用于對上部結構單位面積荷載大和對不均勻沉降要求控制嚴格的建（構）筑物的地基加固。

5.長短樁相結合當?shù)刭|條件復雜，同一建筑物坐落在兩類不同性質的地基土上時，可用3m左右的短樁將相鄰長樁連成壁狀或格柵狀，藉以調整和減小不均勻沉降量。（三）、單樁容許承載力(p157)

對于柱狀加固地基單樁豎向承載力特征值應通過現(xiàn)場載荷試驗確定。初步設計時也可按（（p157的10-17式）式），并應同時滿足（（p157的10-18式）式）的要求，應使由樁身材料強度確定的單樁承載力大于（或等于）由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力：……(10-17式)……(10-18式)(四）、復合地基的設計計算(p158)

加固后攪拌樁復合地基承載力特征值應通過現(xiàn)場復合地基載荷試驗確定，也可按下式計算：

式中：—復合地基容許承載力(kPa)；

—樁間天然地基土容許承載力(kPa)；

—樁土面積置換率；

—樁間土承載力折減系數(shù)。當樁端為軟土時，可取0.5-0.9；當樁端為硬土時，可取0.1-0.4。(五)、下臥層地基強度驗算當攪拌樁處理范圍以下存在軟弱下臥層時，應按現(xiàn)行國家標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007的有關規(guī)定進行下層承載力驗算。

—假想實體基礎底面壓力(kPa)；—基礎底面積(m2)；—假想實體基礎的自重(kN)；—假想實體基礎側表面積(m2)；—假想實體基礎側表面平均摩阻力(kPa)；—假想實體基礎邊緣地基土的容許承載力(kPa)；—假想實體基礎底面積(m2)；—假想實體基礎底面經(jīng)修正后的地基容許承載力(kPa)。(六）、沉降計算(p159)水泥土樁復合地基的變形包括：攪拌樁復合土層的平均壓縮變形S1樁端下未加固土層的壓縮變形S21.攪拌樁復合土層的壓縮變形S1可按下式計算P

—樁群頂面的壓力(kPa)P0—樁群底面土的附加壓力(kPa)L

—攪拌樁長度(m)A1—假想實體基礎的底面積(m2)Esp—樁群體的壓縮模量(kPa)

Ep—水泥土攪拌樁的壓縮模量(kPa)Es—樁間土的壓縮樁長(m)

γp—樁群底面以上土的加權平均重度(kN/m3)f’

—2.樁端下未加固土層的壓縮變形S2樁端以下未加固土層的壓縮變形可按現(xiàn)行國家標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007的有關規(guī)定進行計算?！纠}1】某工程采用水泥土攪拌樁處理地基，樁徑為500mm，樁長為6m，間距為1.2m的正方形布置，樁間土壓縮模量為3.5MPa，攪拌樁樁身強度為1.5MPa，則攪拌樁復合土層的壓縮模量最接近下列哪個值?(A)19.5MPa(B)21.5MPa(C)23.5MPa(D)27.5MPa水泥土攪拌樁基本設計參數(shù)：設樁長l=8m，樁徑500mm。設計采用正方形布樁，樁距1.2m，置換率m＝0.136，樁間土承載力折減系數(shù)，按《建筑地基處理技術規(guī)范》規(guī)定：“當樁端未經(jīng)修正的承載力特征值小于或等于樁周土的承載力特征值的平均值時，可取0.5～0.9，β取0.5。樁身材料強度等級：取水泥摻量15％，試驗測出的kPa。樁身強度折減系數(shù)η取0.3?！締栴}】水泥土攪拌樁單樁承載力特征值最接近下列哪個值?(A)100kN(B)105kN(C)106kN(D)110kN(E)117kN水泥土攪拌樁復合地基承載力特征值最接近下列哪個值?(A)98.8kPa(B)120kPa(C)125kPa(D)135kPa沉降計算點a的沉降最接近下列哪個值?(A)55.5mm(B)102.0mm(C)119.2mm沉降計算點b的沉降最接近下列哪個值?(A)55.5mm(B)102.0mm(C)119.2mm沉降計算點c的沉降最接近下列哪個值?(A)55.5mm(B)102.0mm(C)119.2mm10.5、水泥土攪拌樁的施工(p164)1、施工機械（攪拌機械）2、施工工藝（一）攪拌機械國外攪拌機械于七十年代中期才正式應用于工程實踐，有陸上和水上專用的，也有深層和淺層攪拌的，有多軸和單軸的，還有單軸葉片噴漿和雙軸中心管噴漿等各種形式。國內目前的攪拌機有中心管噴漿和葉片噴漿方式。我國第一臺專用的SJB—30型攪拌機是雙攪拌頭、中心管輸漿方式的中型機械，它包括電機、減速器、攪拌軸、攪拌頭、中心管、輸漿管等部件（圖10-7）。其動力是采用兩臺30kW的潛水電機。固化劑是通過灰漿泵從中心管下端管口壓開單向球閥而注入被加固土中的。攪拌機與吊裝機是由導向系統(tǒng)配合使用。攪拌頭直接影響水泥漿和軟土的拌和均勻程度，決定著地基的加固效果。（一）攪拌機械（p166）圖10-7

