水泥土搅拌桩法.docx

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水泥土搅拌桩法

第一节概述

水泥土搅拌桩是一种用于加固饱和粘土地基的常用软基处理技术，他将水泥作为固化剂与软土在地基深处强制搅拌，由固化剂和软土产生一系列物理化学反应，使软土硬结成一定强度的水泥加固体，从而提高地基土承载力和增大变形模量。

水泥土搅拌桩从施工工艺上可分为湿法和干法两种。

一、湿法

湿法常称为浆喷搅拌法，将一定配比的水泥浆注人土中搅拌成桩，国内于1977年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院研制，1978年生产出第一台深层搅拌机，并于1980年在上海宝山钢铁总厂软基加固中获得成功。

该工艺利用水泥浆作固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在加固深度内就地将软土和水泥浆充分拌和，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和足够强度的水泥土的一种地基处理方法。

二、干法

干法常称为粉喷搅拌法，于1974年日本研制出另一类粉体搅拌桩即DJM法，自1983年铁四院应用该技术首先成功地用于铁路涵洞软土地基加固以来，经过多年的试验、研究和工程实践，国内粉体喷搅法已在港口、石油化工、市政和工业与民用建筑工程中得到大量应用，并取得了良好的技术经济效果。

该工艺利用压缩空气通过固化材料供给机的特殊装置，携带着粉体固化材料，经过高压软管和搅拌轴输送到搅拌叶片的喷嘴喷出，借助搅拌叶片旋转，在叶片的背面产生空隙，安装在叶片背面的喷嘴将压缩空气连同粉体固化材料一起喷出，喷出的混合气体在空隙中压力急剧降低，促使固化材料就地粘附在旋转产生空隙的土中，旋转到半周，另一搅拌叶片把土与粉体固化材料搅拌混合在一起，与此同时，这只叶片背后的喷嘴将混合气体喷出，这样周而复始地搅拌、喷射、提升，与固化材料分离后的空气传递到搅拌轴的周围，上升到地面释放。

粉体喷射搅拌法（DJM工法）是深层搅拌加固技术的一种。

1967年瑞典BPA公司的KjeldPaus先生提出了一种采用生石灰粉与原位软粘土搅拌形成石灰桩的软土加固法，即"石灰桩法"（LimeColumnsMethod），它标志着粉体喷射搅拌技术的问世。

1971年瑞典的Linden-Alimat公司根据KjeldPaus的研究成果，在现场用生石灰和软土搅拌制做了石灰桩，进行了第一次现场试验，1974年正式取得专利并进入工程实用阶段，开创了粉喷技术的新时代。

　日本在1967年由运输部港湾技术研究所开始研究石灰搅拌施工机械，1974年开始在软土地基加固工程中应用，且在施工技术上超越瑞典。

研制了两种施工机械，形成两种施工方法，一类是使用颗粒状生石灰的深层石灰搅拌法，即DLM法（DeepLimeMixing工法）；另一类是喷射搅拌的粉体，且不限于石灰粉末，可使用水泥粉之类干燥的加固材料，称之为粉体喷射搅拌法，即DJM（DryJetMiximg工法）。

由于使用的固化剂为干燥雾状粉体，不再向地基土中注入附加水份，它能充分吸收软土中的水，对含水量高的软土加固效果尤为显著，较其他加固方法输入的固化剂要少得多，不会出现地表隆起现象。

同时，水泥粉等粉体加固料是通过专用设备，用压缩空气将粉体喷入地基土中，再通过机械的强制性搅拌将其与软土充分混合，使软土硬结，形成具有整体性较强、水稳性较好、有一定强度的桩体，起到加固地基的作用。

这种地基处理方法在施工过程中无振动、无污染，对周围环境无不良影响，近二十年来，在国外得到了广泛应用。

　　1983年，铁道部第四勘察设计院引进这项技术，进行了设备研制和生产实践，1984年在广东省云浮硫铁矿铁路专用线上的软土地基加固工程中率先使用，后来相继在武昌、连云港等用于下水道沟槽挡土墙和铁路涵洞软基加固，均获得良好效果。

