深层搅拌法在水工建筑物地基施工中的技术应用探讨.docx
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深层搅拌法在水工建筑物地基施工中的技术应用探讨
第一节概述
深层搅拌法是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过专用的深层搅拌机械，在地基土中边钻进，边喷射固化剂，边旋转搅拌，使固化剂与土体充分拌合，形成具有整体性和抗水性的水泥土或灰土桩柱体，以达到加固地基或防止渗漏的目的的工程措施。
搅拌桩柱体和桩周围土体可构成复合地基，也可相割搭接排成一列形成连续墙体，还可相割搭接成多排墙。
在水利水电工程中，深层搅拌法主要用于在水工建筑物地基中形成复合地基、在堤坝及其地基中形成连续的防渗墙等。
1深层搅拌技术的起源和发展
深层搅拌法分为石灰系搅拌法和水泥系搅拌法。
石灰系搅拌法于1967年由瑞典人提出，1974年将石灰粉体喷射搅拌桩用于路基和深基坑边坡支护。
同期，日本于1967年开始研制石灰搅拌施工机械，1974年开始在软土地基加固工程中应用。
我国于1983年初开始进行粉体喷射搅拌法加固软土的试验研究，并于1984年7月在广东省用于加固软土地基。
水泥系深层搅拌法于20世纪50年代初始于美国，1974年日本开发研制成功水泥搅拌固化法（CMC工法），用于加固堆场地基，深度达32m。
近年来研制出各种深层搅拌机械，用于防波堤、码头岸壁及高速公路高填方下的深厚软土地基加固工程。
我国于1977年10月开始进行水泥系搅拌法的室内试验和机械研制工作，于1978年末制造出第一台深层搅拌桩机及其配套设备，1980年首次在上海应用并获得成功。
水利工程中的应用始于1995年，最初主要是闸基、泵站地基采用深层搅拌桩构成复合地基，1996年用于沂沭河拦河坝坝基防渗，效果较好，当时为单头深层搅拌桩。
为了降低造价，提高工效，水利部淮委基础公司于1997年发明了多头小直径深层搅拌截渗技术，而后由北京振冲江河截渗公司研制出不同规格的多头深层搅拌施工设备。
这一技术进步推动了深层搅拌法在水利工程中的应用。
目前深层搅拌法已广泛应用于我国大江大河和湖泊的堤坝防渗工程，据不完全统计，全国七大江河及新疆等地建造的深层搅拌防渗墙面积已超过500万m2。
2深层搅拌法的分类
（1）按使用水泥的不同物理状态，分为浆体和粉体深层搅拌桩两类。
我国以水泥浆体深层搅拌桩应用较广，粉体深层搅拌桩宜用于含水量大于3０％的土体。
（2）按深层搅拌机械具有的搅拌头数，分为单头、双头和多头深层搅拌桩。
目前国内一机最多有六头，国外已有一机8头。
（3）根据桩体内是否有加筋材料，分为加筋和非加筋桩。
加筋材料一般采用毛竹、钢筋或轻型角钢等，以增强其抗弯强度。
日本的SMW工法在深层搅拌桩中插入H型钢。
深层搅拌形成的桩体的直径一般为200mm～800mm，形成的连续墙的厚度一般为120mm～300mm。
加固深度一般大于5.0m，国内最大加固深度已达27m，国外最大加固深度可达60m。
本章主要叙述以水泥浆为固化剂的非加筋深层搅拌桩和防渗墙的施工。
3水泥土的固化机理力学性质
3.1水泥土的固化机理
土体中喷入水泥浆再经搅拌拌和后，水泥和土有以下物理化学反应：
（1）水泥的水解和水化反应；
（2）离子交换与团粒化反应；（3）硬凝反应；（4）碳酸化反应。
水化反应减少了软土中的含水量，增加颗粒之间的粘结力；离子交换与团粒化作用可以形成坚固的联合体；硬凝反应又能增加水泥土的强度和足够的水稳定性；碳酸化反应还能进一步提高水泥土的强度。
在水泥土浆被搅拌达到流态的情况下，若保持孔口微微翻浆，则可形成密实的水泥土桩，而且水泥土浆在自重作用下可渗透填充被加固土体周围一定距离土层中的裂隙，在土层中形成大于搅拌桩径的影响区。
3.2水泥土的物理力学特性
3.2.1无侧限抗压强度
水泥土的无侧限抗压强度在０.3～4.0ＭＰa之间，在砂层可高达５.０ＭＰa以上，比天然软土强度提高许多倍。