SJB—1型攪拌機

1—輸漿管；2—外殼；3—出水口；4－進水口；5—電動機；6—導向滑塊；7—減速器；9—中心管；10—橫向系板；11—球形閥；12—攪拌頭（二）、施工工藝(p166施工順序)水泥漿攪拌法的施工工藝流程如圖10-12所示。1.定位。起重機或塔架懸吊攪拌機到指定樁位對中，并保持起吊設備水平。2.預攪下沉。待深層攪拌機冷卻水循環(huán)正常后，啟動電機，放松起重機鋼絲繩，使攪拌機沿導向架攪拌切土下沉，下沉速度由電流監(jiān)測表控制，使工作電流不大于70A。3.制備水泥漿。待攪拌機下沉到一定深度后，開始按設計的配合比制備水泥漿，在壓漿前將水泥漿倒入集料斗中。4.提升噴漿攪拌。攪拌機下沉到設計深度后，開啟灰漿泵將水泥漿壓入地基中，邊噴漿、邊旋轉，同時嚴格按照設計確定的提升速度提升攪拌機。

5.重復上下攪拌。深層攪拌機提升至設計加固深度的頂面標高時，集料斗中的水泥漿應正好排空。為了使軟土和水泥漿攪拌均勻，可以再次將攪拌機邊旋轉沉入土中，至設計加固深度后，再將攪拌機邊旋轉邊提升出地面。6.清洗。向集料斗中注入適量清水，啟動灰漿泵，清洗集料斗、全部管路及攪拌頭。7.移位。重復上述1～6步驟，再進行下一根樁的施工。由于攪拌樁頂部與上部結構的基礎或承臺接觸部分受力較大，因此還可以對樁頂1．0m～1.5m范圍內再增加一次輸漿，以提高其強度。施工過程中必須嚴格控制施工質量，包括預攪時應將軟土完全切碎，以利于同水泥漿均勻攪拌；水泥漿不得離析，要按照規(guī)定的配比配置，并預先篩除硬塊；壓漿階段不允許斷漿、堵管；保證加固體的垂直度；確保壁狀加固的連續(xù)性等。一般的施工工藝流程（一次噴漿、二次攪拌）（二）、施工工藝(p168圖10-12)就位預攪下沉（制備水泥漿）提升噴漿攪拌沉鉆復攪

重復提升攪拌10.6、質量檢驗（p172）（一）施工期質量檢驗在深層攪拌施工期間，每根樁都應該有一份完整的質量檢驗單。質量檢驗主要有樁位、樁頂和樁底標高、樁身垂直度、樁身水泥摻量、水泥標號、攪拌頭上提的噴漿（或噴粉）速度、外摻劑種類、漿液水灰比、水泥漿液攪拌均勻性、噴粉攪拌的均勻性等。質量檢驗單由施工人員和監(jiān)理人員簽名后作為施工檔案，歸檔保存。（二）工程竣工后的質量檢驗1）開挖檢驗可以根據(jù)工程的設計要求，選取一定數(shù)量的樁體進行開挖，檢查加固柱體的外觀質量、搭接質量和整體性等。2）取芯檢驗和室內試驗用鉆孔方法連續(xù)鉆取水泥土攪拌樁樁芯，可以直觀地檢驗樁體強度和攪拌的均勻性。取芯時應確保樁芯的完整性和原狀強度，在養(yǎng)護條件下送試驗室進行立方強度、無側限抗壓強度和壓縮試驗，試驗結果應滿足設計要求的強度和壓縮模量。3）靜載荷試驗對承受垂直荷重的水泥土攪拌樁，最可靠的質量檢驗方法是靜載荷試驗。對水泥土攪拌樁復合地基而言，也應進行靜載荷試驗，試驗結果應滿足設計要求。另外，標準貫入試驗或輕便觸探等動力試驗，也可用于水泥土攪拌樁的質量檢測。4）沉降觀測建筑物竣工后，還應進行沉降、側向位移等觀測，這是最為直觀的檢驗加固效果的理想方法。八、工程實例南京南湖新村攪拌