武广客运专线深厚软土地基处理及沉降计算毕业论.doc

兰州交通大学毕业设计（论文）目录1绪论. 11.11.22背景和意义. 1本论文的主要工作. 2软土地基处理方法 . 42.12.22.32.4桩板结构. 4深层搅拌法. 6水泥粉煤灰碎石桩（CFG 桩）. 15桩网结构. 233复合地基变形的计算 . 293.1复合地基变形计算的经验公式. 29加固区变形量 s1 的计算.29桩端下卧层沉降计算.29CFG 桩复合地基压缩模量的计算.313.1.13.1.23.1.33.23.34分层总和法. 32附加应力的计算方法. 33桩板结构沉降计算 . 344.14.24.34.44.5沉降控制标准. 34ZK 标准荷载. 34桩板结构代表性断面的地质条件. 34桩板结构设计资料. 35桩板结构沉降计算. 355CFG 桩沉降量计算. 415.15.25.35.4CFG 桩结构代表性断面的地质条件. 41CFG 桩的设计资料. 42沉降计算. 44CFG 桩沉降量计算. 45不同高度路基、路堑附加应力计.45高度 2m 路堤的沉降计算.465.4.15.4.25.4.3 高度分别为 2.7m、4m、6 路堤沉降量计算.515.4.4路堑沉降计算.521兰州交通大学毕业设计（论文）5.56土层压缩模量对工后沉降的影响. 56地基处理方法的施工工艺 . 626.1桩板结构施工. 62施工总程序.62施工方法.62检测与监测.656.1.16.2.26.3.36.2水泥粉煤灰碎石桩（CFG 桩）. 65施工工艺的选择.65施工前的准备工作.66CFG 桩施工.66施工顺序的选择.67施工监测.67施工注意事项.686.2.16.2.26.2.36.2.46.2.56.2.6结 论. 69致 谢. 70参考文献. 712兰州交通大学毕业设计（论文）11.1 背景和意义我国铁路正在实现跨越式发展，新建高速铁路客运专线和改造既有铁路提速建设方兴未艾，由于高速行车要求其提供一个高平顺和稳定的轨下基础，控制变形是路基设计的关键，以往，对路基可能产生的变形可能认识不足，认为路基只要能保证一定的强度，不致发生稳定性破坏，就满足要求，事实证明，路基变形是制约列车速度的重要因素之一，在低速清况下，路基变形造成的影响不太突出，即便有不均匀沉降，对于低速情况行车并不构成严重影响，可以通过起道作业改善这一问题，这也是长期以来路基不在重视的一个症结所在，在高速情况下，路基在重复荷载作用下所产生的累计沉降和不均匀下沉所造成的轨道不平顺将严重影响列车运行速度，舒适度和线路养护工作量，此外，高速行车过程中路基所产生的弹性变形直接反映到轨面的弹性变形，对列车的高速走行条件也有重要的影响，弹性变形过大则行车速度不能提高，因而变形问题成为高速铁路路基的主要控制因素。路基沉降变形主要包括：列车行使中对路基面的弹性变形；长期行车引起的基床积累下沉（塑性变形）；路基本体土及地基的压缩下沉。参考国内外经验可知，列车行使中弹性变形，运营阶段的塑性变形及路基填土压实下沉，只要满足基床及路基本体填筑材质，压实标准，其值都是有限的，而且也可得到控制，因此，如何控制地面的沉降变形特别是工后沉降值，关键在与控制支承路基的地基的沉降，现代铁路修筑经验表明：作为支承路基的地基不允许发生地基破坏，也不允许发生不适应使用要求的沉降量和沉降速率。以往的设计标准，多只考虑对地基不允许发生地基破坏，而对变形虽有一定要求，但是没有一定的重视，我国铁路路基主要病害现象是下沉问题，因填土压实度不够造成之外，不少也是基底变形所致，特别是长期困扰我国的软土地基修筑路基所存在的不断下沉病害问题。随着客运专线的大规模建设开展，地基沉降变形控制问题越来越得到建设着的重视，地基沉降变形标准也也经历了认识，实践，再认识的发展历程，沉降控制标准逐渐提高，客运专线路基工程设计应体现“先进，成熟，安全，可靠，经济”的原则。