（岩土工程专业论文）水泥搅拌桩加固桥头软基试验研究.pdf

摘要 本文以河北省沿海高速公路唐山段水泥搅拌桩处理桥头软土地基为工程背景，在简 要介绍了水泥土桩复合地基加固机理的基础上，详细描述了软土路基试验观测方案和试 验观测方法，结合试验所取得的地表沉降、侧向水平位移、孔隙水压力、土压力观测数 据和单桩复合地基承载力试验数据，对水泥搅拌桩的变形与受力特性、加固效果进行深 入分析。试验表明：水泥搅拌桩加固软土地基，采用深层搅拌法打穿软弱土层、通过变 桩距设计形成沉降过渡段，经过超载预压后大大降低了桥台与引道之间的工后沉降差， 对于预防桥头跳车有良好的效果；地基经过桩体的加强作用抗侧向变形能力增强，减小 了土体在外荷载作用下对桥台桩的侧向挤压力；经水泥搅拌桩加固所形成的复合地基在 承载时，桩土应力比随着桩间距的增大而增大，桩体很好的发挥了承担的荷载作用等。 最后，本文在现有的文献和试验资料的基础上，采用双曲线法和星野法对沉降数据进行 了良好的拟合，预测出工后沉降，确定了预压土卸载和铺筑路面的时间，指导了该高速 公路软土地基路段的施工。 关键词：水泥搅拌桩、软土地基、变形规律、加固效果、工后沉降 a b s t r a c t t h ep a p e ri so i lt h eb a c k g r o u n do ft h ec e m e mm i x e dp i l e st r e a t e do nt h es o f tc l a yg r o u n di n b r i d g e h e a d - j u m p i n gs e c t i o nf o ry a n h a ie x p r e s s w a yi nh e b e ip r o v i n c e ，w h i c hi i l a k e sar o u g hi n t r o d u c t i o n o ft h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m , a n dd e s c r i b e st h eo b s e r v a t i o ns c h e m ea n dm e t h o dd e t a i l y , b a s e do nt h e g r o u n ds e t t l e m e n t 、d e e ph o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t 、p o r ew a t e rp r e s s u r e s 、s o i lp m s s l l r e 、t h eb e a r i n g c a p a c i t yo fs i n g l ec e m e n tt r e a t e dc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，t h ea r t i c l ea n a l y z e st h ed e f o r m a t i o n 、m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i ca n dc o n s o l i d a t i n ge f f e c tt h o r o u g h l yu s i n gt h ec e m e n t s o i ld e e pm i x i n gp e n e t r a t i n gt h es o f t c l a yg r o u n da n dt h e 刚e m e m t r a n s i t i o ns e c t i o nf o r m e db yd e s i g n i n gv a r i a b l ep i l es p a c i n g ，t h et e s tr e s u l t s s h o w st h a tc e m e n tm i x m gp i l ec a l lg r e a t l yr e d u c et h es e 砌e m e n td i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea b u t m e n ta n dt h e a p p r o a c h a f t e rc o n s t r u c t i o nt h r o u g hs u r c h a r g ep r e l o a d i n ga n dc a np r e v e n tt h eb r i d g eh e a dj u m p e f f e c t i v e l y ；t h ep i l ee a r t hs t r e s sr a t i oi n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ep i l es p a c i n gi n c r e a s e sa n d , s oo n 。