水泥土搅拌桩原理与施工工艺Word格式.docx

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　　从扫描电子显微镜观察中可见，拌入水泥7天时，土颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水泥水化物结晶的萌芽。

一个月后水泥土中生成大量纤维状结晶，并非断延伸充填到颗粒间的孔隙中，形成网状构造。

到五个月时，纤维状结晶辐射问外伸展，产生分叉，并彼此连结形成空间网状结构，水泥的形状和土颗粒的形状已不能分辨出来。

　　3.碳酸化作用　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，发生碳酸化反映，生成不溶于水的碳酸钙，这种反映也能使水泥土增增强度，但增加的速度较慢，幅度也较小。

　　从水泥土的加固机理分析，由于搅拌机械的切削搅拌作用，实际上不可避免地会留下一些未被粉碎的大小土团。

在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象，而土团间的大孔隙大体上已被水泥颗粒填满。

所以，加固后的水泥土中形成一些水泥较多的微区，而在大小土团内部则没有水泥。

只有通过较长的时刻，土团内的土颗粒在水泥水解产物渗透作用下，才逐渐改变其性质。

因此在水泥土中不可避免地会产生强度较大和水稳性较好的水泥石区和强度较低的土块区。

二者在空间彼此交替，从而形成一种独特的水泥土结构。

可见，搅拌越充分，土块被粉碎得越小，水泥散布到土中越均匀，则水泥土结构强度的离散性越小，其宏观的整体强度也最高。

3、水泥加固土工程性能

　　水泥掺入比为

掺加的水泥重量

= 

×

100％

被加固软土的湿重量

或

掺加的水泥重量

水泥掺量= 

（kg/m3）

被加固土的体积

（1）水泥土的物理性质

　　1）含水量　水泥土在硬凝进程中，由于水泥水化等反映，使部份自由水以结晶水的形式固定下来，故水泥土的含水量略低于原土样的含水量，水泥土含水量比原土样含水量减少%～%，且随着水泥掺入比的增加而减小。

　　2）重度　由于拌入软土中的水泥浆的重度与软土的重度相近，所以水泥土的重度与天然软土的重度相差不大，水泥土的重度仅比天然软上重度增如%～%，所以采用水泥土搅拌法加固厚层软土地基时，其加固部份对于下部未加固部份不致产生过大的附加荷重，也不会产生较大的附加沉降。

　　3）相对密度　由于水泥的相对密度为，比一般软土的相对密度～为大，故水泥土的相对密度比天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%～%。

　　4）渗透系数　水泥土的渗透系数随水泥掺入比的增大和养护龄期的增加而减小，一般可达10-5～10-8cm/s数量级。

对于上海地域的淤泥质粘土，垂直向渗透系数也能达到10-8cm/s数量级，但这层土常局部夹有薄层粉砂，水平向渗透系数往往高于垂直向渗透系数，一般为10-4cm/s数量级。

因此，水泥加固淤泥质粘土能减小原天然土层的水平向渗透系数，而对垂直向渗透性的改善，效果不显著。

水泥土减小了天然软土的水平向渗透性，这对深基坑施工是有利的，可利用它作为防渗帷幕。

（2）水泥土的力学性质

　　1）无侧限抗压强度及其影响因素　水泥土的无侧限抗压强度一般为300～4000kPa，即比天然软土大几十倍至数百倍。

其变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑体之间。

　　影响水泥土的无侧限抗压强度的因素有：

水泥掺入比、水泥标号、龄期、含水量、有机质含量、外掺剂、养护条件及土性等。

下面按如实验结果来分析影响水泥土抗压强度的一些主要因素。

　　①水泥掺入比对强度的影响

　　水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大，当<

5%时，由于水泥与土的反映过弱，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需大于7%。

　　按如实验结果分析，发觉当其它条件相同时，某水泥掺入比的强度与水泥掺入比=12%的强度的比值/与水泥掺入比的关系有较好的归一化性质。

由回归分析取得:

/与呈幂函数关系，其关系式如下:

（4.2.4-1）

　（相关系数=，剩余标准差=，子样数=7）

　　上式适用的条件是:

＝（5～16）%。

　　在其它条件相同的前提下两个不同水泥掺入比的水泥土的无侧限抗压强度之比值随水泥掺入比之比的增大而增大。

经回归分析取得二者呈幂函数关系，其经验方程式为:

（4.2.4-2）

　　（=,=,=14）

式中　——水泥掺入比为的无侧限抗压强度;

　　　——水泥掺入比为的无侧限抗压强度。

＝（5～20）%；

/＝～。

　　②龄期对强度的影响

　　水泥土的强度随着龄期的增加而提高，一般在龄期超过28d后仍有明显增加，按如实验结果的回归分析,取得在其它条件相同时，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，这些关系式如下:

　　　　　　=～　　　　　 

=～　　

　　　　　　=～　　　　=～

　　　　　　=～ 

　　=～　

上式、、、、别离为7d、14d、28d、60d和90d龄期的水泥土无侧限抗压强度。

　　当龄期超过3个月后，水泥土的强度增加才减缓。

一样，据电子显徽镜观察，水泥和土的硬凝反映约需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。

一般情形下，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。

　　回归分析还发此刻其它条件相同时,某个龄期（）的无侧限抗压强度与28天龄期的无侧限抗压强度的比值与龄期的关系具有较好的归一化性质,且大致呈幂函数关系。

其关系式如下:

（4.2.4-3）

　　（=，=，=5）

　　上式中龄期的适用范围是（7～90）天。

　　在其它条件相同的前提下，两个不同龄期的水泥土的无侧限抗压强度之比随龄期之比的增大而增大。

　（4.2.4-4）

　　（=，=，=9）

式中　──龄期为的无侧限抗压强度;

　　　──龄期为的无侧限抗压强度。

　　上式适用的条件是：

=（7～90）天；

＝～和＝～。

　　综合考虑水泥掺入比与龄期的影响，经回归分析，取得如下经验关系式:

　　　　　　　　　　　　　　（4.2.4-5）

式中　──水泥掺入比为龄期为的无侧限抗压强度;

　　　──水泥掺入比为龄期为的无侧限抗压强度。

　　上式成立的条件是：

＝（5～20）%，/=～；

=（7～90）天。

当＝时,应采用式（10-10）；

当＝时,应采用式（10-2）。

　　③水泥标号对强度的影响

　　水泥土的强度随水泥标号的提高而增加。

水泥标号提高100号，水泥土的强度约增大（50～90）%。

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）%。

　　④土样含水量对强度的影响

　　水泥土的无侧限抗压强度随着土样含水量的降低而增大，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。

一般情形下，土样含水量每降低10％，则强度可增加（10～50）%。

　　⑤土样中有机质含量对强度影响

　　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映的进行。

因此，有机质含量高的软土，单纯用水泥加固的效果较差。

　　⑥外掺剂对强度的影响

　　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加影响不大，主要起减水作用。

石膏、三乙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，所以选择适合的外掺剂可提高水泥土强度和节约水泥用量。

　　一般早强剂可选用三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠或水玻璃等材料，其掺入量宜别离取水泥重量的%、2%、%和2%；

减水剂可选用木质素磺酸钙，其掺入量宜取水泥重量的%；

石膏兼有缓凝和早强的双重作用，其掺入量宜取水泥重量的2%。

　　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加。

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，还可略微提高水泥土的强度。

　　⑦养护方式

　　养护方式对水泥土的强度影响主要表此刻养护环境的湿度和温度。

　　国内外实验资料都说明，养护方式对短龄期水泥土强度的影响专门大，随着时刻的增加，不同养护方式下的水泥土无侧限抗压强度趋于一致，说明养护方式对水泥土后期强度的影响较小。

　　2）抗拉强度　水泥土的抗拉强度随无侧限抗压强度的增加而提高。

当水泥土的抗压强度＝～时，其抗拉强度＝～，即＝～。

　　抗压与抗拉这两类强度有紧密关系，按如实验结果的回归分析，取得水泥土抗拉强度与其无侧限抗压强度有幂函数关系:

　（4.2.4-6）

　　（=，=，=12）

＝～。

　　3）抗剪强度　水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。

当＝～时，其粘聚力=～，一般约为的（20～30）%，其内摩擦角转变在20°

～30°

之间。

　　水泥土在三轴剪切实验中受剪破坏时，试件有清楚而平整的剪切面，剪切面与最大主应力面夹角约60°

。

　　按照作者实验结果的回归分析，取得水泥土的内聚力与其无侧限抗压强度大致呈幂函数关系，其关系式如下:

（4.2.4-7）

　　4）变形模量　当垂直应力达50％无侧限抗压强度时，水泥土的应力与应变的比值，称之为水泥土的变形模量。

当＝～时，其变形模量＝10～550MPa，即＝（80～150）。

　　按如实验结果的线性回归分析，取得与大致呈正比关系，它们的关系式为:

　　　　　　　=126　　　　　　　 

（4.2.4-8）

　　（=，=，=16）

　　5）紧缩系数和紧缩模量　水泥土的紧缩系数约为～×

10-5（kPa）-1，其相应的紧缩模量＝（60～100）MPa。

　　（3）水泥土抗冻性能　水泥土试件在自然负温下进行抗冻实验表明，其外观无显著转变，仅少数试块表面出现裂痕，并有局部微膨胀或出现片状剥落及边角脱落，但深度及面积均不

大，可见自然冰冻不会造成水泥土深部的结构破坏。

4、设计计算

（1）单桩竖向承载力的设计计算　单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷实验肯定。

初步设计时也可按式（4.2.4-15）估算。

并应同时知足式的要求，应使由桩身材料强度肯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：

（4.2.4-9）

（4.2.4-10）

式中 

——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为70.7mm的立方体，也可采用边长为50mm的立方体）在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（kPa）；

——桩身强度折减系数，干法可取～；

湿法可取～；

——桩的周长（m）；

——桩长范围内所划分的土层数；

——桩周第i层土的侧阻力特征值。

对淤泥可取4～7kPa；

对淤泥质土可取6～12kPa；

对软塑状态的粘性土可取10～15kPa；

对可塑状态的粘性土能够取12～18kPa；

——桩长范围内第i层土的厚度（m）；

——桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa），可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）的有关规定肯定；

——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取~，承载力高时取低值。

（2）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实验肯定，也可按下式计算：

（4.2.4-11）

式中　──复合地基承载力特征值（kPa）;

　──面积置换率；

──桩的截面积（m2）；

　──桩间天然地基土承载力特征值（kPa），可取天然地基承载力特征值；

　──桩间土承载力折减系数，当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取～，差值大时取低值；

当桩端土未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取～，差值大时或设置褥垫层时均取高值。

　　　──单桩竖向承载力特征值（kN）。

　　按照设计要求的单桩竖向承载力特征值和复合地基承载力特征值计算搅拌桩的置换率和总桩数：

（4.2.4-12）

（4.2.4-13）

式中　──地基加固的面积（m2）。

竖向承载搅拌桩复合地基应在基础和桩之间设置褥垫层。

褥垫层厚度可取200—300mm。

其材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于20mm。

当搅拌桩处置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》（GB50007-2002）的有关规定进行下卧层承载力验算。

（3）水泥土搅拌桩沉降验算 

竖向承载搅拌桩复合地基的变形包括搅拌桩复合土层的平均紧缩变形s1与桩端下未加固土层的紧缩变形s2:

1）搅拌桩复合土层的紧缩变形可按下式计算：

（4.2.4-14）

——搅拌桩复合土层顶面的附加压力值（kPa）；

——搅拌桩复合土层底面的附加压力值（kPa）；

——搅拌桩复合土层的紧缩模量（kPa）；

——搅拌桩的紧缩模量，可取（100～120） 

（kPa）。

对桩较短或桩身强度较低者可取低值，反之可取高值；

——桩间土的紧缩模量（kPa）。

2）桩端以下未加固土层的紧缩变形可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）的有关规定进行计算。

　　（4）复合地基设计

　　软土地域的建筑物，都是在知足强度要求的条件下以沉降进行控制的，应采用以下设计思路:

　　①按照地层结构采用适当的方式进行沉降计算，由建筑物对变形的要求肯定加固深度，即选择施工桩长;

　　②按照土质条件、固化剂掺量、室内配比实验资料和现场工程经验选择桩身强度和水泥掺入量及有关施工参数。

按照工程经验，当水泥掺入比为12%左右时，桩身强度一般可达～;

　　③按照桩身强度的大小及桩的断面尺寸，由（4.2.4-16）式计算单桩承载力;

　　④按照单桩承载力及土质条件，由（4.2.4-15）式计算有效桩长;

　　⑤按照单桩承载力、有效桩长和上部结构要求达到的复合地基承载力，由（4.2.4-18）式计算桩土面积置换率;

　　⑥按照桩土面积置换率和基础型式进行布桩，桩可只在基础平面范围内布置。

五、施工工艺

水泥土搅拌法施工现场事前应予以平整，必需清除地上和地下的障碍物。

遇有明浜、水池及洼地时应抽水和清淤，回填粘性土料并予以压实，不得回填杂填土或生活垃圾。

水泥土搅拌桩施工前应按照设计进行工艺性试桩，数量不得少于2根。

当桩周为成层土时，应对相对软弱土层增加搅拌次数或增加水泥掺量。

搅拌头翼片的枚数、宽度、与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、提升速度应彼此匹配，以确保加固深度范围内土体的任何一点均能通过20次以上的搅拌。