高速旅客列车要求路基轨下基础提供高平顺的轨道系统，按照（京沪高速铁路设计暂行规定），路堤基底以下 25 米压缩层内的地基土不符合基底条件（对武广线主要事粘性土，标准比贯入阻力大于 1.2MPa，地基容许承载力不小于 0.15MPa）时，应做工后沉降分析，1绪论兰州交通大学毕业设计（论文）路基工后沉降不大于 2cm。另外，再铺设无喳轨道的路基地段，轨道高度调节器要求路基工后沉降量不应大于 2cm。从德国针对我国高速铁路设计咨询的成果来看，德法强调控制路基的不均匀沉降，对于无喳轨道路基，德国有更为严格的要求，要求路基的差异沉降为零，由于中德两国的国情不同，德国采用较长的施工周期来达到工后沉降为零的目的（德国 200km 左右的高速铁路的工期可达到 5-8 年），而我国只能采用金钱换时间的办法来来尽量消除工后沉降的影响（加大对地基的处理力度）工后沉降 2cm 的指标相对而言较严格，如何确保路基沉降变形满足设计要求成为路基工程的重点课题，特别是深厚软土路基。常规方法很难满足工后沉降的要求，迫切需要逐步引入新型的更为有效的路基处理方法。武广铁路客运专线是中长期铁路网规划中第一批经国务院审批立项的铁路客运专线，也是我过铁路目前开工建设的线路里程最长，技术标准最高，投资最多的客运专线，全长 995 公里，工程投资 930 亿元，建设期 4 年半，根据铁道部工程设计鉴定中心武广客运专线初步设计中间审查意见（初稿）精神，武汉至广州客运专线正线轨道采用无喳轨道，无喳轨道结构设计及线下基础技术要求，执行相应的无喳轨道设计技术条件，其中 DK2062+260-DK2064+265 区段，上覆第四系全新统坡残积层及坡洪积层粉质粘土和软土，软土厚 3-40m，目前国内对不同类型的软土特性及其工程措施已有研究，但对高速铁路尤其是武广这种在深度和分布上差异性很大的软土还没有深入的研究。1.2 本论文的主要工作本论文主要研究武广客运专线地基的处理技术及沉降计算分析，按照京沪高速铁路设计暂行规定，设计时速为 350km/h 的客运专线，路基工后沉降不应大于 2cm，武广（武汉-广州）客运专线设计时速为 300km/h 以上，要求全线一次性铺设无喳轨道，其部分区段为深厚软土地基，并且松软土及其表层硬壳分布不均匀，传统的固结排水法相对来说难以控制路基的工后沉降，这时地基处理工程措施方案和施工机具的选择带来难题，本文针对武广客运专线采用的不同工程措施进行分析研究，提出了不同的地基的沉降计算方法。本文开展了以下工作：（1） 收集资料，研究软土的性质，软土地基常用的处理方法，对软土地基采用地基加固并进行沉降量的计算；（2） 对武广客运专线采用桩板结构加固和 CFG 桩进行加固；（3） 对不同高度的路堤、路堑采用不同的桩长加固，计算沉降量，并求出每种路2兰州交通大学毕业设计（论文）堤、路堑所需的最佳的桩长；（4）分析软土不同的压缩模量，采用不同的桩长进行加固时的沉降量变化；（5）介绍了桩板结构和 CFG 桩结构的施工方法和施工主意事项。3兰州交通大学毕业设计（论文）22.1 桩板结构桩板结构是适用于处理深厚软土地基的一种路基结构，该结构再德国钮伦堡-英戈尔施塔特高速铁路及荷兰-比利时高速铁路软土地质情况复杂的线路上应用，取得了成功，但是我国铁路，尤其是高速客运专线中采用桩板结构处理深厚软土地基尚属首次，其结构形式，设计方法等都需要进行研究确定，该结构主要由钢筋混凝土桩基和钢筋混凝土承台板组成，其主要的工作机理是：通过承台将上部荷载传递到桩体，桩体把荷载扩散到桩间土，下卧层或桩基层岩石层，从而达到控制软土路基沉降及变形破坏的目的。因而它是一种新型结构。桩板结构是一种较为灵活的结构形式，大致可以分为一下三种：（1）独立墩柱式独立墩柱式桩板结构为桩基与承台板直接相连的结构，承台板直接固结或铰接于桩上，此时承台板为多跨连续双向板结构。（2）托梁式托梁式有桩基，托梁于承台板三部分组成，托梁连续架于横向桩基上，其上再与承台板相连，桩基与托梁固结，承台与托梁固结或铰接，此时承台板为多跨连续的单向板，再局部活载作用下为双向板。