f i n a l l y , b a s e do nt h ee 五s m dl i t e r a t u r e sa n de x p e r i m e n td a t a b a s e ，t h ea r t i c l ea n a l y z et h es e t t l e m e n ta f t e r c o n s t r u c t i o no ft r i a ls e c t i o n ，a n dp r e d i c tt h es e t t l e m e n tu s i n gt h eh y p e r b o l i cm e t h o da n dx i n g y em e t h o d ， t h ef i t t i n ge f f e c ti sw e l l u s i n gp r e d i c tr e s u l t s ，t h et i m eo fp r e c o m p r e s s i o ne a r t hu n l o a d si sd e t e r m i n e d ，t h e c o n s t r u c t i o no fs o f ts o i lr o a ds e c t i o ni si n s t r u c t e d 。 k e y w o r d s ：c e m e n tm i x i n gp i l e ；s o rc l a yg r o u n d ；d e f o r m a t i o np a t t e r n ；e n h a n c e m e n t e f f e c t ；p o s tc o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 扇召呼2 6 吵年多月1 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 劫召晖孙7 年占月e l 乡睨佯矽口7 年乡月厂日 长安大学硕士学位论文 第一章概述 为了适应现代化的要求，实现交通运输高效率，高速公路和其它高等级公路建设在 我国发展很快。高速公路建设在我国目前还不到2 0 年的时间，但至今已建成4 万多公 里的总里程。高等级公路网不仅是交通现代化的标志，也是国家现代化的标志。2 0 0 4 年1 2 月1 7 日国务院审议通过的国家高速公路网规划标志着我国高速公路的发展进 入了新的历史阶段。规划确定的国家高速公路网采用放射线与纵横网格相结合的布 局形态，构成由中心城市向外放射以及横连东西、纵横南北的公路交通大通道，包括7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线，可以简称为“7 9 1 8 网”，总规模大 约为8 万5 千公里。 高速公路作为线性的网状构筑物，跨越地区广泛，沿线地质条件复杂。现阶段我国 建于沿海诸省的高速公路，其地质条件大部分为淤泥质土海岸，多为淤泥、淤泥质粘土、 淤泥质亚粘土及淤泥混砂层，属于饱和的正常压密软粘土。这些软土具有含水量高、孔 隙比大、渗透性小、压缩性高、抗剪强度低、触变性等不利工程性质。因此，在软土地 区修筑高等级公路，一直是高等级公路建设中的一个重大技术难题。由于计算理论不完 善和软土本身的复杂性、各地软土性质的差异、勘探过程中的误差、以及不同软基处理 方法的使用，使软土地基路堤问题更为复杂和突出【2 1 。多年的高等级公路建设表明，软 土地基路堤是公路建设中的问题集中地段。 1 1 桥头跳车及处理措施 1 1 1 桥头跳车的产生及其危害 由于建造在软土地基上的桥台通常采用桩基础，因此沉降量很小，而与此相连接的 高填方路堤的沉降量很大，并且一般要经历很长的固结时间，所以在桥台与填土路堤之 间存在着显著的差异沉降，这种差异沉降引起纵坡突变，于是就产生了“桥头跳车”现象。 一般来说，桥台与路堤连接处沉降高差达到1 c m 以上的台阶时，就会使行车产生了明 显的颠簸不适【3 】1 4 j 1 5j 。 