地基处理-深层搅拌法.ppt

第五章 深层搅拌法,第五章 深层搅拌法,概 述 加固机理 桩身材料及物理力学性质 复合地基设计计算 施工要点,第一节 概述,深层搅拌法 利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械边钻进边往软土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深部就地将软土和固化剂强制拌和，使软土硬结形成加固体，从而提高地基的强度和增大变形模量。加固体和天然地基形成复合地基，共同承担建筑物的荷载。,第一节 概述,从施工工艺上可分为湿法和干法两种 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。,第一节 概述,干法常称为粉喷搅拌法 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，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。,第一节 概述,干法和湿法相比较，具有如下特点： 1、干法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、干法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，其适应的工程对象较广。,第一节 概述,干法和湿法相比较的特点： 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。,适宜形式,作为建筑物或构筑物的地基； 进行大面积地基加固，防止码头岸壁滑动，深基坑开挖支护； 加固道路、桥涵； 作为地下防渗墙，阻止地下水渗透。,适用条件,目前国内水泥土深层搅拌法主要用于加固淤泥、淤泥质土、地基承载力不大于120kPa的粘性土和粉土等地基。 用于处理泥炭土和地下水具有侵蚀性时，应通过试验确定。,主要特点,基本不存在挤土效应，对周围地基扰动小； 可根据不同土质和工程设计要求，合理选择固化剂及配方，应用较为灵活； 施工无振动，无噪音，污染小，可在市区和建筑物密集地带施工； 土体加固后，重度基本不变，软弱下卧层不致产生较大附加沉降 ； 结构型式灵活多样，可根据工程需要，选用块状，柱状、壁状、格栅状。,水泥土 的 形成,水泥土搅拌桩的应用,a)柱状布置；b) 壁状布置；c) 格栅状布置；d) 块状布置,地基加固,支护结构 水泥土墙,支护结构水泥土墙,支护结构水泥土墙,水泥土搅拌桩的应用 地基加固,第二节 加固机理,加固原理 其基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程，通过专用机械设备将固化剂灌入需处理的软土地层内，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，即水泥骨架作用，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。,第二节 加固机理,分类 按固化剂的不同分为水泥系与石灰系 按灌注材料状态分为湿法与干法 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。,第二节 加固机理,水泥土的强度机理主要有两个方面的作用： 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。,第二节 加固机理,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。,第二节 加固机理,一、水泥浆喷射深层搅拌加固机理 水泥土加固软土的物理化学反应 (一)水泥的水解和水化反应 (二)粘土颗粒与水泥水化物的作用 (三)碳酸化作用,第二节 加固机理,(一)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。,第二节 加固机理,(一)水泥的水解水化反应 硅酸三钙：在水泥中含量最高(50)，是决定强度的主要因素。 硅酸二钙：在水泥中含量较高(25%)，它主要产生后期强度。 铝酸三钙：占水泥总量的10左右，水化速度最快，促进早凝。,第二节 加固机理,(一)水泥的水解水化反应 铁铝酸四钙：占水泥总量的10作用，能促进早期强度。 硫酸钙：含量3左右，生成“水泥杆菌”状的化合物，能将大量自由水一结晶水形式固定下来，使土中自由水减少。,第二节 加固机理,(二)粘土颗粒与水泥水化物的作用 1.离子交换和团粒化作用 粘土颗粒带负电，吸附阳离子，形成胶体分散体系。表面带有钾离子或钠离子，可与水泥水化反应的钙离子进行离子交换，产生凝聚，形成较大的团粒，提高土体强度。,第二节 加固机理,(二)粘土颗粒与水泥水化物的作用 2.硬凝反应 在碱性环境下，溶液中析出大量的钙离子，与二氧化硅或三氧化铝产生化学反应，生成不溶于水的铝酸钙等结晶水化物。在水中和空气中逐渐硬化，提高水泥强度，使水泥具有足够的水稳定性。