水泥土搅拌桩复合地基袁内镇老师Word文件下载.docx
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苏联在1970年研究功一种淤泥水泥土桩，用于港湾建设工程中。
淤泥含水量高达100%～120%，但掺加10～15%的水泥后，半年龄期强度可达3MPa，较钢筋混凝土桩的造价低40%。
国内由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院于1977年在塘沽新港开始进行机械考核和搅拌工艺试验。
1980年初上海宝山钢铁总厂的三座卷管设备基础，采用了深层搅拌处理软土地基，获得了成功。
同年11月由冶金部主持通过了“饱和软粘土深层搅拌加固技术”鉴定，开始了推广应用。
同时开发了单轴粉浆两用机。
1980年初天津市机械施工公司与交通部一航局科研所等单位合作，利用日本进口螺旋钻孔机，改装制成单搅拌轴、叶片输浆型深层搅拌机（GZB-600型，后来又开发了600型双轴叶片喷浆搅拌机）。
尔后，浙江大学和浙江临海市一建公司机械施工处共同研究成功DSJ-Ⅱ型单头深层搅拌机，最大加固深度20～22m，桩径Φ400～700mm，单轴搅拌机可适用于喷浆（CMD法）喷粉（DJM法）。
粉体喷射搅拌法（DJM），最早由瑞典人KjeldPaus于1967年提出，1971年成功采用喷射石灰粉加固15m厚软土。
作为日本建设省综合开发计划中有关“地基加固新技术开发”的一部分，以建设省土木研究所（施工技术研究室）和日本建设机械化协会（建设机械化研究所）为中心，在1977年至1979年开发了专项技术，由于开发了在土中分离加固材料与空气以及排出空气的技术，使工法达到了实用化，DJM法采用了压缩空气连续通过钻杆向土中喷射水泥粉的技术。
搅拌机有单轴和双轴，标准搅拌直径1000mm，深度达33m。
1983年铁道部第四勘测设计院开始进行粉体喷射（石灰粉）搅拌法的试验研究，1984年在广东省云浮硫酸铁矿铁路专用线盖板箱涵软土地基加固工程中应用。
使用的深层搅拌机是铁道部第四勘测设计院和上海探矿机械厂共同开发的单头GPP—5型桩机，桩径Φ500mm，桩长8m。
经过几年的实践和改进，上海探矿机械厂，铁道部武汉工程机械研究所等厂家纷纷生产了步履式单头粉喷搅拌机GPP型和PH型等，桩长可达14～20m，桩径Φ500mm。
铁道部第四设计院与空军雷达学院共同开发的GS—1型气固两相粉体流量计，使计量监控有了发展。
这些粉喷机目前多数采用水泥粉喷射，喷射生石灰粉者很少。
铁道部科学研究院1988年研制成功DDG—2型工程钻机，配以泥浆泵和粉喷机等可以进行浅层水泥浆搅拌和粉喷搅拌，加固深度6m，成孔直径200mm，可作60°
的斜搅，主要用于整治路基及道床病害。
上世纪80年代日本在CDM工法的基础上开发了一种名叫SMW工法的技术，采用三轴搅拌机在施工水泥土地下连续墙的过程可实现套孔搅拌，保证了水泥土墙的止水效果，是目前基坑工程止水帷幕常用的有效方法。
在基坑支护被动区软土加固中也常用三轴搅拌机进行施工。
在连续的水泥搅拌墙中插入型钢形成抵抗土压力的同时兼作止水帷幕的水泥土型钢挡墙称为SMW工法，上海市已形成地方标准，建设部也颁布了行业标准。
近几年我国又从日本引进了TRD工法，该工法类似地下连续墙双轮铣的形式可施工水泥土地下连续墙，墙厚0.7m～1.0m，成墙深度可达60m。
二、应用范围
深层搅拌水泥土桩问世以来，发展迅速，应用广泛。
日本大量用于各种建筑物的地基加固、稳定边坡、防止液化、防止负摩擦等。
CDM法在日本及其它发达国家还广泛用于海上工程，如海底盾构稳定掘进、人工岛海底地基加固，桥墩基础地基加固、岸壁码头地基加固、护岸及防波堤地基的加固等等。
由于日本国的特殊环境，其海上工程的投入相当巨大，也促进了CDM工法的迅速发展。
国外的深层搅拌机械采用了高新技术，动力功率大，穿透能力强，实现了施工监控的自动化，确保了施工质量，目前尚未见到失败的工程例证。