公路桥头跳车问题是目前国内公路工程中最常见的病害，而且随着我国公路的发 展，这个问题越来越突出。这些台阶，轻的使车辆通过时产生跳动和冲击，从而对桥梁 和路面造成附加的冲击荷载，并使司乘人员感到颠簸不适，严重的则使通过的车辆大幅 度减速，有的甚至造成行车事故，从而影响了公路的正常营运。公路桥头跳车不但在我 第一章概述 国的公路中存在，在国外也是尚未彻底解决的难题。为了解决桥头跳车，保持良好的路 况，有关科研、设计和施工单位都从不同角度进行过研究。公路养护部门每年都要花费 相当数量的资金进行维修和养护。 桥头跳车现象不仅会降低汽车运行速度和舒适性，而且会造成交通事故，大大降低 公路的经济效益和社会效益。其具体危害如下： 1 跳车对车速的影响 桥头处形成的台阶，使车辆的行驶速度受到不同程度的影响。车速的降低幅度视桥 面类型、台阶高度、车辆类型和行驶速度而异。根据调查，台阶对车速的影响一般呈如 下规律： ( 1 ) 很小的台阶对车辆行驶影响不大，只是当台阶达到一定高度时，对车速才有 显著的影响。台阶越高，特别是达到4 c m 以上时，对车速影响很大。 ( 2 ) 车速的损失与车辆的行驶速度有关。以较小的车速行驶时，减速幅度较小； 中速行驶时减速幅度较大；而当以较高的速度行驶时减速幅度也相对较大，这与司机行 驶看到台阶和做出的即时反应有关。 ( 3 ) 台阶对不同类型车辆行驶的影响也是不同的，如较高台阶对小汽车行驶的影 响就较大，而重载货车对台阶不如空车敏感。其次司机的心理状态、对道路的熟悉程度 等都对通过台阶时的速度降低有不同程度的影响。 2 加大养护费用、降低道路使用质量 当前，我国高等级公路的修建每公里造价均在上千万元，建成以后为了维持良好的 使用状态，对桥涵两端的台阶均要进行及时的维修和养护。不断的维修养护不仅花费了 大量的人力、物力和财力，而且也产生了不良的社会影响。公路等级越高，所设置的结 构物也越多，因此形成许多高低不一的桥头台阶。因为有台阶就导致汽车减速行驶，使 得车辆不可能在公路全线( 或某一区段) 以正常速度行驶。据观测和测试，汽车遇到台阶， 一般要提前减速，驶过台阶以后还需要大约相同的距离加速以恢复正常行驶速度。这样， 既增加车辆的行驶时间，加大了油耗，同时对车辆本身及路面和桥涵结构均会产生较大 冲击和破坏。 1 1 2 防止桥头跳车的措施 桥台跳车造成如此大的危害，如何保证桥头引道路堤地基的稳定性和减小桥台和引 道路堤之间的工后沉降差是设计需要解决的重要问题。通常采用下述措施以减少桥台和 2 长安大学硕士学位论文 引道路堤之间的工后沉降差【l 】： 1 通过对桥头引道路堤进行地基处理，以减少引道路堤的沉降。供选用的地基处 理方法很多，可以分为两类：土质改良法和复合地基法，也可采用桩基础。 ( 1 ) 土质改良法 土质改良法中通常采用排水固结处理地基。在软土地基上修建高速公路，由于排水 固结法处理软土地基具有成本低、效果好的优点，一般应优先考虑。但采用排水固结法 加固桥头引道路堤地基时还有几个问题是与一般线路的软土路堤加固不同的：一是地基 排水固结沉降对桥台桩基产生的负摩阻问题；二是地基排水固结处理后工后固结沉降与 次固结沉降值的合理控制问题；三是引道地基堆载预压加固与桥台施工衔接处的相互配 合问题。 ( 2 ) 复合地基法 复合地基法中常采用水泥土桩复合地基，或低强度桩复合地基，或刚性桩复合地基 加固地基。采用复合地基法时在复合地基与路堤间应铺设刚度较好的垫层，如加筋碎石 垫层、灰土垫层等，以改善复合地基性状。未设垫层的复合地基应慎用。 水泥土桩复合地基：可通过深层搅拌法形成水泥土桩复合地基。采用深层搅拌 法加固路堤地基需要注意的问题是：采用深层搅拌法加固桥头引道路堤地基加固区应覆 盖主要软弱土层，否则工后沉降较大，为减少复合地基沉降量也应尽量减少软弱下卧层 的厚度。 低强度桩复合地基：低强度复合地基主要指采用沉管灌注法施工形成的桩身强 度较低的一类混凝土桩复合地基。与深层搅拌法复合地基相比，它有两个优点：一是低 强度桩复合地基加固深度可以较深；二是低强度桩比搅拌桩施工质量相对容易控制。采 用低强度桩复合地基处理建设成本较水泥土桩复合地基高。 刚性桩复合地基：预应力薄壁管桩复合地基和大直径薄壁简桩复合地基也可以 认为是刚性桩复合地基。预应力薄壁管桩和大直径薄壁筒桩两者质量好，但成本高。 ( 3 ) 桩承堤法：桩承堤是在地基中设置钢筋混凝土桩，桩端设置钢筋混凝土承台， 在桩承台上铺设土工格栅，然后再填筑路堤，路堤荷载和以后的行车荷载基本上是由桩 承担。桩承堤实际上是桩基础。采用桩承堤处理建设成本高。 