,第二节 加固机理,(三)碳酸化作用：水泥水化物中游离的氢氧化钙吸收水中和空气中的二氧化钙，发生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸钙。使地基土的分散度降低，强度和防渗性能增强。,第二节 加固机理,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。,第二节 加固机理,二、水泥粉喷体喷射深层搅拌加固机理 采用水泥粉体、生石灰和消石灰等粉体固化剂，粉体固化剂与原状土搅拌混合后，使地基土和固化剂发生一系列物理化学反应，生成稳定的水泥土或石灰土。水泥粉体加固原理同水泥浆体。,第二节 加固机理,三、石灰粉喷体喷射深层搅拌加固机理 1.石灰的吸水作用 2.石灰的发热 3.石灰的吸水膨胀 4.离子交换作用与土粒的凝聚作用 5.石灰的胶凝作用,第三节 物理力学性能,一、桩身材料 固化剂、外加剂、水组成的混合料 固化剂：水泥类、石灰类及沥青类和化学材料类 水泥：硅酸盐、普硅，矿渣、火山灰和石膏。水泥种类需与被加固土质相适应。 石灰：生石灰、消石灰等 外加剂：粉煤灰、木质素磺酸钙、石膏、三乙醇胺、氯化钠、氯化钙和硫酸钠等外掺剂。,第三节 桩身材料及物理力学性能,二、物理性质 水泥掺入比为 水泥掺入量为,第三节 物理力学性能,二、物理性质 (1)含水量 水泥土的含水量低于原状土样含水量0.5%7.0% ，并且随水泥掺入比的增加而减小。 (2)重度 水泥土的重度比天然软土的重度增加0.5%3.0% ，不会对下卧层产生过大附加荷载，不会产生较大附加沉降。 (3)渗透系数 水泥掺入比越大，龄期越长，渗透系数越小。,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 (1)无侧限抗压强度的影响因素 (2)抗拉强度 (3)抗剪强度 (4)变形模量、压缩系数和压缩模量,第三节 物理力学性能,三、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3004000kPa，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。,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 1)无侧限抗压强度及其影响因素 水泥掺入比对强度的影响 龄期对强度的影响 水泥标号对强度的影响 土样含水量对强度的影响 土样中有机质含量对强度影响 外掺剂对强度的影响 养护方法,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 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，水泥与土的反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散性也较大，故在实际施工中，选用的水泥掺入比必须大于7%。,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 龄期对强度的影响 水泥土的强度随着龄期的增长而提高，一般在龄期超过28d后仍有明显增长。 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fcu约增大(5090)%。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(23)%。,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 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。一般情况下，土样含水量每降低10，则强度可增加(1050)%。（粉喷桩含水量过低强度下降）,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 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。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应的进行。因此，有机质含量高的软土，单纯用水泥加固的效果较差。,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 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。木质素磺酸钙对水泥土强度的增长影响不大，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，所以选择合适的外掺剂可提高水泥土强度和节约水泥用量。