其工程应用中，设计方法比较保守，置换率高达40%～80%，桩体设计强度取值一般不超过0.6MPa。
由于理论研究投入不够，没有取得完整的应力场和变形场数据，使其设计方法不尽人意。
上世纪70～80年代，我国的水泥土搅拌桩广泛应用于多层建筑的软基处理、基坑支护重力式挡墙、基坑止水帷幕或被动区加固、路基软基加固、堆载场地加固等领域，少数高层建筑也采用过水泥土搅拌桩复合地基。
由于我国研发的搅拌机械为轻型机械，功率较小、穿透能力不足，规范规定仅适用于fak=140kPa以下的软土，应用范围受到限制，同时也出现了不少质量事故。
20世纪90年代水泥土搅拌桩已淡出建筑物地基处理，但在路基、堆载场地软基加固及基坑工程中的应用仍长盛不衰。
本世纪初SMW工法在我国发展迅速，除了在基坑支护结构支护中大量应用外，还采用三轴搅拌机械施工止水帷幕，效果良好。
三一重工等厂家生产的国产单轴、三轴搅拌机已接近国际先进水平。
其显著的特点是加固深度大、穿透能力强、效率高，加固深度已达35m，拓宽了应用范围，不再局限于软土中，在中密粉细砂、中密粉土、稍密中细砂中均可应用。
因此规范取消了不能用于承载力特征值高于140kPa土中的限制。
三、水泥土桩的作用机理
水泥土桩是水泥或水泥系固化材料与土混合形成的桩，由于土质的不同，其固化机理也有差别。
用于砂性土时，水泥土的固化原理类同于建筑上常用的水泥砂浆，具有很高的强度，固化时间也相对较短。
用于粘性土时，由于水泥掺量有限（7%～20%），且粘粒具有很大的比表面积并含有一定的活性物质，所以固化机理比较复杂，硬化速度也比较缓慢。
水泥土桩作成块体用来挡土隔水或直接用作建筑物的地基或基础等，主要考虑混合体本身的固化机理，作为复合地基处理时，尚要涉及桩间土力学性质的变化。
（一）水泥土的固化原理
1、水泥的水解和水化反应
水泥的主要成分有氧化硅、氧化钙、氧化铝，还有氧化铁、氧化硫等。
这些氧化物分别组成不同的水泥矿物，有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。
上述水泥矿物和水化合后，产生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁铝酸钙等化合物。
其主要反应通式归纳为：
水泥+H2O→CSH+Ca（OH）2（7.3-1）
水泥+H2O→CAH（7.3-2）
上述水泥水化物CSH、CAH及Ca（OH）2生成后，能迅速溶于水，直至饱和。
此时水分子虽然能继续深入水泥颗粒，与水泥矿物产生反应，但新生物已不能再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，上述反应称为水泥的水解水化反应。
这些凝胶粒子有的自身硬化，形成水泥石骨架，有的则与其周围的具有一定活性的粘粒发生反应，这种反应即所谓的离子交换团粒化作用和凝硬反应。
2、离子交换团粒化作用
粘土作为一个多相散布系，和水结合时就表现出一般的胶体特征。
土中含量最高的SiO2遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带有钠离子Na+或钾离子K+，它们能和水泥水化生成的Ca（OH）2中的钙离子Ca++进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的团粒，从而使土的强度提高。
水泥水化物的凝胶粒子的比表面积比原来水泥颗粒大1000倍左右，因而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团之间的空隙，形成坚固的连结。
从宏观上来看，可使水泥土的强度进一步提高。
3、凝硬反应