　　实践证明，喷粉桩是一种具有很大推广价值的软土地基加固技术，这一技术已广泛应用于铁路、市政工程、工业民用建筑等的地基础处理中。

然而由于喷粉桩复合地基施工质量不易控制，近年来出现事故较多，上海、天津等地相继暂停该项技术在工民建地基处理中的应用。

粉体喷搅法加固软弱土层中，其设计理论、施工控制技术一直存在争论，在使用时需加强过程控制。

三、两种方法的差别

干法和湿法相比较，具有如下特点：

1、使用的干燥状态的固化材料可以吸收软土地基中的水分，对加固含水量高的软土、极软土以及泥炭化土地基效果更为显著。

2、固化材料全面地被喷射到靠搅拌叶片旋转过程中产生的空隙中，同时又靠土的水分把它粘附到空隙内部，随着搅拌叶片的搅拌，固化剂均匀地分布在土中，不会产生不均匀散乱现象，有利于提高地基土的加固强度。

3、与浆喷深层搅拌或高压旋喷相比，输入地基土中的固化材料要少得多，无浆液排出，地面无拱起现象。

同时固化材料是干燥状态的0.5mm以下的粉状体，如水泥、生石灰、消石灰等，材料来源广泛，并可使用两种以上的混合材料。

因此，对地基土加固适应性强，不同的土质要求都可以找出与之相适应的固化材料，其适应的工程对象较广。

4、固化材料从施工现场的供给机的贮仓一直到喷入地基土中，成为连贯的密闭系统，中途不会发生粉尘外溢、污染环境的现象。

5、湿法水泥配比较直观，材料的量化较容易，有利于质量控制。

第二节原理

深层搅拌桩多用于软土层较厚的地基加固处理工程中，其基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程，可通过专用机械设备将固化剂灌入需处理的软土地层内，并在灌注过程中上下搅拌均匀，使水泥与土发生水解和水化反应，生成水泥水化物并形成凝胶体，将土颗粒或小土团凝结在一起形成一种稳定的结构整体，这就是水泥骨架作用，同时，水泥在水化过程中生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子进行离子交换作用，生成稳定的钙离子，从而进一步提高土体的强度，达到提高其复合地基承载力的目的。

深层搅拌桩按固化剂的不同分为水泥系与石灰系，按灌注的是浆液还是粉体也可分为湿法与干法。

以水泥作固化剂，配石膏、粉煤灰、木质素磺酸钙等为外掺剂的深层水泥搅拌桩是深层软土地基工程中常用的桩基形式之一。

一、加固机理

水泥土的强度机理主要有两个方面的作用，首先是水泥的骨架作用，水泥与饱和软粘土搅拌后，发生水泥的水解和水化反应，生成水泥水化物，形成凝胶体-氢氧化钙，将土颗粒或小土团凝结在一起，形成一种稳定的结构整体。

其次是离子交换作用，水泥在水化过程中，生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子（或钾离子）进行离子交换，生成稳定的钙离子，从而提高土体的强度。

国内外大量的试验及研究表明，水泥与软土拌合后，将发生如下的物理化学反应：

1．水泥的水解水化反应

减少了软土中的含水量，增加土粒间的粘结，水泥与土拌合后，水泥中的硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙以及铁铝四钙等矿物与土中水发生水解反应，在水中形成各种硅、铁、铝质的水溶胶，土中的CaSO4大量吸水，水解后形成针状结晶体。

2．离子交换与团粒作用

水泥水解后，溶液中的Ca++含量增加，与土粒发生阳离子交换作用，等当量置换出K+、Na+，形成软土大的土团粒和水泥土的团粒结构，使水泥土的强度大为提高。

3．硬凝反应

阳离子交换后，过剩的Ca++在碱性环境中与SIO2--、AI2O3发生化学反应，形成水稳性

的结晶水化物，增大了水泥土的强度。

4．碳化反应

水泥土中的Ca（OH）2与土中或水中CO2化合生成不溶于水的CaCO3，增加了水泥土的

强度。

水泥与地基土拌合后经上述的化学反应形成坚硬桩体，同时桩间土也有少量的改善，从而构成桩与土复合地基，提高地基承载力，减少了地基的沉降。

二、水泥搅拌桩的加固土物理力学特性

根据冶金研究院、天津市勘察院、铁四院及铁三院的试验研究，水泥加固土的主要物理力学特性如下：

1．物理性质

（1）重度：

由于拌人士中的固化材料与孔隙中水的重度相差不大，搅拌中还产生部分土的挤出和隆起，且固化后固化材料本身存在孔隙，因此，在饱和的软土中加固土体的重度与天然土的饱和重度很接近，试验说明固化体重度仅增加3％~5％。