（3）复合式复合式则为独立墩柱式和托梁式的组合结构，中跨采用独立墩柱式，而边跨采用的是托梁式。三种桩板结构有很多共性又格有其特点，其中，独立墩柱式板体不单纵横两方向，而且视支撑情况可以任意方向共同受力，托梁式板则主要纵横两方向受力，其设计较独立墩柱式简单，总体来讲，托梁式桩板结构形式相对来讲要简单，是典型的梁式结构，有利于设计和推广。武广客运专线桩板结构拟采用托梁式，具体结构见图 2-1。承台板为现浇钢筋混凝土板，托梁为现浇钢筋混凝土梁，桩基为钻孔灌注桩，桩与托梁要固结，1#，4#托梁与承台板搭接，2#，3#托梁与承台板固接，通过构造缝措施减小了收缩徐变，温度应力的影响。考虑工程技术条件等因素，桩板结构采用三跨为一联，相邻联处共用托梁和桩基，软土地基处理方法4兰州交通大学毕业设计（论文）从而避免了悬挑段易受列车荷载冲击破坏的不利影响，相邻联的板间横向预留 2cm 宽的伸缩缝，考虑到温度应力，收缩徐变以及施工的难易（主要是模板的安置，拆除以及混凝土的浇注等）等因素，桩板结构跨度不易过大，参照铁路桥板中最大板跨不易超过 10m的原则，综合考虑轨道结构的设计，伸缩缝设置以及方便施工等因素，跨度采用 5m，图2-1：桩板结构平面图考虑双线行车对板的动力作用问题，承台板采用上下行线双板分隔设置，以降低横向挠曲变形，减小单线过车对桩板结构整体使用性能的影响，承台板的宽度模拟路肩宽度和轨道宽度等确定，其宽度采用 24.99m（双线），中间预留 2.0cm 构造缝，承台板几何尺寸主要是对承台板高度的优化，关于承台板的高度，参照铁路桥规中钢筋混凝土简支梁高度取值，造价较为合理的取 0.8m图2-2：桩板结构纵断面图托梁的长度设计为 10.4m，即再每隔板的外侧加宽 20cm；托梁的宽度设计为 1.6m，当托梁高度在 0.7-1.2 范围内，造价经济，为降低结构造价，从高度考虑，设计托梁高度选用 1.0m.桩基设计要包括：桩经，桩长和桩间距等，桩板结构桩间距确定为线间距， 5.0m，即综合考虑方便施工和经济节约两方面因素，桩径设计为 1.0m，桩长应考虑承载力和变形两方面的要求，并通过技术经济分析和施工能力考察最终确定。5兰州交通大学毕业设计（论文）2.2 深层搅拌法（1）概述深层搅拌法2是用于加固饱和软粘土地基的一种较新的地基处理方法。它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械边钻边往软土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深处就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，使喷入软土中的固化剂与软土充分拌和在一起，由固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学作用，形成抗压强度比天然土强度高得多，并具有整体性、水稳性的水泥加固土桩柱体，由若干根这类加固土桩柱体和桩间土构成复合地基。所谓“深层”搅拌法是相对“浅层”搅拌法而言的。最初的浅层搅拌加固法深度一般小于 13m。后来随着加固技术的发展，浅层搅拌法逐步发展成在含水量高得软土地基中原位进行加固处理，处理深度一般为 34m，对于处理深度小于 2m 的就称为表层处理，是从路基稳定方法中发展而来的，即先在软土中散布石灰或水泥等粉体固结材料，再将其卷入土中混合搅拌，而深层搅拌法用特制的搅拌机械，一般能使加固深度都大于5m，国外最大加固深度可达 60m。深层搅拌法适应于软土地基的加固。如沿海一带的海滨平原、河口三角洲、湖盆地周围、山间谷地等沉积的河海相软土，对在这类沉积厚度大、含水量高（一般在 6080，高者达 100200），孔隙比大于 1.0，抗剪强度低，压缩性高，渗透性差的软土地区进行建筑时，通常都需要进行地基处理。