水泥土的抗压强度受下列因素的影响。
（1）土质。
一般地说，初始性质较好的土，加固后强度增量较大，初始性质较差的土，加固后强度增量较小。
水泥土的强度与土的含砂量有关，当含砂量为40%～60%时，加固土强度达最大值。
在加固软粘土时，若在固化剂中掺加适量的细砂，既可提高加固土的强度，又可节约水泥用量。
（2）龄期。
水泥土的抗压强度随其加固龄期而增长。
我国《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）规定，对竖向承载的水泥土强度宜取90d龄期试块的立方体抗压强度平均值；对承受水平荷载的水泥土强度宜取28d龄期试块立方体抗压强度平均值（本章凡提到水泥土抗压强度未注明者均指28d强度）。
一般情况下，7d、28d、90d的水泥土强度之间有如下近似关系：
qu（28d）≈（1.6～2.1）qu（7d）；
qu（90d）≈（2.4～3.7）qu（7d）；
qu（90d）≈（1.4～1.8）qu（28d）。
（3）水泥掺入比。
水泥掺入比通常指水泥掺入重量与被加固土天然湿容重的比（％）。
在实际应用中，当水泥掺入比小于７％时，加固效果往往不能满足工程要求，而当掺入比大于１５％时，加固费用偏高。
因此，我国《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）规定水泥的掺入比以７％～１５％为宜。
对含水率大于１００％的土、孔隙率较大的杂填土或重要工程，常采用较高的水泥掺入比。
3.2.2抗剪强度
水泥土的抗剪强度随抗压强度提高而增大。
一般地说，当无侧限抗压强度qu＝0.5～4.0MPa时，其粘聚力c＝0.1～1.1MPa,内摩擦角约在20°～30°之间，抗剪强度相当于（0.2～0.3）qu。
3.2.3变形特性
水泥土的变形模量与无侧限抗压强度qu有关。
国内的研究认为：
当qu＝0.5～4.0MPa时，Ε28＝（100～150）qu；
日本未松（1983）的试验结果是：
当qu<1.5MPa时，Ε50＝（75～200）qu；当qu>1.5MPa时，Ε50＝（200～1000）qu；Ε50指水泥土加固50天后的变形模量。
3.2.4渗透系数
水泥土的渗透系数k随着加固龄期的增加和水泥掺入比的增加而减小，对于k>10-5cm/s的软土用10 ％的水泥加固一个月之后，一般地说，k值可减小到10-6cm/s以下，当水泥掺入比由10％增加至20％时，k值可进一步减小至10-7cm/s以下。
4深层搅拌法的适用范围
4.1适用土质
深层搅拌法适合于加固淤泥、淤泥质土和含水量较高而地基承载力小于140kPa的粘性土、粉质粘土、粉土、砂土等软土地基。
当土中含高岭石、多水高岭石、蒙脱石等矿物时，可取得最佳加固效果；土中含伊里石、氯化物和水铝英石等矿物时，或土的原始抗剪强度小于20kPa～30kPa时，加固效果较差。
当用于泥炭土或土中有机质含量较高，酸碱度较低（pH值<７）及地下水有侵蚀性时，宜通过试验确定其适用性。
当地表杂填土厚度大且含直径大于１００mm的石块或其他障碍物时，应将其清除后，再进行深层搅拌。
4.2适用工程
深层搅拌法由于对地基具有加固、支承、止水等多种功能，用途十分广泛，例如：
加固软土地基，以形成复合地基而支承水工建筑物、结构物基础；作为泵站、水闸等的深基坑和地下管道沟槽开挖的围护结构，同时还可作为止水帷幕；当在搅拌桩中插入型钢作为围护结构时，基坑开挖深度可加大；稳定边坡、河岸、桥台或高填方路堤，以及作为堤坝防渗墙等。
此外，由于搅拌桩施工时无震动、无噪音、无污染、一般不引起土体隆起或侧面挤出，故对环境的适应性强。
第二节施工机具
目前国内常用的深层搅拌桩机分动力头式及转盘式两大类。
动力头式深层搅拌桩机可采用液压马达或机械式电动机减速器。
这类搅拌桩机主电机悬吊在架子上，重心高，必须配有足够重量的底盘，另一方面，由于主电机与搅拌钻具连成一体，重量较大，因此可以不必配置加压装置。
