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第11章水泥土攪拌法

(CementDeepMixing)水泥土攪拌法是利用水泥等材料作為固化劑通過特制的攪拌機(jī)械,就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌,使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥加固土,從而提高地基土強(qiáng)度和增大變形模量。11.1概述深層單軸攪拌機(jī)三軸水泥攪拌機(jī)水泥粉噴機(jī)水泥粉噴機(jī)底盤貯灰罐水泥粉噴機(jī)的攪拌葉片

水泥土攪拌法分為深層攪拌法(濕法)和粉體(水泥或石灰)噴攪法(干法)。

適用范圍:水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、粘性土以及無流動(dòng)地下水的飽和松散砂土等地基。當(dāng)?shù)鼗恋奶烊缓啃∮?0%、大于70%或地下水的pH值小于4時(shí)不宜采用干法。

發(fā)展概況:

(1)水泥漿液攪拌法:由美國在第二次世界大戰(zhàn)后研制成功的,稱為就地?cái)嚢铇叮∕IP)。國內(nèi)1978年研制出第一臺(tái)攪拌機(jī)械。

(2)粉體噴射攪拌法(DryJetMixingMethod,簡(jiǎn)稱DJM法):由瑞典人KjeldPaus于1967年提出設(shè)想,1971年制成第一根樁,1974年獲得專利。鐵四院1983年開始試驗(yàn)研究,并應(yīng)用于實(shí)際工程中。

特點(diǎn):

⑴基本不存在擠土效應(yīng),對(duì)周圍地基擾動(dòng)??;

⑵可根據(jù)不同土質(zhì)和工程設(shè)計(jì)要求,合理選擇固化劑及配方,應(yīng)用較為靈活;

⑶施工無振動(dòng),無噪音,污染小,可在市區(qū)和建筑物密集地帶施工;

⑷土體加固后,重度基本不變,軟弱下臥層不致產(chǎn)生較大附加沉降;

⑸結(jié)構(gòu)型式靈活多樣,可根據(jù)工程需要,選用柱狀、壁狀、格柵狀或塊狀。

(6)在負(fù)溫下制作的水泥土正溫后強(qiáng)度可繼續(xù)增長(zhǎng)且接近標(biāo)準(zhǔn)值,因此只要地溫不低于-10度,就可進(jìn)行深層攪拌法冬季施工。地基加固支護(hù)結(jié)構(gòu)

——

水泥土墻11.2加固機(jī)理一、加固機(jī)理

1.水泥的水解水化反應(yīng)2.土顆粒與水泥水化物的作用(1)離子交換和團(tuán)粒化作用(2)硬凝反應(yīng)3.碳酸化作用

⑴硅酸三鈣:在水泥中含量最高(50%),是決定強(qiáng)度的主要因素。⑵硅酸二鈣:在水泥中含量較高(25%),它主要產(chǎn)生后期強(qiáng)度。⑶鋁酸三鈣:占水泥總量的10%左右,水化速度最快,促進(jìn)早凝。⑷鐵鋁酸四鈣:占水泥總量的10%作用,能促進(jìn)早期強(qiáng)度。⑸硫酸鈣:含量3%左右,生成“水泥桿菌”狀的化合物,能將大量自由水一結(jié)晶水形式固定下來,使土中自由水減少。1.水泥的水解和水化反應(yīng)

(1)離子交換和團(tuán)粒化作用粘土顆粒帶負(fù)電,吸附陽離子,形成膠體分散體系。表面帶有鉀離子或鈉離子,可與水泥水化反應(yīng)的鈣離子進(jìn)行離子交換,產(chǎn)生凝聚,形成較大的團(tuán)粒,提高土體強(qiáng)度。(2)硬凝反應(yīng)在堿性環(huán)境下,溶液中析出大量的鈣離子,與二氧化硅或三氧化鋁產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),生成不溶于水的鋁酸鈣等結(jié)晶水化物。在水中和空氣中逐漸硬化,提高水泥強(qiáng)度,使水泥具有足夠的水穩(wěn)定性。2.粘土顆粒與水泥水化物的作用3.碳酸化作用

水泥水化物中游離的氫氧化鈣吸收水中和空氣中的二氧化鈣,發(fā)生碳酸化作用,生成不溶于水的碳酸鈣。水泥土

1.水泥土的物理性質(zhì)