深层搅拌法是一种有效的地基处理方法，它具有成桩效率高、成本低、施工占地面积小、不使施工现场周围遭受污染、并且施工过程中无振动、无噪音等特点，特别适合于建筑物较为密集的地域施工和加固，尤其对 20m 深度范围内没有理想持力层的软土地基处理效果更为显著。近二十年来，这种技术在世界各地得到了广泛的应用。（2）发展历史与现状早在二次世界大战后，美国就成功研制水泥深层搅拌法，制成水泥土桩称为就地搅拌桩（Mixing in-place Pile），即从不断回转的罗旋转中空轴的端部向周围已被较松的土中喷射水泥浆，经叶片的搅拌而形成水泥土桩，桩径 0.30.4m，长度 1012m。1953 年日本从美国引进水泥深层搅拌法，继而又开发出以螺旋钻机为基本施工机械的CSL 法和 MR-D 法。CSL 法和 MR-D 法都是采用螺旋钻杆上带有特殊形状的搅拌翼片，并通过钻杆供给水泥浆，与土进行强制搅拌而成。到了本世纪 60 年代，日本和瑞典分别开发研制成功一种用于加固深层软土的方法深层搅拌法，可用来处理地下深部的河6兰州交通大学毕业设计（论文）流冲积软土、湖沼和海底极软的沉积土，以及河道两岸的超软吹填土，甚至新近沉积的淤泥等。一般采用的固化剂均为水泥浆和石灰粉。1967 年，瑞典 BPA 公司提出粉体喷射搅拌法（Dry Jet Mixing）加固软土地基，即将生石灰与粘土原位搅拌以形成具有较高强度的石灰柱体，这标志着粉体喷搅技术的诞生。1971 年瑞典的 Lindent-Aliamt 公司进行了第一次石灰桩的试验。1974 年该技术正式获得专利，并进入工程实践。而同在1967 年，日本运输部港湾技术研究所也在开始研究用于石灰搅拌的相关机械，使得这一工法在 1974 年开始用于软土加固。在施工技术上日本人逐渐地超过了瑞典人，形成两套施工方法，并研制了相应的施工机械。一类是使用颗粒状生石灰的深层石灰搅拌法，即 Deep Lime Mixing；另一类是粉体喷射搅拌法，其形成的柱状体从外观上看类似于桩，故而简称粉喷桩。近十年来，深层搅拌法加固技术发展迅速。目前，按照固化材料的种类可分为水泥系深层搅拌（喷射水泥浆或雾状水泥粉体）和石灰系深层搅拌（喷射雾状石灰粉体）等；若按喷射材料的形态可分为浆液喷射深层搅拌（喷射水泥浆等）和粉体喷射深层搅拌（喷射雾状石灰粉体或水泥粉体、石灰水泥混合粉体等）。粉喷桩的历史并不长，它是在搅拌桩的基础上发展起来的。这两种工法合在一起，有时被称为深层搅拌法。这两种方法的原理都是通过机械的原位搅拌，将原粘土的原状结构破坏，再用石灰、水泥等粘结材料，以粉状或浆状喷入深层软土，形成新的复合体，最终提高了基础结构的整体强度。粉喷桩主要应用于软土地基的处理，粉喷桩在施工时常用的粘结材料有石灰、水泥等。随着现代大型工程的增多，对地基要求不断提高，粉喷桩大部分采用水泥作为凝结材料。深层搅拌法对于处理有机质土、粉质土和粘质土都有较好的处理效果，由于深层搅拌法施工速度快、无振动、无噪音、无地面隆起、不排污、不污染环境及对相邻建筑物无不利影响等，所以粉喷桩在地基加固、基坑支挡结构等多方面得到广泛的应用。近年来，随着高速铁路、公路的大量修建，在我国各省特别是沿海地区，粉喷桩已被广泛地用于各种软基处理中。实践证明，喷粉搅拌桩加固软土地基能够有效地减少和控制沉降量及工后沉降量，与其它软基处理方法相比，具有无法替代的优越性。然而，粉喷桩处理软基在设计理论、施工技术及检测方法等方面尚不完善，因此在一定程度上又限制了它的发展。我国于 20 世纪 70 年代末致力于这项技术的开发并应用于工程实践中。1977 年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进行了室内实验和机械研制工作，1978 年底7兰州交通大学毕业设计（论文）制造出我国第一台双搅拌轴、中心管输浆、陆上型的深层搅拌机，1980 年在上海软土加固工程正式采用并获得成功。1980 年初，天津市机械化施工公司与交通部一航局科研所等单位引进开发成功单搅拌轴、叶片输浆型深层搅拌机。