但在非饱和的大孔隙土中，固化体的重度将较天然土的重度增加量要大一些，见表6·2·1。

此外，固化料掺合量大时，固化体重度增加幅度也大。

水泥土重度表表6·2·1

土类

原状土

含水量

原状土重度kN/m3

水泥土饱和重度kN/m3

粉砂

饱和

15.0

18.8

17.4

粘粉砂

饱和

18.0

19.8

17.5

黄土

15.5%

16.0

20.2

17.1

淤泥质砂黏土

饱和

17.5

12.4

（2）含水量：

水泥加固土含水量略低于原土的含水量，约戒少3％～7％，对粉喷桩来言，干粉状水泥的加入使土的塑性状态随之变化，掺人比为7％～15％其塑性状态降低一个等级，即由流塑变为软塑，软塑变为可塑等，当掺人比大于15％时，塑性状态可以降低一至二个等级。

图6·2·1为某场地上部为粉质粘土水泥掺入比为15％时，不同含水量所做水泥容重的对比试验，图中显示容重随土的含水量的堪加而降低，大体上呈线性变化。

图6·2·1土样含水量与水泥土容重的关系

2．水泥土力学性质

水泥加固土的抗压强度一般为300～4000kPa，比天然软土加大几十～几百倍，影响加固土的抗压强度的因素较多，与土类、含水量、水泥掺人比、养护龄期以及外掺剂等因素有关。

（1）土的种类对水泥土强度的影响

不同成因软土的水泥加固试验结果见表6·2·2。

不同成因软土的水泥加固试验结果表6·2·2

土名

土的性质

掺加水泥试验

含水量

天然密度

kN/m3

孔隙比

液性

指数

塑性

指数

无侧限抗压强

度kPa

水泥

标号

水泥

掺量

龄期

水泥土无侧限抗压强度kPa

滨海相

沉积

淤泥

50.0

17.3

1.39

1.21

22.8

325

1096

淤泥质亚黏土

36.4

18.3

1.03

1.26

10.4

425

1415

淤泥质黏土

68.4

15.6

1.80

1.71

21.8

425

1097

河川

沉积

淤泥质亚黏土

47.4

17.4

1.29

1.63

16.0

425

120

998

淤泥质黏土

56.0

16.7

1.31

1.18

21.0

525

880

湖沼相

沉积

泥炭

448

10.4

8.06

0.85

341

≈0

425

155

泥炭化土

58.0

16.3

1.48

0.65

26.0

425

714

（2）水泥掺人比对水泥土qu的影响

图6·2·2为不同成因的不同类别地基土的不同水泥掺入比与水泥加固土无侧限抗压强度的关系，由图可见：

随土的水泥掺入比的增大而增大，当掺入比小于5％时，水泥土水化反应很弱，水泥土的强度比原状土增长较小，水泥掺人比宜大于10％，地基土的不同水泥土的强度随水泥掺入比的增加速率也不同，粉土的增长速度最大，淤泥质土最小。