2 通过采用轻质填料减轻路堤荷载，以减少引道路堤沉降 桥头引道路堤填筑高度大，除对路堤软弱地基处理外，常辅以采用轻质填料填筑路 堤以减轻路堤荷载从而减少引道路堤的沉降。轻质填料如粉煤灰、气泡混合轻质土和 3 第一章概述 e p s 超轻质填料。采用轻质填料填筑路堤，不仅可以减轻路基上的荷载，也可以减少作 用在桥台上的土压力。 3 设置桥头搭板 通过在桥头引道与桥头相接处设置桥头搭板以减轻桥梁和引道路堤之间产生较大 不均匀沉降对通行的影响。 4 工后修补 在满足引道路堤地基稳定性前提下，允许引道路堤产生较大的工后沉降，允许桥梁 和引道路堤之间产生较大不均匀沉降。通过预留抛高和工后对引道路基路面进行修补， 调整产生的不均匀沉降差，以满足要求，这也是一种对策，在工后修补对维持交通影响 不大的条件下应是一种很好的方法。是通过高标准的一次性处理来尽量避免工后修补， 还是尽量节省费用通过工后修补来保证质量，应通过综合分析确定。 上述措施可综合应用。 1 2 水泥搅拌桩概述 1 2 1 水泥搅拌桩的概念 水泥搅拌桩是利用水泥或水泥系材料作为固化剂，通过特别的深层搅拌机械，在地 基深处就地将原位土和固化剂( 浆液或粉体) 强制搅拌，利用固化剂与土之间产生一系 列的物理、化学反应，使软土硬结成水泥土圆柱体，桩周土得到部分改善，组成具有整 体性、水稳性和一定强度的水泥加固土体。水泥加固土与天然地基共同作用形成复合地 基，共同承担上部建筑物的荷载6 1 7 1 。 水泥搅拌桩复合地基作为一种地基处理方式与目前采用的其他方法相比，由于设备 简单、施工方便、噪音小、无振动、工期短、投资少且不污染环境，对相邻建筑物无不 利影响，而且适用的材料仅为水泥，对软土厚度大、含水量高、孔隙比大、力学强度低 的地基有较好的加固效果，这些优点决定了该技术在软弱地基加固中有旺盛的生命力和 广阔的发展前景。 1 2 2 水泥搅拌桩的技术发展简史 自1 8 2 4 年英国人阿斯皮琴制造出硅酸盐水泥并取得专利以来，利用水泥和土拌合 作为道路基层己得到应用，但主要是作土的浅层处理。 4 长安大学硕士学位论文 美国在第二次世界大战后，曾成功研制开发一种就地搅拌桩( m p ) ，即从不断回 转的螺旋钻中空轴的端部向周围被搅松的土中喷出水泥浆，经叶片的搅拌而形成水泥土 桩，桩径o 3 - - 0 4 m ，长度1 0 - - - 1 2 m 。1 9 5 3 年日本清水建设株式会社从美国引入这种施 工方法。1 9 6 7 年日本港湾技术研究所土工部参照m p 工法的特点，开始研制石灰搅拌 施工机械。在此基础上，1 9 7 4 年日本港湾技术研究所、川崎钢铁厂等对石灰搅拌机械 进行改造，合作开发研制成功水泥搅拌固化法( c m c 法) ，用于加固钢铁厂矿石堆场 地基，加固深度3 2 m 。接着日本各大施工企业接连开发研制出加固原理、固化剂相近， 但机械规格、施工效率各异的深层搅拌机械，形成了多种方法，常在港1 3 建筑中的防波 堤、码头岸壁以及高速公路高填方下的深厚层软土地基加固工程中应用。目前已经是日 本软土地基加固方法中应用的较多的一种方法。 前苏联在1 9 7 0 年也研制成功一种淤泥水泥土桩( 类似于美国m p 方法) ，用于港 湾建设工程中。淤泥土含水量虽高达1 0 0 - - 1 2 0 ，但掺加1 0 - 1 5 水泥后，半年龄期 强度可达3 m p a 。计算表明淤泥水泥土桩比钢筋混凝土桩的造价低4 0 。 我国深层搅拌法技术的发展可分成两个阶段：第一阶段为国内由冶金部建筑研究总 院和交通部水运规划设计院于1 9 7 7 年1o 月开始进行深层搅拌法的室内试验和机械研制 工作，1 9 7 8 年末制造出国内第一台s j & i 型双搅拌轴、中心管输浆、陆上型的深层 搅拌机及其配套机械，加固深度1 0 - - 1 2 米；1 9 7 9 年在塘沽新港开始进行机械考核和搅 拌工艺试验；1 9 8 0 年初上海宝山钢铁总厂第五冶金建设公司在三座卷管设备基础软土 地基加固工程中正式采用并获得成功。同年1 1 月由冶金部基建局主持，通过了“饱和软 粘土深层搅拌加固技术”鉴定，认为今后可逐步推广使用。第二阶段是1 9 8 0 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械进行改 装，制成单搅拌轴、叶片喷浆型深层搅拌机，1 9 8 1 年在天津造纸厂蒸煮锅改造扩建工 程中首次应用也获得成功。1 9 8 5 年4 月又在天津市织物厂整理车间地基加固中扩大应 用。1 9 8 5 年7 月浙江省建筑设计院也在新建八层大楼工程中应用深层搅拌法加固人工 杂填土地基，扩大了深层搅拌法适应土质的范围。