1983 年铁道部第四勘察设计院开始进行喷石灰粉搅拌法研究，并获得成功，不久应用于喷水泥粉深层搅拌。目前深层搅拌法可分为喷浆深层搅拌法合喷粉深层搅拌法两种，其中喷浆深层搅拌法在建筑地基处理中应用较广，而喷粉深层搅拌法则在道路工程中广泛应用。（3）工程应用情况深层搅拌水泥土桩问世以来，发展迅速，应用广泛。国外的深层搅拌机械采用了高新技术，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 4080，桩体设计强度取值一般不超过 0.6MPa。深层搅拌水泥土桩在我国应用 10 余年来，应用范围不断扩展，形成了我国的特色。深层搅拌桩率先用于 10 层综合楼的地基处理，大量用于 8 层左右的多层建筑物地基处理以及道路工程中。根据我国国情开发的价格低、机型轻便的搅拌机械，在软土地基加固中取得了显著的社会效益和经济效益。90 年代，我国的水泥土桩发展进入高潮，除西北、西南、东北边远地区以外，其它十几个省、市、自治区，包括台湾，都有应用的实例，尤其以浙江、上海、江苏、广东等省市应用最多。冶金工业部、建设部以及专家、武汉、上海、福建、天津等先后颁布了行业规范及地区性规范（规定），成为当前深层搅拌水泥土桩设计和施工的依据。目前，国内已有粉喷桩加固软弱地基的设计与施工规范。铁道部于1996年2月26发布，1996年4月1日实施的“四化建设喷搅法加固软弱土层技术规范”（TB10113-96)，为铁道部行业规范。上海市建设委员会于1994年12月颂布，1995年4月1日实施的“上海市标准地基处理技术规范”中关于水泥土搅拌法章节，将搅拌桩分为“干法” “湿法”和.除施工不同外，其设计和质量检测不予区别，这为上海地方规范。两年后，即1997年4月28日，由上海市建设委员会发出“关于粉喷桩及探层搅拌桩在建筑工程地基处理中应用问题的通知”(沪建(97)第0372号)，规定于1997年5月1日起报监的工程，一律暂停地基处理中使用粉喷桩，主要原因是粉喷桩的喷粉控制及施工质量有较多缺陷。后经过多方科研机关与厂家联合，粉喷控制问题已基本得到解决，如杭州森宇电控机械有限公司研制的FZ-1型喷粉记录器，从现场实际情况来看巳基本趋于成熟。至于施工质量，加强管理和采取有效措施应该说也能够得以解决。然而通过现场钻取芯和静载荷试验及大量的工程实践，对深部淤泥或淤泥质粘土，其粉喷桩加固的效果并不理想。尽管采取了有8兰州交通大学毕业设计（论文）效的粉喷记录和严格的施工管理，深部桩体的质量保证仍有待进一步提高，表现的效果是核桩体尽管有水泥固化剂，但强度很低，桩体呈明显的软塑体。在工程实践中，由于我国搅拌机械的性能及施工监控系统比较落后，加上操作不认真，设计理论不完善，工程中出现了不少事故，暴露了许多问题。当务之急是继续完善和开发适合我国国情的搅拌机械，重点解决施工监控系统装置的研制。在设计理论上，虽然我国的科技人员进行了大量的工作，在水泥土的基本性质、临界桩长、固结特性、桩体动测等方面取得了可喜的进展，但缺少系统的研究，没有揭示水泥土桩复合地基的应力场和变形场，使设计水平停滞不前。当今水泥土桩应用继续升温，解决上述问题意义重大。现场施工过程中，现场监理人员主要关心的只是计量及平面位置是否正确，这是远远不够的。有很多影响粉喷桩施工质量的因素未被注意，如桩体的复搅深度，在喷灰过程中是否出现停灰等，无法被管理人员了解。在验收阶段一般采用压桩头的方法，这种方法只是一种事后的检测方法，而且所检验的只是桩体上部的强度，对桩体下部强度分布及强度大小，无法做出估计。同时在时间上也无法对粉喷桩的施工质量进行实时控制。这样粉喷桩的施工质量势必会由施工人员的质量意识及施工经验决定。要保证施工质量，必须注意工程的科学管理，严把质量监督关，在质量控制上可以从两方面入手：一是施工过程中的质量控制，即找到能控制施工期间的进尺速度与喷灰量的仪器，动态地监控这些参数，保证喷灰均匀而连续，使喷灰质量符合设计要求。二是成桩后的质量检测，一旦发现问题马上进行处理，对施工过程中的控制结果及时反馈，确保施工质量满足设计要求。