转盘式深层搅拌桩机多采用大口径转盘，配置步履式底盘，主机安装在底盘上，安有链轮、链条加压装置。
其主要优点是：
重心低、比较稳定，钻进及提升速度易于控制。
1动力头式深层搅拌桩机
国内已经开发出动力头式单头和双头深层搅拌桩机，主要用于施工复合地基中的水泥土桩。
1．1单头深层搅拌桩机
单头深层搅拌桩机由以下部件构成：
（1）动力头。
由电动机、减速器组成，主要为搅拌提供动力；
（2）滑轮组。
主要由卷扬机、顶部滑轮组组成，使搅拌装置下沉或上提；
（3）搅拌轴。
由法兰及优质无缝钢管制成，其上端与减速器输出轴相连，下端与搅拌头相接，以传递扭矩；
（4）搅拌钻头。
采用带硬质合金齿的二叶片式搅拌头，搅拌叶片直径500mm～700mm；为防止施工时软土涌入输浆管，在输浆口设置单向球阀；当搅拌下沉时，球受水或土的上托力作用而堵住输浆管口；提管时，它被水泥浆推开，起到单向阀门的作用；
（5）钻架。
由钻塔、付腿、起落挑杆组成，起支承和起落搅拌装置的作用。
（6）底车架。
由底盘、轨道、枕木组成，起行走的作用。
（7）操作系统。
由操作台、配电箱组成，是主机的操作系统。
（8）制浆系统。
由挤压泵、集料斗、灰浆搅拌机、输浆管组成，主要作用是为主机提供水泥浆；
DJB-14D型深层搅拌桩机配套机械见图5-2-1。
单头深层搅拌装置见图5-2-2。
它们的主要技术参数见表5-2-1。
图5-2-1单头深层搅拌桩机配套机械示意图
1-顶部滑轮组；2-动力头；3-钻塔；4-搅拌轴；5-搅拌钻头；6-枕木；7-底盘；
8-起落挑杆；9-轨道；10-挤压泵；11-集料斗；12-灰浆搅拌机；13-操作台；
14-配电箱；15-卷扬机；16-付腿；
图5-2-2动力头式单头深层搅拌装置示意图
1-电缆接头；2-进浆口；3-电动机；4-搅拌轴；5-搅拌头
表5-2-1单头深层搅拌机械技术参数表
机型
GZB－600
DJB－14D
搅拌装置
搅拌轴数量（根）
1
1
搅拌叶片外径（mm）
600
500
搅拌轴转数（r/min）
50
60
电机功率（kW）
2×30
1×22
起吊设备
提升能力（kN）
150
50
提升高度（m）
14
19.5
提升速度（m/min）
0.6～1.0
0.95～1.20
接地压力（kPa）
60
40
制浆系统
灰浆拌制台数×容量（L）
2×500
2×200
灰浆泵量（L/min）
281（AP-15-B）
33（UBJ2）
灰浆泵工作压力（kPa）
1400
1500
生
产能力
一次加固桩面积（m2）
0.283
0.196
最大加固深度（m）
15.0
19.0
效率（m/台班）
60
100
总重量（t）
12
4
1.2双头深层搅拌桩机
双头深层搅拌桩机是在动力头式单头深层搅拌桩机基础上改进而成，其搅拌装置比单头搅拌桩机多了一个搅拌轴，可以一次施工两根桩。
其它组成和作用同动力头式单头深层搅拌桩机。
双头深层搅拌桩机配套机械示意图见图5-2-1。
SJB-1型双头深层搅拌桩机的搅拌装置见图5-2-3。
主要技术参数见表5-2-2。
图5-2-3双轴深层搅拌桩机搅拌装置图
1-输浆管；2-外壳；3-出水口；4-进水口；5-电动机；6-导向滑块；7-减速器；
8-中心管；9-搅拌轴；10-横向系板；11-球形阀；12-搅拌头。
表5-2-2双头深层搅拌机械技术参数表
机型
SJB－30
SJB－40
SJB－1
搅拌装置
搅拌轴数量（根）
2
2
2
搅拌叶片外径（mm）
700
700
700～800
搅拌轴转数（r/min）
43
43
46
电机功率（kW）
2×30
2×40
2×30
起吊设备
提升能力（kN）
>100
>100
>100
提升高度（m）
>14
>14
>14
提升速度（m/min）
0.2～1.0
0.2～1.0
0.2～1.0
接地压力（kPa）
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