另外，从1 9 9 1 年以来各地的机械制 造厂又因地制宜制造出双搅拌轴、翼片喷浆型和可变轴距的双轴搅拌机。 随着国民经济建设的发展，深层搅拌法的应用得到了很快的发展，它已广泛的应用 于工业厂房、民用住宅、市政工程、交通工程、港口工程等。从全国范围来看，每年施 工的搅拌桩均超过3 0 0 0 万延米，累计已超过3 7 亿延米，取得了可观的经济效益和良 好的社会效益。 第一章概述 1 2 3 水泥搅拌桩的适用范围 1 适用土质与加固深度 水泥搅拌桩适宜加固各种成因的饱和软粘土。国外使用水泥搅拌桩加固的土质有新 吹填的超软土、沼泽地带的泥炭土、沉积的粉土和淤泥质土等。国内常用于加固淤泥、 淤泥质土、地基承载力不大于1 2 0 k p a 的粘性土和粉性土等土层，加固的场所从陆上软 土到海底软土，加固深度从数米到五、六十米。水泥加固土的室内试验表明，有些软土 的加固效果较好，有的较差。一般认为含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的 软土加固效果较好【7 】【8 】【9 】；而含有伊利石、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机 质含量高、酸碱度( p h 值) 较低的粘性土的加固效果较差。 2 适用工程对象 水泥土搅拌桩适用于以下工程对象： ( 1 ) 软土地基加固、边坡支护、基坑防渗等方面； ( 2 ) 作为建筑物或构筑物的地基、厂房内具有地面荷载的地坪、高填方路堤下的 基础等； ( 3 ) 进行大面积地基加固，以防止码头岸壁的滑动、深基坑开挖时边坡坍塌、坑 底隆起和减少软土中地下构筑物的沉降等； ( 4 ) 作为海中( 水中) 堤体的地基；作为地下防渗墙以阻止地下水渗透；对桩侧或 板墙背后的软土加固以增加侧向承载能力。 1 2 4 水泥搅拌桩的作用 由于通过水泥搅拌桩处理，在原软土地基中形成刚度较大的桩体，同时也使桩周土 体的性质得到改善，桩体与桩间土体形成复合地基共同承担外荷载，因此，经水泥搅拌 桩处理的地基，承载力得到提高，工后沉降大大减少。由于桩体作用，地基抗剪强度增 加，提高了地基稳定性。对软土地基工程来说，水泥搅拌桩具有下述三个方面作用： ( 1 ) 桩体作用：由于水泥搅拌桩桩体的刚度较桩周土体大，在路堤填筑荷载作用 下，复合地基中的应力将按材料模量进行分布。因此，产生应力集中现象，大部分填土 荷载由桩体承担，作用在桩间土的应力相对减少。这样就使得复合地基承载力较原地基 有所提高，沉降量有所减少。 ( 2 ) 垫层作用：水泥搅拌桩通过喷注水泥浆与地基土原位均匀搅拌硬结成桩体， 6 长安大学硕士学位论文 并与桩间土复合形成一个复合地基或复合层。显然这一层的力学特性优于天然地基软 土，起着均匀应力和增大应力扩散角的作用。 ( 3 ) 加筋作用：水泥搅拌桩除了提高地基的承载力，还可起到提高土体的抗剪强 度，增加软基路堤填筑的稳定性。 1 3 本文的任务 1 3 1 问题的提出 “桥头跳车”作为一种公路建设中的常见病害，急需进行整治，在以往的高速公路建 设中，人们探寻出一些处理方法，但由于资金投入和各地的地质情况不一，故仍未从根 本上解决问题。 为了解决桥头跳车，确保车辆行车舒适和安全，有必要采取一种经济、合理的地基 加固方式，确保工后沉降满足要求，施工周期相对较短。水泥搅拌桩处理桥头软土地基， 能够有效地减少和控制沉降量及工后沉降量，并能适应快速加载的要求，缩短建设周期， 与其他软基处理方法相比，具有不可代替的优越性，在高速公路软基处理中得到了广泛 的应用。虽然水泥搅拌桩己经在实际工程中得到广泛应用，但关于水泥搅拌桩很多问题 还没有在理论上取得突破，总的来说，是理论落后于实践。水泥搅拌桩处理公路软土地 基时，在加固机理、受力变形、沉降与稳定性问题以及复合地基设计等方面均有其独特 的一面，不能简单地套用其他刚性桩和柔性桩的计算分析方法，也不能照搬水泥搅拌桩 处理一般建筑地基的设计思路。 1 3 2 本文的任务 本文结合河北省沿海高速公路软土地基综合治理研究的科研项目，通过对t 5 标段 k 1 4 3 - t - 4 4 5 中桥桥头路堤水泥搅拌桩加固地基的原位观测及数据分析，以检验设计参数， 评价处理效果，探索应用水泥搅拌桩处理软基以预防桥头跳车的理论与实践经验。主要 研究内容包括： ( 1 ) 路堤荷载作用下水泥搅拌桩加固地基的受力与变形规律分析。 ( 2 ) 水泥搅拌桩加固桥头地基的效果分析。 ( 3 ) 采用合理的沉降预测方法预测工后沉降并进行分析。 