（4）深层搅拌法的特点及适用性深层搅拌法加固软土技术，其独特的优点如下： 深层搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度地利用了原土，无须开采原材料，大量节约资源。 针对拟加固土质和加固目的，可以自由选择加固材料，包括水泥粉、水泥浆、石膏、矿渣、粉煤灰、砂或碎石粉末等，设计比较灵活。如果事先加以混合，可以同时喷射两种以上的混合加固材料。 可以自由选择加固材料的喷入量，能适应于多种土质。 除机械挤土的夯实水泥土桩外，其施工工艺震动和噪音很小，减少了对环境和原有建筑物的影响，可以在市内密集建筑群中施工。 土体加固后重度 基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降。9兰州交通大学毕业设计（论文） 与钢筋混凝土桩基相比，节省了大量的钢材，并降低了造价。 根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式。 施工速度快，国产的深层搅拌桩机每台班（8h）可成桩 100150m。人工成孔夯实水泥土桩速度更快。 国产粉喷桩有一定的粉尘污染，采用水泥浆时亦有一些浆液污染。日本等国采用了封闭的输送供给系统，雨天也能施工，基本消除了环境污染。深层搅拌法最适用于加固各种成因的饱和软粘土。国外使用深层搅拌法加固的土质有新吹填的超软土、泥炭土和淤泥质土等饱和软土。加固场所从陆地软土到海底软土，加固深度 60m。国内目前采用深层交办法加固的土质有淤泥、淤泥质土、地基承载力标准值不大于 120kPa 的粘性土和粉性土等地基（限于当前搅拌机械搅拌能力的限制）。加固场所已从陆地发展到海底软土，加固深度一般可以达到 18m。深层搅拌法可用于增加软土地基的承载能力，减少沉降量，提高边坡的稳定性，多数适用于以下情况： 作为建筑物和构筑物的地基加固。 高速公路、铁道和机场场道以及高填方路堤等。 进行大面积地基加固，以防止深基坑开挖时坍塌、坑底隆起和减少软土中地下构筑物的沉降。 对深基坑开挖中的桩侧背后的软土加固，以增加侧向承载能力；作为地下防渗墙，以阻止地下渗透水流。（5）深层搅拌法的加固机理深层搅拌法是用固化剂水泥浆和石灰与外加剂（石膏等）通过特制的深层搅拌机械输入到软土中并加以充分拌和，固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学作用，改变了原状土的结果，使之硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥土和石灰土。由于土质不同，其固化机理也有不同。粉喷桩处治软基属于深层搅拌法中的一种，它是利用压缩空气向软弱土层中输送石灰、水泥等粉状加固料，使其与原位软弱土混合、压密，通过加固料与软弱土之间的离子交换作用、凝聚作用、化学结合作用等一系列物理化学作用，使软弱土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的柱状加固土，它与原位软弱土层组成复合地基，提高软土地基承载力，减少地基沉降量。粉喷桩的加固机理：10兰州交通大学毕业设计（论文） 软土与水泥的化学组成土的化学成分因其成因的不同而有较大的区别。在我国沿海地区，特别是在河海、黄河、长江、珠江、闽江、钱塘江的入海口附近，土层大多属于近代沉积土层，在这些河流的下游流域，分布着含水量很高的软粘土。习惯上，将淤泥、淤泥质土以及大然强度低、压缩性高的一般粘性土等软弱土层统称为软土(Soft Soil)，它是在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成，天然含水量大于液限、天然孔隙比大于1.0 的粘性土。当天然孔隙比大于或等于 1.0 而小于 1.5 时为淤泥质土(Mucky Soil)；当天然孔隙比大于或等于 1.5 时为淤泥(Muck)。