(1)重度當(dāng)水泥摻入比在8%~20%之間,水泥土重度比原狀土增加約3%~6%。(2)含水量隨水泥摻合量的增大而降低,一般比原狀土降低15%~18%。(3)抗?jié)B性滲透系數(shù)k一般在10-8~10-9cm/s。二、水泥土的工程特性

2.水泥土的力學(xué)性質(zhì)

(1)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu在0.3~4.0MPa之間,比原狀土提高幾十倍乃至幾百倍。

(2)抗拉強(qiáng)度水泥土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度有一定關(guān)系,一般情況下,抗拉強(qiáng)度在(0.15~0.25)qu之間。

(3)抗剪強(qiáng)度當(dāng)水泥土qu=0.5~4MPa時(shí),其粘聚力C在100~1000KPa之間,其摩擦角在20~30之間。

(4)變形特性當(dāng)qu=0.5~4.0MPa時(shí),其50d后的變形模量相當(dāng)于(120~150)qu。1.水泥摻入比αw

水泥摻入比是指摻入土中水泥質(zhì)量與被加固軟土的濕重量比值的百分?jǐn)?shù)。水泥土的強(qiáng)度隨摻入比的增加呈增大的趨勢(shì)。2.齡期

水泥土強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)呈增大趨勢(shì),齡期超過28d后仍有明顯增長(zhǎng),90d后,強(qiáng)度增長(zhǎng)才減慢。

3.水泥標(biāo)號(hào)

水泥土強(qiáng)度隨水泥標(biāo)號(hào)的提高而增加。水泥標(biāo)號(hào)提高100號(hào),水泥強(qiáng)度約增大50~90%。三、影響水泥土力學(xué)性質(zhì)的主要因素

水泥土的強(qiáng)度隨地基含水量增大而降低。如圖水泥摻入比小于20%時(shí),水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨土中含水量降低而增加;大于20%時(shí),存在一個(gè)峰值。4.含水量5.天然地基土中的有機(jī)質(zhì)含量有機(jī)質(zhì)可使土具有較大的水容量和塑性、膨脹性及低滲透性,并使土的酸性增加,使水泥的水化反應(yīng)受到抑制。有機(jī)質(zhì)含量小的水泥土強(qiáng)度比有機(jī)質(zhì)含量高的水泥土強(qiáng)度高的多。

6.外加劑

外摻劑對(duì)水泥土強(qiáng)度有不同的影響。7.攪拌的均勻程度

施工時(shí)攪拌的均勻程度對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響很大。在攪拌時(shí)間相同的情況下,塑性指數(shù)越大,土的粘性越大,越難攪均勻;含水量和液性指數(shù)過低,易產(chǎn)生抱土現(xiàn)象,影響攪拌效果。(1)固化劑宜選用強(qiáng)度等級(jí)為32.5級(jí)以上的普通硅酸鹽水泥,水泥摻量宜為12%~20%。(2)樁長(zhǎng)宜穿透軟弱土層到達(dá)承載力相對(duì)較高的土層。濕法加固深度不宜大于20m,干法加固深度不宜大于15m。11.3設(shè)計(jì)計(jì)算

(3)加固范圍和平面布置加固范圍:水泥攪拌樁既與鋼筋混凝土樁不一樣,也與散體材料樁不一樣,其剛度介于兩者之間,因此其加固范圍可僅布置在基礎(chǔ)范圍內(nèi),而不必像散體材料一樣,在基礎(chǔ)以外設(shè)置保護(hù)樁。布樁形式:樁位的平面布置可采用等邊三角形和正方形等形式。布樁形式應(yīng)根據(jù)地基土性質(zhì)及上部建筑對(duì)變形的要求進(jìn)行選擇,可采用柱狀、壁狀、格柵狀、塊狀等不同形式。b)c)a)d)a.柱狀b.壁狀c.格柵狀d.塊狀柱狀:每隔一定的距離打設(shè)一根攪拌樁,即成為柱狀加固形式。適合處理局部飽和軟粘土夾層和表層與樁端土質(zhì)較好的建筑物地基。適用于單層工業(yè)廠房獨(dú)立柱基礎(chǔ)和多層房屋條形基礎(chǔ)下的地基加固。

壁狀和格柵狀:將相鄰攪拌樁部分重疊搭接成為壁狀加固形式。適用于深基坑開挖時(shí)邊坡加固以及建筑物長(zhǎng)高比較大、剛度較小,對(duì)不均勻沉降比較敏感的多層磚混結(jié)構(gòu)房屋條形基礎(chǔ)下的地基加固。