图6·2·2水泥掺入比对水泥土无侧限抗压强度的影响

（3）水泥标号对水泥土的qu的影响

试验表明：

水泥标号越高，水泥的早期强度增长速率越快，当水泥掺人比相同时，水泥标号每提高100号，水泥土的无侧阻抗压强度提高15％～30％。

根据试验结果可以用325#水泥代替现在较常用的425#水泥作为加固材料，以加大水泥用量，更有利于水泥掺入的均匀性。

（4）龄期的影响

根据室内试验，天津地区水泥加固土一般有以下关系：

（5）土中含水量的影响

在固化剂种类和掺人量相同的情况下，浆液喷搅时，土的天然含水量越低，加固土的强蜜就越高。

图6·2·3（a）的试验条件是，水泥为土的干重度的10％，土性为冲积黏土，龄期：

28天；图6·2·3（b）的试验条件是，水泥掺入量为湿土重量的10％，水泥浆的水灰比为1：

1，龄期28天，图中的含水量不单纯为土的含水量，其中还包含所用水泥浆的水分，所以是总含水量与强度问的关系。

从图6·2·3中可看出，不同种类的土在相同的水泥掺入量条件下，虽然强度不等，但其强度随土中含水量增大而减小的递减率十分接近。

图6·2·3（a）的结果表明，当水泥配方相同时，其强度随土样的天然含水量的降低而增大。

当土样含水量在50～85％范围内变化时，含水量每降低10％，强度可提高30％～50％。

由于土的种类及固化剂性质不尽相同，同时水泥掺人量也不相同。

有的试验说明，水泥掺人量比较大时，强度随含水量增大而显著减少，当掺人比为32％时，土中含水量每减少10％，强度可增加66％。

对粉喷桩，土中含水量对水泥土强度的影响不同于浆液搅拌，当土中含水量过低时，水泥水化不充分，水强土强度反而降低。

图6·2·3无侧限抗压强度与含水量的关系

（6）施工工艺的影响

水泥土体强度在其他条件相同时，还与施工工艺有关，如同一种土中．固化剂掺入量相同，采用复搅的办法可明显提高桩体强度。

在含水量很小的松散填土中，搅拌时块状土不能破碎，造成桩体松散，采用注水后上下多次预搅，即可保证桩体强度。

在粘性很大的土中，可能出现搅拌头上形成土团，随搅拌头转动，搅拌不均，复搅也不能奏效，只有改变搅拌头的形式才是有效途径。

第三节设计计算

一、水泥土桩复合地基的承载力计算

1．单桩竖向承载力计算

单桩竖向承载力标准值可按下式计算，取其中较小值。

（6·3·1）

（6·3·2）

式中fcuk——与搅拌桩桩身加固土配比相同的室内加固土试块（边长为70.7mm或50mm的立方体）的90天龄期无侧限抗压强度平均值；

η——强度折减系数，可取0.3~0.5；

Up——桩周边长；

L——桩长；

qp——桩端天然地基土的承载力标准值，可按（建筑地基基础设计规范GBJ7—89）第三章第二节的有关规定确定；

qs——桩周土平均容许摩阻力如表6·3·1;

——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6

搅拌桩桩周土的容许摩阻力表6·3·1

土的名称

土的状态

qs（kPa）

土的名称

土的状态

qs（kPa）

淤泥、泥炭

流塑

5～8

黏性土

软塑

12～15

淤泥质土

流塑～软塑

8～12

黏性土

可塑

15～18

式6·3·1中的加固土强度折减系数η是一个和工程经验以及拟建物性质密切相关的参数。

工程经验包括施工队伍素质、施工质量、室内强度试验与实际加固强度比值以及对实际工程处理效果等的掌握情况。

拟建工程性质包括拟建工程的工程地质条件、上部结构对地基的要求以及工程的重要性等，目前在设计中一般取η=0.35～0.50。

如果施工队伍素质较好，施工质量很高，现场实际施工的搅拌桩加固强度与室内试验结果接近，以往实际工程处理效果优良，且工程地质条件筒单，工程对地基沉降要求又不高时，可取高值，反之取低值。

式6·3·2中桩端土承载力折减系数

取值与施工时桩底部施工质量有关，特别是当桩端为较硬土层、桩较短时，取高值。

如果桩底施工质量不好，搅拌桩没能真正支承在硬土层上，桩端地基承载力不能充分发挥，或桩较长时，取低值，目前设计中常取

=0.5。

为使单柱承载力的设计合理，设计时应使桩体强度与承载力相协调，即：

（6·3·3）

单桩承载力应通过现场载荷试验加以验证，或先施工试桩，据以确定单桩承载力，当桩体强度小500kPa时，单桩承较力应通过现场载荷试验确定。

式（6·3·3）表明当桩长超过一定长度，控制单桩承载力的主要指标为桩体强度，所以可采取有效方法提高桩体强度来提高搅拌桩竖向承载力，如加大上部喷灰量、桩体加芯技术等。