软土广泛分布在我国东南沿海、内陆平原和山区，如广东、上海、杭州、宁波、温州、福州、厦门以及昆明和武汉地区。软土的一般特性是其有机含量较一般粘土高，以化学风化形成的次生矿物组成，并以蒙脱石为主要成分，颗粒粒径非常微小，在电子显微镜下呈片状或磷片状；表面带有负电荷，与水有很强的相互作用；表面能大，对于海相沉积的软土，所含的水分中有大量的硫酸盐。粉喷桩施工中用到的水泥一般为普通硅酸盐水泥，它是由硅酸盐水泥熟料、石膏及混合材料等组成。其中硅酸盐水泥熟料对水泥的性能起决定性作用。硅酸盐水泥熟料由多种矿物组成，其实际矿物组成是相当复杂的，是由多种矿物及中间物组成的聚合体 。硅酸盐水泥熟料有代表性的组成矿物有下列四种:硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙及铁铝酸四钙。此外，还含有少量的钙矾石、玻璃相和游离的氧化钙及氧化镁 。硅酸三钙是硅酸盆水泥熟料的主要成分，其含量一般在 1565%左右。硅酸三钙是硅酸二钙在 1250以上时吸收游离的氧化钙而形成的高温化合物。当水泥熟料急冷时，硅酸三钙来不及分解.而以一种亚稳定态存在下来。因此，从热力学角度来看，常温下硅酸三钙处于高能状态，具有较高的化学活性。硅酸三钙的水化速度较快，水化产物的强度较高，是水泥早、中期强度的主要组成成分，对总强度的贡献也较大。另外，硅酸三钙对水泥其它性质的影响也很大。硅酸二钙也是硅酸盐水泥熟料的重要组成成分，其含量一般在 1040%左右。硅酸二钙晶格结构随环境温度的变化而不同，由于水泥熟料的急冷，常温下，硅酸二钙处于亚稳定状态，具有较高的水化活性。但硅酸二钙的水化速度较慢，对水泥的早期强度贡献较小，其主要贡献在水泥的中后期强度，水泥的最终强度在很大程度上取决于硅酸二钙的含量和水化程度。铝酸三钙在水泥熟料中含量一般在 10%以下，但是铝酸三钙的水化速度非常快，水化热高，是水泥早期强度的主要贡献者.但水化铝酸三钙的耐腐蚀性较差，在环境中若11兰州交通大学毕业设计（论文）存在硫酸盐时，铝酸三钙可与硫酸盐形成钙矾石，产生非常大的体积膨胀。因此，当水泥中铝酸三钙的含量较大时，水泥强度受硫酸盐的影响极大.抗硫酸盐腐蚀的能力相当差。铁铝酸四钙的水化也是水泥早期强度的来源之一，它的水化速度非常快，水化热高，是水泥抗折强度的主要贡献者。 水泥加固土的原理软土与水泥采用机械深层搅拌加固的基本原理是基于水泥加固土（即水泥土）的物理化学反应过程。在水泥加固土中，由于水泥的掺量很少（仅仅占被加固土重的 720），水泥水解和水化反应完全是在有一定活性的介质土的围绕下进行，土质条件对于搅拌桩桩身质量的影响主要有两个方面：一是土体的物理力学性质对搅拌桩桩身水泥土搅拌均匀性的影响；二是土体的物理化学性质对桩身水泥土强度增加的影响。因此水泥土硬化速度缓慢且作用复杂，所以水泥加固土强度增长的过程也比较缓慢。 水泥的水解和水化反应普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成，由这些不同的氧化物分别组成了不同的水泥矿物：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。将水泥拌入软土后，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物。各自的反应过程如下：a.硅酸三钙：在水泥中含量最高（约占全重的 50左右），是决定强度的主要因素。2(3CaO SiO2 ) + 6 H 2O 3CaO 2SiO2 3H 2O + 3Ca (OH )2b.硅酸二钙：在水泥中含量较高（占 25左右），它主要产生后期强度。2(2CaO SiO2 ) + 4 H 2O 3CaO 2SiO2 3H 2O + Ca (OH ) 2c.铝酸三钙：占水泥重量的 10，水化速度最快，促进早凝。3CaO Al2O3 + 6 H 2O 3CaO Al2O3 6 H 2Od.