随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过上述离子交换的需要量后，则在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅、三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，生成不溶于水的稳定的结晶化合物。
其反应通式为：
Ca+++2（OH）-+SiO2→CSH（7.3-3）
Ca+++2（OH）-+Al2O3→CAH（7.3-4）
根据电子显微镜扫描，X射线衍射和差热分析得知这些结晶物大致是属于铝酸钙水化物CAH系的4CaO·
Al2O3·
13H2O、3CaO·
6H2O、CaO·
10H2O等；
属于硅酸钙水化物CSH系的4CaO·
5SiO3·
5H2O等，还有钙黄长石水化物2CaO·
SiO3·
6H2O等。
这些新生的化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土强度，而且由于其结构致密，水分不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳性。
至于碳酸化反应，由于土中CO2的含量很少，且反应缓慢，其固化效果不予考虑。
4、水泥系固化剂的固化原理
以上为使用水泥的固化原理。
如果使用水泥系固化材料，则因为水泥系固化材料中除水泥外尚加入了火山灰类材料或无机化合物（硫酸钙等）通过火山灰反应可以生成各种水化物，如硫酸铝酸钙、钙矾石、碳酸铝酸钙等，其分子式分别为3CaO·
CaSO4·
12H2O，3CaO·
3CaSO4·
32H2O，3CaO·
CaCO3·
11H2O。
这些水化物有助于水泥土的强度增长。
（二）水泥土桩复合地基桩间土的性状
关于混合体以外土的性状有无改善的问题，经测试认为，虽然固化材料可以从混合体向周围渗透，但其反应缓慢，渗透范围有限，应用中不予考虑。
因此，桩间土仍采用天然地基的力学指标。
至于粉喷时水泥粉吸水所产生的影响也忽略不计。
当水泥土桩作为复合地基中的竖向增强体时，由于水泥土桩界于柔性桩与刚性桩之间，在软土中主要呈现了桩体的作用，在正常置换率的情况下，桩分担了大部分荷载，桩通过侧阻力和端阻力将荷载传至深层土中，在桩和土共同承担荷载的过程中，土中高应力区增大，从而提高了地基的承载力，复合地基还具有垫层的扩散作用。
四、桩体材料
水泥土桩的桩体材料由固化材料、混合料和水所组成。
固化材料以水泥为主，深层搅拌水泥土桩的混合料是原位土，而夯实水泥土桩的混合料可以是原位土（碴），也可以采用性能更好的土（碴）。
以满足加固要求和提高混合体强度以及降低造价为主要目的，对桩体材料的选用至关重要。
（一）固化材料
1、分类
水泥土桩的固化材料分为两大类，一类是水泥，一类是水泥系固化材料。
这两种固化材料对砂性土混合体强度影响不大，但对粘性土特别是腐植土则表现出不同的效果。
关于水泥系固化材料的解释，日本学者认为，水泥加火山灰质材料和无机化合物时称水泥系固化材料。
火山灰质材料包括粉煤灰、高炉水淬矿渣、火山灰等。
无机化合物包括硫酸钙、氯化钙等。
我国把水泥与废石膏和活性废渣按不同比例配制的各种固化剂统称为水泥系固化剂。
从节约出发，强调采用工业废料。
2、水泥系固化材料
水泥系固化材料主要用于采用水泥固化效果不好的特殊环境，例如腐植土、孔隙水中CaO、OH-浓度较小的土、需要抵抗硫酸盐腐蚀的工程等，也在为了满足工程使用或施工需要的情况下采用，比如促凝、缓凝、早强提高混合体强度等等。
这些外加剂种类繁多，适用的条件也不相同，工程中必须进行室内及现场试验，确定其效果及掺入量。
掺加粉煤灰是世人公认的有效措施。
粉煤灰可以提高混合体的强度，表7.3-1图7.3-1可以定性地说明上述结论。
一般情况下，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%左右，同时还可消耗工业废料，增加社会效益。
表7.3-1粉煤灰对水泥土强度的影响
试件编号
水泥渗入比αω（%）
粉煤灰掺入量（占水泥重量的百分数）
水泥土强度（kPa）