7 第二章水泥土加固原理与物理力学性质 第二章水泥土加固原理与物理力学性质 2 1 水泥加固土的原理 软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理是基于水泥加固土( 简称水泥土) 的物理 化学反应。水泥加固土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同，混凝土的硬化主 要是在粗填充料( 比表面不大，活性很弱的介质) 中进行水解和水化作用，所以凝结速 度较快。而在水泥加固土中，由于水泥的掺量很少( 仅占被加固土重的7 2 0 ) ，水 泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性介质的土的围绕下进行的，所以硬化速度缓 慢且作用复杂，因此水泥加固土强度增长的过程也比混凝土慢【8 】【9 1 。 1 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。用水泥加固软土时，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，生成氢氧化铝、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化 合物。其反应过程如下： ( 1 ) 硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ) ：在水泥中含量最高( 约占全重的5 0 左右) ，是决定 强度的主要因素。 2 ( 3 c a o s i 0 2 ) + 6 h 2 0 - - 3 c a o 2 s 1 0 2 。3 h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 ( 2 ) 硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ) ：在水泥中含量较高( 占2 5 左右) ，它主要产生后期 强度。 2 ( 2 c a o s i 0 2 ) + 4 h 2 0 - - - * 3 c a o 2 s i 0 2 3 h 2 0 + c a ( o h ) 2 ( 3 ) 铝酸三钙( 3 c a o a 1 2 0 3 ) ：占水泥重量1 0 ，水化速度最快，促进早凝。 3 c a o a 1 2 0 3 + 6 h 2 0 - - 3 c a o a 1 2 0 3 ( 4 ) 铁铝酸四钙( 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 ) ：占水泥重量1 0 左右，能促进早期强度。 4 c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 + 2 c a ( ：o h ) 2 + 1 0 h 2 0 - * 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 + 3c a o f e 2 0 3 。6 h 2 0 在上述一系列反应过程中所生成的氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶于水中，使水泥 颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶液 达到饱和后，水分子虽继续深入颗粒内部，但新生成物已不能再溶解，只能以细分散状 态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。 ( 5 ) 硫酸钙( c a s 0 4 ) ：虽然在水泥中的含量仅占3 左右，但它与铝酸三钙一起 长安大学硕士学位论文 与水反应，生成一种被称为“水泥杆菌”的化合物： 3c a s 0 4 + 3 c a o a 1 2 0 3 + 3 2h 2 0 - - 3 c a o a 1 2 0 3 。3 c a s 0 4 3 2h 2 0 根据电子显微镜的观察，水泥杆菌最初以针状结晶形式在比较短的时间里析出，其 生成量随着水泥掺入量的多少和龄期的长短而异。由x 射线衍射分析，这种反应迅速， 最后把大量的自由水以结晶水的形式固定下来，这对于含水量高的软土的强度增长有特 殊意义，使土中自由水的减少量约为水泥杆菌生成重量的4 6 。当然，硫酸钙的掺量不 能太多，否则这种水泥杆菌针状结晶会使水泥发生膨胀而遭到破坏。所以，如使用得合 适，在某种特定条件下可利用这种膨胀势来增加地基加固效果。 2 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。 ( 1 ) 离子交换和团粒化作用 软土作为一个多相散布系，当它和水结合时就表现出一种胶体特征，如土中含量最 多的二氧化硅遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带有钠离子n a + 或钾离子k + ，它们 能和水泥水化生成的氢氧化钙中钙离子c a 2 + 进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较 大的土团粒，从而使土体强度提高。水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗 粒大1 0 0 0 倍，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，形成坚固的联结，从宏 观上看也就使水泥土的强度大大提高。 ( 2 ) 硬凝反应 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交换的需 要量后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分 与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物，增大了水泥土的强度。 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，并不断延伸充填 到颗粒间的空隙中，形成网状构造。到五个月时，纤维状结晶辐射向外伸展，产生分叉， 并相互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，发生碳酸化反应， 生成不溶于水的碳酸钙，其反应如下： 9 第二章水泥土加同原理与物理力学性质 c a ( o h ) 2 + c 0 2 _ c ac 0 3 上+ h 2 0 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。 从水泥土的加固机理分析可知，水泥加固土的强度主要来自于水泥水化物的胶结作 用。另外对于软土地基水泥搅拌加固技术来说，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，而土团间的大孔隙基本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。只有经过较长的时间，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，两者在空间相互交替，从而形 成一种独特的水泥土结构。可见，水泥和土之间的强制搅拌越充分，土块被粉碎得越小， 水泥分布到土中越均匀，则水泥土结构强度的离散性小，其宏观的总体强度也越高。 2 2 水泥土的物理力学性质 1 水泥土的物理性质 ( 1 ) 重度 由于拌入软土中的水泥浆重度与软土的重度相近，所以水泥土的重度与天然软土的 重度相近。通过大量水泥土重度试验结果表明，水泥土的重度仅比天然软土的重度提高 o 5 3 ，所以采用水泥土搅拌法加固厚层软土地基时，其加固部分对于未加固部分 不致产生过大的附加荷载，也不会产生较大的附加沉降【9 】o ( 2 ) 含水量 水泥土在凝结与硬化过程中，由于水泥水化等反应，使部分自由水以结晶水的形式 固定下来，使水泥土的含水量略低于原土样的含水量。试验结果分析，水泥土含水量比 原土样含水量减少o 5 ，一- - 7 ，且随着水泥掺入量的增大而减少。 ( 3 ) 比重 由于水泥的比重为3 1 ，比一般软土的比重2 6 5 - - 2 7 5 为大，故水泥土的比重比天 然软土的比重稍大。 ( 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大而减少，水泥土的渗 透系数小于原状土。水泥土的渗透系数与原状土性、水泥掺入量、搅拌的均匀程度以及 初始含水量等因素有关，一般可达1 0 1 0 加c m s 数量级。 l o 长安大学硕：i 二学位论文 2 水泥土的力学性质 ( 1 ) 无侧限抗压强度 水泥土的无侧限抗压强度是衡量水泥土力学性质的极其重要的个指标，一般其值 为0 3 - 4 m p a ，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 与弹塑性体之间，图2 1 为水泥土的应力一应变曲线，从图中可见，水泥土受力开始阶 段，应力与应变关系基本上符合虎克定律。