2．复合地基承载力计算

水泥土复合地基承载力的计算，采用桩土分担荷载比的原理，按下式计算：

（6·3·4）

式中

——复合地基的承载力标准值；

——桩间土天然地基承载力标准值；

m——面积置换率；

——桩间土承载力折戚系数，当桩端土为软土时，可取0.5～1.0，当桩端土为硬土时，可取0.1～0.4，当不考虑桩间软土作用时，可取零。

其实，桩身强度对

也有影响，例如桩端是硬土，但桩身强度很低，桩身压缩变形很大，这时桩间土可承受较大荷重，

也可取大值，这样较为经济。

总之，桩间土承载力折减系数的确定，是各种复合地基所遇到的一个复杂问题，上述规范提出的经验数据，在实际工程中通过原型或大荷载试验来测定是切合实际的，在重要的或规模很大的工程中应进行桩土分担比测试。

上述式中的天然地基承载力标准值的取值概念较模糊，从经济和安全角度综合考虑，建议如下取值：

一般而言，任何复合地基的桩间土的承载力不低于天然地基土的承载力，从安全储备上考虑，水泥土桩的土的承载力用天然地基土的承载力替代是适宜的，如主要加固区在基底，则取该层土的承载力标准值；如在基底一定深度以下，则取加固段内该层土以上承载力的加权平均值。