1
10
1827
100
2036
2
2823
3086
3
12
2613
2893
高压旋喷桩中掺加粉煤灰的测试数据说明，在砂类土中掺加粉煤灰时，不论采用什么配方的水泥浆，也不论水泥土强度的高低，试件28天以后的强度增长值均极为明显，3个月的强度为28天强度的1.27～2.0倍，半年的强度为28天强度的2.6～3.67倍。
但早期强度普遍偏低。
冶金部建筑研究总院进行了掺加磷石膏的试验和工程实践，认为水泥磷石膏固化剂之所以比水泥固化剂效果好，是因为水泥磷石膏除了有与水泥相同的胶凝作用外，还能与水泥水化物反应产生大量钙矾石，这些钙矾石一方面因固相体积膨胀填充水泥土部分空隙，降低了混合体的孔隙量，另一方面由于其针状或柱状晶体在孔隙中相互交叉，和水泥硅酸钙等一起形成空间结构，因而提高了加固土的强度。
表7.3-2列出了部分试验数据，结果说明，水泥磷石膏对于大部分软粘土来说是一种经济有效的固化剂，尤其对于单用水泥加固效果不好的泥炭土、软粘土效果更佳。
它一般可以节省水泥11%～37%。
凡主要成分为CaSO4·
2H2O的磷石膏或其它废石膏均有可能成为节省水泥、提高加固效果的固化材料，它与水泥混合使用，不需二次加工，且和易性好，施工困难不大。
表7.3-2磷石膏增强试验选摘
加固土样
主要物理指标
试块编号
加固配方
磷石膏
掺量（占水泥%）
无侧限抗压强度qu（kPa）
磷石膏增强效果H-g/H
γ
（kN/m3）
G
ω（%）
e
7d
30d
90d
云南泥炭土
13.7
2.41
142
3.31
H25
114
134
182
H25g5
20
360
687
900
3.2
5.1
5.0
H25g10
40
222
840
1100
1.9
6.3
6.0
4
H25g15
60
238
1054
1380
2.1
7.9
7.6
福建淤泥
16.1
2.60
70
1.77
5
H18
379
761
1107
6
H18g3.6
1170
2695
3857
3.1
3.5
7
H18g7.2
480
1003
2318
1.3
云南淤泥质粉质粘土
17.2
2.65
47
1.28
8
H10
321
440
667
9
H10g2
400
1320
1780
3.0
2.7
H10g4
262
600
1120
0.8
1.4
1.7
江苏淤泥质粉质粘土
17.8
1.11
11
432
625
839
813
1297
2059
2.5
云南粉土
18.2
34
0.97
13
250
909
14
688
1460
2100
2.8
2.4
2.3
15
354
1140
2180
注：
H——水泥；
g——磷石膏；
右下角数字——掺入比。
其他掺加剂如起减水作用的木质素磺酸钙（日本的AE木质磺酸钙同时具有减水和缓凝两种作用），对水泥土强度的影响不大。
三乙醇胺可促凝早强等。
为了实现施工中桩体的搭接，使用缓凝剂十分必要。
3、水泥
水泥或水泥系固化料两类固化料中，水泥均为主固化剂。
应针对具体情况选用不同种类、不同标号的水泥以满足技术经济指标的要求。
针对某些软粘土地区地下水存在有大量的硫酸盐（如沿海盐水渗入地区），硫酸盐与水泥发生反应，对混凝土具有结晶性侵蚀作用。
为探讨水泥土桩在这类地区的适应性，对水泥土在硫酸盐介质中的稳定性进行了研究，共作200余组水泥土试块的抗硫酸盐侵蚀试验。
使用各种水泥制作水泥土试块浸泡在浓度为1.5%的硫酸钠溶液中，观察结果为：
用325#及425#矿碴水泥制作的各种水泥掺入比的试块在盐液中浸泡28～50天全部开裂膨松、崩坏。
用425#大坝水泥和425#抗硫酸盐水泥制作的各种水泥掺入比的试块在盐液中浸泡360天均未发现任何破坏现象。
浙江大学就杭州、宁波、福州等沿海地区土中的水具有古海水的化学特征，对这种古海水对水泥土侵蚀问题开展了试验研究。
结论是含有硫酸盐离子、镁离子的溶液对水泥土有一定的侵蚀性。
被侵蚀的水泥土近期强度会有一定程度的提高，但后期强度下降。