竖向承载搅拌桩施工时，停浆（灰）面应高于桩顶设计标高300～500mm。

在开挖基坑时，应将搅拌桩顶端施工质量较差的桩段用人工挖除。

施工中应维持搅拌桩机底盘的水平和导向架的竖直，搅拌桩的垂直误差不得超过1％；

桩位的误差不得大于50mm；

成桩直径和桩长不得小于设计值。

水泥土搅拌法施工步骤由于湿法和干法的施工设备不同而略有不同。

其主要步骤应为：

①搅拌机械就位、调平；

②预搅下沉至设计加固深度；

③边喷浆（粉）、边搅拌提升直至预定的停浆（灰）面；

④重复搅拌下沉至设计加固深度；

⑤按照设计要求，喷浆（粉）或仅搅拌提升直至预定的停浆（灰）面；

⑥关闭搅拌机械。

在预（复）搅下沉时，也可采用喷浆（粉）的施工工艺，但必需确保全桩长上下至少再重复搅拌一次。

（1）水泥浆搅拌法

　　施工注意事项：

　　1）现场场地应予平整，必需清除地上和地下一切障碍物。

明浜、暗塘及场地低洼时应抽水和清淤，分层夯实回填粘性土料，不得回填杂填土或生活垃圾。

开机前必需调试，检查桩机运转和输浆管畅通情形。

　　2）按如实际施工经验，水泥土搅拌法在施工到顶端～0.5m范围时，因上覆压力较小，搅拌质量较差。

因此，其场地整平标高应比设计肯定的基底标高再高出～0.5m，桩制作时仍施工到地面，待开挖基坑时，再将上部～0.5m的桩身质量较差的桩段挖去。

而对于基础埋深较大时，取下限；

反之，则取上限。

　　3）搅拌桩垂直度误差不得超过1%，桩位布置误差不得大于50mm，桩径误差不得大于4%。

　　4）施工前应肯定搅拌机械的灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管抵达搅拌机喷浆口的时刻和起吊设备提升速度等施工参数；

并按照设计要求通过成桩实验，肯定搅拌桩的配比等各项参数和施工工艺。

宜用流量泵控制输浆速度，使注浆泵出口压力维持在～，并应使搅拌提升速度与输浆速度同步。

　　5）制备好的浆液不得离析，泵送必需持续。

拌制浆液的罐数、固化剂和外掺剂的用量和泵送浆液的时刻等应有专人记录。

　　6）为保证桩端施工质量，当浆液达到出浆口后，应喷浆座底30s，使浆液完全抵达桩端。

专门是设计中考虑桩端承载力时，该点尤其重要。

　　7）预搅下沉时不宜冲水，当碰到较硬土层下沉太慢时，方可适量冲水，但应考虑冲水成桩对桩身强度的影响。

　　8）可通过复喷的方式达到桩身强度为变参数的目的。

搅拌次数以1次喷浆2次搅拌或2次喷浆3次搅拌为宜，且最后1次提升搅拌宜采用慢速提升。

当喷浆口抵达桩顶标高时，宜停止提升，搅拌数秒，以保证桩头的均匀密实。

　　9）施工时因故停浆，宜将搅拌机下沉至停浆点以下0.5m，待恢复供浆时再喷浆提升。

若停机超过3h，为避免浆液硬结堵管，宜先拆卸输浆管路，妥为清洗。

　　10）壁状加固时，桩与桩的搭接时刻不该大于24h，如因特殊原因超过上述时刻，应对最后一根桩先进行空钻留出榫头以待下一批桩搭接，如间歇时刻太长（如停电等），与第二根无法搭接；

应在设计和建设单位认可后，采取局部补桩或注浆办法。

　　11）搅拌机凝浆提升的速度和次数必需符合施工工艺的要求，应有专人记录搅拌机每米下沉和提升的时刻。

深度记录误差不得大于100mm，时刻记录误差不得大于5s。

　　12）按照现场实践表明，当水泥土搅拌桩作为承重桩进行基坑开挖时，桩顶和桩身已有必然的强度，若用机械开挖基坑，往往容易碰撞损坏桩顶，因此基底标高以上0.3m宜采用人工开挖，以保护桩头质量。

这点对保证处置效果尤其重要，应引发足够的重视。

（2）粉体喷射搅拌法

　　施工中须注意的事项：

1）喷粉施工前应仔细检查搅拌机械、供粉泵、送气（粉）管路、接头和阀门的密封性、靠得住性。

送气（粉）管路的长度不宜大于60m。

2）喷粉施工机械必需配置经国家计量部门确认的具有能瞬时检测并记录出粉量的粉体计量装置及搅拌深度自动记录仪。

3）搅拌头每旋转一周，其提升高度不得超过16mm。

4）施工机械、电气设备、仪表仪器及机具等，在确认完好后方准利用。

　　5）在建筑物旧址或回填地域施工时，应预先进行桩位探测，并清除己探明的障碍物。

　　6）桩体施工