,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 外掺剂对强度的影响 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，其掺入量宜分别取水泥重量的0.05%、2%、0.5%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0.2%；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%。,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 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长。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%。,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 养护方法 养护方法对水泥土的强度影响主要表现在养护环境的湿度和温度。 国内外试验资料都说明，养护方法对短龄期水泥土强度的影响很大，随着时间的增长，不同养护方法下的水泥土无侧限抗压强度趋于一致，说明养护方法对水泥土后期强度的影响较小。,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 2)抗拉强度 水泥土的抗拉强度随无侧限抗压强度的增长而提高。 3)抗剪强度 水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。 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E50。 E50 =126 fcu,第三节 物理力学性能,三、水泥土的力学性质 5)压缩系数和压缩模量 水泥土的压缩系数约为(2.03.5)10-5(kPa)-1，其相应的压缩模量ES(60100)MPa。,第四节 复合地基设计,设计原理 桩土共同承载 承载 桩的承载力 + 桩间土承载力（折减） 沉降 桩范围的压缩 + 桩端以下土的沉降,第四节 复合地基设计,一、现场试验 二、水泥土搅拌桩设计 三、水泥土搅拌桩计算,第四节 复合地基设计,一、现场试验 (一)设计前应取得的资料 (二)水泥土的室内配比试验； (三)水泥土搅拌桩的野外试验,第四节 复合地基设计,一、现场试验 (一)设计前应取得的资料 工程地质资料； 土质资料；土质分析：有机质含量，可溶盐含量，总烧失量等； 水质资料。水质分析：地下水的酸碱度PH值，硫酸盐含量,第四节 复合地基设计,一、现场试验 (二)水泥土的室内配比试验； 1.试验目的 了解水泥掺入量、水灰比、水泥的品种及外掺剂掺量对水泥土强度的影响，为设计计算及施工工艺控制提供可靠的参数。,第四节 复合地基设计,一、现场试验 (二)水泥土的室内配比试验； 2.土样制备 拟加固现场取：原状土样与风干土样。 3.固化剂的选择 确定水泥品种和水泥掺入比。 4.外掺剂选择 5.试验设备与规程 6.试件的制作和养护,第四节 复合地基设计,一、现场试验 (三)水泥土搅拌桩的野外试验 1.试验目的 根据室内配比结果求得的最佳配比进行现场试验； 由现场试验结果，推出室内石块与现场桩身强度之间的关系； 确定施工工艺参数，确定水泥浆的水灰比； 比较不同桩长与不同桩身强度时的单桩承载力； 确定水泥土搅拌桩复合地基承载力。,第四节 复合地基设计,一、现场试验 (三)水泥土搅拌桩的野外试验 2.试验方法 在桩身上现场取样，在龄期相同时，比较试样之间强度关系； 进行单桩和复合地基承载力试验； 埋设土压力盒，了解复合地基反力分布及桩土应力比分配情况。,第四节 复合地基设计,一、现场试验 (三)水泥土搅拌桩的野外试验 3.试验结果 正常情况下，现场与室内水泥土试块强度关系： 单桩和复合地基承载力设计值可根据载荷试验取PS曲线确定； 初步确定合理的施工工艺参数。,第四节 复合地基设计,二、水泥土搅拌桩设计 (一)布桩形式 (二)加固范围,第四节 复合地基设计,二、水泥土搅拌桩设计 (一)布桩形式 搅拌桩可布置成柱状、壁状、格栅状和块状四种型式。,第四节 复合地基设计,布桩形式,第四节 复合地基设计,二、水泥土搅拌桩设计 (一)布桩形式 柱状：每隔一定的距离打设一根搅拌桩，即成为柱状加固型式。适合于单层工业厂房独立柱基础和多层房屋条形基础下的地基加固。 壁状：将相邻搅拌桩部分重叠搭接成为壁状加固型式。适用于深基坑开挖时的边坡加固以及建筑物长高比较大、刚度较小，对不均匀沉降比较敏感的多层砖混结构房屋条形基础下的地基加固。,第四节 复合地基设计,二、水泥土搅拌桩设计 (一)布桩形式 块状：对上部结构单位面积荷载大，对不均匀下沉控制严格的构筑物地基进行加固时可采用这种布桩型式。它是纵横两个方向的相邻桩搭接而形成的。 格栅状：将相邻搅拌部分重叠搭接即成壁状或格栅状。适用于软土深基坑边坡的围护结构。,第四节 复合地基设计,二、水泥土搅拌桩设计 (二)加固范围 可仅在上部结构基础范围内布桩，基础以外不设置保护桩,第四节 复合地基设计,三、水泥土搅拌桩计算 1.单桩竖向承载力计算 2.复合地基承载力计算 3.下卧层强度验算 4.复合地基的变形计算,第四节 复合地基设计,1.