特别在高浓度溶液侵蚀下，水泥土产生较大的体积膨胀，在膨胀力作用下，水泥土可能发生破坏。
我国大部分沿海工程遇到的海水对水泥土的强度基本没有影响，在这种情况下可不考虑海水的侵蚀作用。
选用合适的水泥掺入比、水泥品种，如抗硫酸盐水泥等，加入一定量的粉煤灰等外加剂，将有助于水泥的抗侵蚀性能。
鉴于研究的深度和广度的限制，我国建筑地基处理规范仅作了原则性说明，目前在水泥选用时应注意到，使用普通水泥拌制的水泥土受硫酸盐溶液侵蚀会出现结晶性的开裂、崩坏而丧失强度。
如选用抗硫酸盐水泥，使水泥土中产生的结晶膨胀物质控制在一定数量范围内，则可大大提高水泥土的抗蚀性能。
选用水泥时还需考虑水泥的强度等级、种类能否适应水泥土桩体强度的要求，是否适用于场地的土质。
一般情况下，当水泥土桩体强度要求大于1.0MPa时，宜选用强度等级42.5以上的水泥，桩体强度小于1.0MPa时可选用32.5水泥。
当需要水泥土体有较高的早期强度时，宜选用普通硅酸盐水泥和波兰特水泥。
不同种类和标号的水泥用于同一类土中，效果不同，同一种类和标号的水泥用于不同种类的土中，效果亦不同。
一般情况下，无论何种土质，何种水泥，水泥土强度均随水泥强度等级的提高而增大，但增大的规律有差别。
水泥种类应与土质相适应。
在砂类土中不同种类同一强度等级的水泥其混合体强度变化不大。
粘性土中，情况比较复杂。
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（ω=36.4%，e=1.03）中，选用同一的水泥掺入比（21%），对32.5矿碴水泥、32.5钢碴水泥，42.5普通硅酸盐水泥、52.5波兰特水泥作了对比试验，结果是32.5矿碴水泥和钢碴水泥的水泥土无侧限抗压强度要大于后两者。
其原因可能是水泥中的矿碴、钢碴和粘粒水化反应的缘故。
日本通常用普通硅酸盐水泥和高炉矿碴水泥（B种）作固化材料。
有机质含量较多的土如淤泥等，用上述水泥加固效果不佳，日本生产了10余种特种水泥，可以改善加固效果。
当使用特种水泥时，因受有机质土的物理化学性质的影响，其强度发展不同，所以应进行配合比试验以决定采用何种特种水泥及其掺入量。
4、浆液和粉体
在浆液和粉体两种深层搅拌桩的对比中，常出现一些不同看法，现仅就浆液和粉体搅拌对水泥土力学性能某些方面的影响作介绍。
图7.3-2表示的日本埼玉县行田粘土加固时的试验结果，其水泥掺入量为300kg/m3（即每m3湿土中掺入300kg水泥），材龄21天，水泥浆的水灰比1：
1。
从图7.3-2中可以看出，水泥材料中粉体比浆液的加固强度大，随着拌合时间的延长，水泥材料（浆液和粉体）的加固强度有提高倾向。
而石灰材料则与拌合时间几乎没有关系，始终为同一强度。
粉体和浆液的拌合时间短时其强度的离散性大。
以上试验说明，水泥加水后的浆液即为水泥浆，深层搅拌法中所用的水泥浆其水灰比大多采用50%左右。
软土本身又具有较高含水量，因此，除水泥固化时所必需的水分外，还会有多余的水分，水灰比增大，强度降低。
所以，在满足施工要求的前提下，使用粉状水泥可望得到较高的强度，且可以加速固化进程。
但是，国内的粉喷机在搅拌粘性土时，由于叶片的构造影响，水泥土往往呈水平层状，其抗渗及抵抗水平力的性能以及搅拌均匀度不如浆液搅拌。
因此，用于挡土隔渗的工程，效果不理想。
（二）混合材料
混合材料是水泥土混合体的骨干材料，占水泥土总重的80%以上。
搅拌水泥土桩的混合材料主要是原位土，和混凝土的混合料不同，其不仅具有骨干和填充的作用，除砂类土外，还能和固化剂产生化学反应，使桩体固化。
为提高桩体强度，只能改变固化剂种类或增加固化剂的掺入量。
当采用水泥系固化材料中火山灰质材料掺量很大时，这些火山灰质材料（如粉煤灰），一方面起固化材料作用，另一方面起充填材料的作用。
在施工工艺许可下，各种
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