二、水泥土复合地基的变形计算

水泥土复合地基的变形由复合土层的变形和桩端以下土层变形两部分组成。

由于缺少系统的变形场测试资料，大多采用材料力学的推论或土力学的经验方法计算。

1、复合土层的变形计算。

群桩体的压缩变形S1可按下式计算：

（6·3·5）

式中

——群桩体顶面处的平均压力；

——群桩体底面处的附加压力；

L——实际桩长；

——复合土层压缩模量；

（6·3·6）

其中

——搅拌桩的压缩模量，可取（100～200fcuk）；

——桩间土的压缩模量。

大量的搅拌桩设计计算及实测结果表明，桩体的压缩变形量仅在10～30mm之间变化。

因此，当荷载大、桩较长或桩体强度小时，取大值；反之，当荷载小、桩较短或桩身强度高时，可取小值。

2、桩端以下土层的变形计算

将复合土层看作一层土．下部为若干层土，用分层总和法计算复合土层下影响深度内各层土的变形。

具体按国家标准建筑地基基础设计规范的有关规定进行计算。

在深厚的超软土中，当置换率较大时，如前述，复合土体呈现深基效应，此时，按刚性桩群桩桩底沉降计算方法较为稳妥。

第四节施工工艺

一、粉体搅拌桩（DJM法）

1.施工设备

粉喷桩施工设备国外以日本的DJM施工设备为代表，日本的粉喷机主要有五种型号，最大施工深度可达33m。

国内的粉喷机以上海探矿机械厂及铁道部武汉工程机械研究所生产的GPP型和PH为代表。

图6·4·1为铁道部武汉工程机械研究所生产的PH-5A型粉喷机，表6·4·1列出了较常用机型及主要技术参数。

从上图表中可以看出，我国的粉喷桩机比较轻便，整机重量为10～15t，功率小，桩径多为500mm，最大施工深度为22m。

这些粉喷机基本上均采用步履式，移位灵活；均采用转盘式，重心低，较稳定；减速机用载重汽车的变速箱，产品定型，便于更换。

图6·4·1PH-5A型粉喷桩机

PH-5A型粉喷机性能表表6.4.1

型号

参数

项目

PH-5A

PH-5B

PH-7

PH-5A

PH-5B

PH-7

地基加固深度m

14.5

18.0

灰罐容量m3

1.3

成桩直径mm

500

500~700

贮气罐m3

转速r/mm

184061

90134

184061

90134

184061

90134

空压机排量m3/min

1.6

最大扭矩kN.m

主电机功率kW

提升速度m/min

1.961.32

.9.6.27

1.961.32

.9.6.27

1.961.32

.9.6.27

发送机电机kW

1.5

钻杆规格mm

□114×114

□120×120

油泵电机kW

纵向单步行程m

1.2

空压机电机kW

横向单步行程m

0.5

整机重量kg

95000

125000

130000

接地比压kgf/cm2

<0.27

2.工艺流程

粉体喷射搅拌桩法的基本施工流程为：

首先确认粉喷机主体的位置和搅拌轴的垂直性，然后边旋转搅拌轴，边钻进至加固深度。

此时不喷射加固材料，但是为了不使喷口堵塞，需连续不断喷出压缩空气，钻进到预定加固深度后，边提升边喷射加固材料，其施工流程详见图6·4·2。

图6·4·2施工流程示意图

3.施工技术要求

（1）施工时严格按设计图纸要求施工，注意桩顶、桩间高程控制，保证制桩质量和长度；

（2）施工时应注章机械传动部位，高压部位、油路、电路经常检查，保证正常工作状态；

（3）钻头人土时应采用I档转速钻进，人土认为无障碍时，根据上层软硬情况，可提高钻进速度；

（4）钻到设计高程时，应在原位旋转后变速上提，同时进行送粉做到钻杆提升时边喷粉边搅拌，边提升的连续作业法，当提到地面时，应考虑桩顶粉喷孔位置高于钻头尖20cm左右的情况；

（5）施工时垂直偏差不得超过规范要求；

（6）制桩时，不允许有断粉，如发生断粉现象，必须进行补喷，补喷时重叠处的长度应≥500mm；

（7）为了保证制桩质量，在桩顶高程处以下一定范围内复喷一次；

（8）钻头提升到设计桩顶高程时，关闭喷粉机送粉阀，停止送粉，并继续制桩上提，保证桩在高程处的质量，余灰及钻头至粉喷孔的灰必须制好桩，保证高程以下的桩身质量；

（9）使用不低于425#的矿渣硅酸盐水泥，不得用受潮变质的同号水泥；

（10）加料时应控制好材料用量，并做好记录，施工时按实际用量做好记录。

4.施工过程中的质量管理

粉喷桩施工过程中应加强质量管理，保证施工质量。

（1）水泥应符合国家规定，对受潮变质不符合设计要求过期水泥一律不准使用；

（2）做好工艺桩，为工程桩提供可靠的参数；

（3）控制好制桩偏差（垂直度、桩顶高程、桩长等）；

（4）对漏喷、断喷的桩必须进行补喷和复喷，复喷的重迭部分必须达到要求；

（5）严格控制制桩时粉喷机的关闭时间，保证桩顶至桩尖的质量，从而确保成桩质量；

（6）做好施工记录，交接班应做好交换工作，防止脱节；

（7）做好投料记录，以便计算出每报桩的制桩水泥用量；

（8）经常检查施工记录和水泥用量的情况，及粉喷桩的制桩质量；

（9）粉喷桩施工期间随时做好自检工作：

各机组定期挖出一定数量的桩头，以检验水泥凝固情况，发现问题现场及时解决；根据开挖情况对一定数量的桩做动力触探，检验桩头强度；现场随时对喷灰量、桩长、桩径、复搅情况、施工记录抽检交流，发现异常有针对性地解决；

（10）工程桩全部完工后进行桩的质量及复合地基承载力测试，以便确定加固效果，经检测合格后才能开槽施工基础。

5、施工过程中的安全管理

安全是生产的保证，安全是落实技术措施的必要方面，只有安全了才能保证生产、技术、经济的成功。

所以在工程的桩基施工中，必须常记安全生产的因素，常讲安全，常注意安全，搞好安全生产，在施工中应注意以下几方面：

（1）因该机械主要以电力为主，所以必须注意安全用电，电源进线装好配电和触电保护器，施工时应有电工专人负责；

（2）机械操作人员必须熟悉操作规程和操作程序；

（3）操作人员必须

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