塊狀:由縱橫兩個(gè)方向的相鄰攪拌樁搭接而成。適用于上部結(jié)構(gòu)單位面積荷載大,不均勻沉降控制嚴(yán)格的構(gòu)筑物地基。在軟土地區(qū)開挖深基坑時(shí),為防止基坑隆起或增大坑底土的被動(dòng)土壓力及對(duì)基坑進(jìn)行封底隔滲處理等也常采用塊狀加固形式。(4)樁徑

常用樁徑500~700mm。(5)承載力初步設(shè)計(jì)時(shí)按下式估算:式中Ra——單樁豎向承載力特征值(kN);Ap——樁的截面積(m2);β——樁間土承載力折減系數(shù)。當(dāng)樁端土未經(jīng)修正的承載力特征值大于樁間土的承載力特征值的平均值時(shí),取0.1~0.4,差值大時(shí)取低值;否則取0.5~0.9,差值大時(shí)或設(shè)置褥墊層時(shí)均取高值。式中——與攪拌樁樁身水泥配比相同的室內(nèi)加固土試塊(邊長(zhǎng)70.7mm的立方體)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值(kPa);η——樁身強(qiáng)度折減系數(shù),干法可取0.20~0.30,濕法可取0.25~0.33;up——樁的周長(zhǎng)(m);

單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定。也可由下兩式估算,取小值。n——樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);

qsi——樁周第i層土的側(cè)阻力特征值。對(duì)淤泥可取4~7kPa;對(duì)淤泥質(zhì)土可取6~12kPa;對(duì)軟塑狀態(tài)的粘性土可取10~15kPa;對(duì)可塑狀態(tài)的粘性土可取12~18kPa;

li——樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度(m);

qp——樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值(kPa),可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007的有關(guān)規(guī)定確定;α——樁端天然地基土的承載力折減系數(shù),可取0.4~0.6。(6)墊層應(yīng)在基礎(chǔ)和樁之間設(shè)置200~300mm厚褥墊層,其材料可選用中砂、粗砂、級(jí)配砂石等,最大粒徑不宜大于20mm。(7)沉降計(jì)算水泥土攪拌樁復(fù)合地基的變形包括復(fù)合土層的平均壓縮變形與樁端下未加固土層的壓縮變形。復(fù)合土層壓縮變形可按下式計(jì)算:

Ep——水泥土攪拌樁的壓縮模量,可取(100~120)fcu(kPa),對(duì)樁較短或樁身強(qiáng)度較低者可取低值。樁端以下未加固土層的壓縮變形按天然地基采用分層總和法進(jìn)行計(jì)算。

水泥土攪拌法的施工步驟為:

(1)攪拌機(jī)就位、調(diào)平;(2)預(yù)攪下沉至設(shè)計(jì)加固深度;

(3)邊噴漿(粉)、邊攪拌提升直至預(yù)定的停漿(灰)面;(4)重復(fù)攪拌下沉至設(shè)計(jì)加固深度;

(5)根據(jù)設(shè)計(jì)要求,噴漿(粉)或僅攪拌提升直至預(yù)定的停漿(灰)面;

(6)關(guān)閉攪拌機(jī)械。11.4施工深層攪拌法施工工藝流程定位預(yù)攪拌下沉噴漿攪拌上升重復(fù)攪拌下沉重復(fù)攪拌上升完畢

一、施工質(zhì)量檢驗(yàn)(1)成樁7d后,采用淺部開挖樁頭,目測(cè)檢查攪拌的均勻性,量測(cè)成樁直徑。檢查量為總樁數(shù)的5%。(2)成樁后3d內(nèi),可用輕型動(dòng)力觸探(N10)檢查每米樁身的均勻性,檢驗(yàn)數(shù)量為總樁數(shù)的1%,且不少于3根。11.5質(zhì)量檢驗(yàn)二、竣工驗(yàn)收檢測(cè)

(1)豎向承載水泥土攪拌樁地基竣工驗(yàn)收時(shí),承載力檢驗(yàn)應(yīng)采用復(fù)合地基載荷試驗(yàn)和單樁載荷試驗(yàn)。(2)載荷試驗(yàn)宜在成樁28d后進(jìn)行。檢驗(yàn)數(shù)量為總樁數(shù)的0

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