单桩竖向承载力计算 由桩身强度定 由地基承载力定 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； 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 qs 桩周土平均容许摩阻力如表631; 桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.40.6,第四节 复合地基设计,搅拌桩桩周土的容许摩阻力,第四节 复合地基设计,1.单桩竖向承载力计算 设计中取=0.350.50。施工质量高，地质条件筒单，对地基沉降要求又不高时，取高值，反之取低值。 目前设计中常取=0.5。 应使桩体强度与承载力相协调 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。,第四节 复合地基设计,2.复合地基承载力计算 fsp,k复合地基的承载力标准值； fs,k 桩间土天然地基承载力标准值； m 面积置换率； 桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时，可取0.51.0，当桩端土为硬土时，可取0.10.4，当不考虑桩间软土作用时，可取零。,第四节 复合地基设计,2.复合地基承载力计算 根据设计要求的单桩竖向承载力特征值Rkd和复合地基承载力特征值fsp,k计算搅拌桩的置换率m和总桩数n：,第四节 复合地基设计,3.下卧层强度验算 同垫层法,第四节 复合地基设计,3.下卧层强度验算 同垫层法,第四节 复合地基设计,4.复合地基的变形计算 水泥土桩复合地基的变形s包括： 复合土层的变形S1和桩端以下土层变形S2两部分组成。 桩群体的压缩变形值S1可根据上部结构、桩长、桩身强度等因素按经验取20-40mm。 桩端以下未加固土层的压缩变形值S2可按分层总和法计算。,第四节 复合地基设计,4.复合地基的变形计算 (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： po 群桩体顶面处的平均压力； poz 群桩体底面处的附加压力； L 实际桩长； Eps 复合土层压缩模量；,第四节 复合地基设计,4.复合地基的变形计算 (2)桩端以下土层的变形S2计算 未加固土层的压缩变形S2可按现行国家标准建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）的有关规定按分层总和法计算进行计算。,第五节 深层搅拌法施工,一、粉体搅拌桩(DJM法) 1、施工设备 2、施工工艺 二、水泥浆液搅拌法(CDM法) 1、施工设备 2、施工工艺 三、施工要点,第五节 深层搅拌法施工,一、粉体搅拌桩(DJM法) 采用水泥粉料，由空气输送，通过搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷出，并随着搅拌叶片的旋转均匀分布在整个空隙轨道面内，进而和原位地基土搅拌并混合在一起。 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，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。,第五节 深层搅拌法施工,1.施工设备：由喷粉桩机、粉体发送器、空气压缩机、搅拌钻头(500-700)等组成。,第五节 深层搅拌法施工,工作原理,第五节 深层搅拌法施工,技术参数,第五节 深层搅拌法施工,2.施工工艺 工艺参数确定 包括：提升速度、单位时间喷粉量和喷粉压力。 提升速度 喷粉量 喷粉压力：一般控制在0.250.4Mpa之间，灰罐内气压比管道内的气压高0.020.05MPa。,第五节 深层搅拌法施工,（2）施工工序 施工工序主要为 1）柱体对位 2）下钻 3）钻进结束 4）提升喷粉 5）提升结束桩形成体等几个步骤。,第五节 深层搅拌法施工,二、水泥浆液搅拌法(CDM法) 1、施工设备 包括：深层搅拌机和配套设备。 根据搅拌轴的数量分为：单轴和多轴深层搅拌机。深层搅拌机的喷浆方式有叶片喷浆和中心管喷浆。 （1）深层搅拌机 SJB-1 型深层搅拌机（双搅拌轴中心管输浆） GZB-600 型深层搅拌机（单搅拌铀叶片喷浆）,SJB-1 GZB-600,SJB-1 型深层搅拌机,GZB-600 型深层搅拌机,第五节 深层搅拌法施工,叶片喷浆搅拌头,第五节 深层搅拌法施工,SJB-1中心管喷浆,第五节 深层搅拌法施工,SJB-1中心管喷浆,第五节 深层搅拌法施工,配套设备 包括起吊设备、固化剂制备系统和电气控制装置。,第五节 深层搅拌法施工,配套设备 包括起吊设备、固化剂制备系统和电气控制装置。,第五节 深层搅拌法施工,配套设备 包括起吊设备、固化剂制备系统和电气控制装置。,第五节 深层搅拌法施工,配套设备 包括起吊设备、固化剂制备系统和电气控制装置。,第五节 深层搅拌法施工,配套设备 包括起吊设备、固化剂制备系统和电气控制装置。,第五节 深层搅拌法施工,配套设备 包括起吊设