铁铝酸四钙：占水泥重量的 10左右，能促进早期强度。4CaO Al2O3 Fe2O3 + 2Ca(OH ) 2 + 10 H 2O 3CaO Al2O3 6 H 2O + 3CaO Fe2O3 6 H 2Oe.硫酸钙：仅占水泥重量的 3，它与铝酸三钙一起与水发生反应，生成一种被称12兰州交通大学毕业设计（论文）为“水泥杆菌”的化合物：3CaSO4 + 3CaO Al2O3 + 32 H 2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 32 H 2O据 X 射线衍射分析可知，这种反应迅速，反应结果把大量的自由水以结晶水的形式固定下来，这对于高含水量的软粘土的强度增长有特殊意义。 粘土颗粒与水泥水化物的作用当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架；有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。a.粒子交换和团粒化作用水泥水化生成的凝胶粒子有强烈的吸附活性，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，形成坚固的联结。从宏观上看也就是使水泥土的强度大大提高。b.凝硬反应SiO2 + Ca(OH ) 2 + nH 2O CaO SiO2 (n + 1) H 2OAl2O3 + Ca(OH ) 2 + nH 2O CaO Al2O3 (n + 1) H 2O这些反应生成的化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。而且由于其结构比较致密，水分不易进入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。c.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，发生碳酸化反应，生成不容于水的碳酸钙。Ca(OH ) 2 + CO2 CaCO3 + H 2O这种反应也能使水泥土增加强度，但增长的速度较慢，幅度也较小。从水泥加固土的机理分析可见，水泥加固土的强度主要来自水泥水化物的胶结作用，在水泥水化物中水化硅酸钙对强度的贡献最大。另外对于软土地基深层搅拌加固技术来说，由于机械的切削搅拌作用，在水泥土中不可避免的会产生强度较大的和水稳定性叫好的水泥石区和强度较低的图快区，两者在空间相互交替，从而形成一种独特的水泥石结构。因此，水泥和土之间搅拌的越充分，土块被粉碎的越小，水泥分布到土中越均匀，则水泥土的结构强度离散性越小，其宏观的总体强度也越高。 桩体强度及其影响因索由于土和水泥水化物之间的物理化学反应过程进行缓慢，因此水泥土柱体的强度随13兰州交通大学毕业设计（论文）时间增加不断增长。与普通混凝土相比，粉喷桩的桩体强度较低，一般设计桩体强度在1.04.OMPa之间，是普通混凝土的约1/10。影响桩体强度的因素很多，但主要因素有:水泥掺合比、水泥标号、龄期、土的含水量、土中有机质含量、外掺剂及其土体围压等，其中以龄期、水泥掺合比、土的含水量影响最为显著。水泥掺合比对水泥上的强度影响较大，当水泥掺合比小于5%时，水泥土固化反应很弱，水泥土比原状土强度增长甚弱，因此加固效果不明显，当掺合比超过20%时，水泥土强度增长随掺合比增加幅度减缓，费用-效果比不合理，导致成本加大，或产生浪费。另外，加固土含水量对水泥土的强度有明显影响，含水量愈小，无侧限抗压强度愈大，反之，就愈小。当含水量达到一定值后，按规范推荐的最大掺合比已经不能保证达到设计强度要求，因此，从经济、合理、有效的角度，在保证水泥土桩强度满足规范要求的前提下，对于含水量较小的软土可适当降低掺合比，而对软土含水量过大的软土宜增加掺合比，最大掺合比可大于 20%，具体掺合比的选用应根据试验确定。（6）深层搅拌法的