当外力达到极限强度时，对于强度大于2 m p a 的水泥土很快出现脆性破坏，破坏后残余强度很小，此时的轴向应变约为o 8 - - 一1 2 ( 如图2 1 中的a 2 0 、a 2 5 试件) ；对强度小于2 m p a 的水泥土则表现为塑性破坏( 如 图2 1 中的a 5 、a 1 0 、a 1 5 试件) 。 a 2 s 3 0 0 0 2 5 0 0 日 2 0 0 0 山 _ 、_ 1 5 0 0 o 1 0 0 0 5 0 0 0 20 40 60 81 01 21 41 61 82 0 e ( ) 图2 1 水泥土的应力一应变曲线 注：a 5 、a 1 0 、a 1 5 、a 2 0 、a 2 5 表示水泥掺入比a 。= ( 5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 ) ( 2 ) 抗拉强度 水泥土抗拉强度指标是设计水泥土搅拌桩挡墙的一个重要参数。一般应通过室内试 验确定，水泥土的抗拉强度o 。随其无侧限抗压强度f c 。的增长而提高，当水泥土的无侧 限抗压强度。= o 5 、 4 m p a 时，其抗拉强度o x = 0 0 5 一0 7 0 m p a ，即有o t o 0 6 , - - - 0 3 f c 。 有资料介绍用劈裂法求得粘土的加固土抗拉强度o 。与无侧限抗压强度。的关系如图 2 2 ，可见，随着。的增大，抗拉强度吼的增长速率有逐渐降低的趋势。 ( 3 ) 抗剪强度 水泥土的抗剪强度可由高压三轴剪切仪进行测定，通过大量实验结果表明：水泥土 的抗剪强度随抗压强度的增加而提高，当。= o 5 , 、- 4 m p a 时，其粘聚力c = 0 1 1 1 m p a ， 一般约为。的2 0 - - 3 0 ，其内摩擦角变化在2 0 。 - - 3 0 0 之间。另外，室内试验的抗剪 第二章水泥土加固原理与物理力学性质 强度t 与无侧限抗压强度。的关系如图2 3 所示，随着。的增大，抗剪强度和无侧限 抗压强度的比值有变小的趋势，其总体的规律为f = ( 1 2 1 3 ) u 。 罡0 3 芝 瑙 唾0 2 辑 搐 o 1 o 舍 山 兰 、- ， 卜 蜊 嘿 ：碌 辖 图2 2 抗拉强度与无侧限抗压强度的关系 无侧限抗压强度f c u ( m p a ) 图2 3 加固土的抗剪强度与无侧限抗压强度 ( 4 ) 变形模量 当垂直应力达5 0 无侧限抗压强度时，水泥土的应力与应变的比值称为水泥土的压 缩模量e 5 0 。 ( 5 ) 压缩系数和压缩模量 水泥土桩的压缩系数约为0 0 2 - 0 0 3 5m p a 1 ，其相应的压缩模量e s = 6 0 - - 1 0 0 m p a ， 小于变形模量。我国建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 - _ 2 0 0 2 ) 中提出搅拌桩的压缩模 量可取( 1 0 f t - 1 2 0 ) 氏，对桩较短或桩身强度较低者可取低值，反之可取高值。 ( 6 ) 水泥土的抗冻性能 1 2 长安大学硕士学位论文 将水泥土试件置于自然负温下进行抗冻试验，经观察表明，试件外观无显著变化， 仅有少数试块表面出现裂纹，并有局部片状剥落，边角脱落和微膨胀，但影响深度及面 积均不大，可见自然冰冻条件下不会对水泥土桩深部造成结构破坏。水泥土桩经长时间 冰冻后的强度与不经过冰冻的强度相差无几，但当冰冻后抗拉强度再恢复正温，其强度 继续升高，可升高到接近标准值，即冻后正常养护9 0 d 的强度与标准强度非常接近。在 自然温度不低于一1 5 的条件下，冰冻对水泥土结构损害甚微，因此，只要在地温不低 于一1 0 的条件下，就可以进行搅拌法的冬季施工。 2 3 影响水泥土搅拌桩强度的主要因素 国内外对加固土所做的大量试验结果表明，影响水泥土强度的因素主要有：水泥 掺入比；龄期；土样含水量；水泥标号；土样中有机质含量；外掺剂；拟 加固土类；养护方法，其中以龄期、水泥掺入比和土样含水量对强度影响最大。 下面就影响无侧限抗压强度的主要因素做简要介绍： 1 水泥掺入比a w 的影响 水泥掺入比q 。系指水泥重量与被加固的软土重量之比，即： = w l 鹏1 0 0 ( 2 1 ) 其中：w l 为掺加的水泥重量；w 为被加固的软土重量。 采用水泥作为固化剂材料，在其他条件相同时，在同一土层中水泥掺入比不同时， 水泥土强度将不同。从图2 4 和图2 5 中可以看出，水泥土的强度随水泥掺入比的增大 而提高，当c t w 小于5 时，由于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，故在水泥土深层搅拌法的实际工程中，选用的水泥掺入比宜大于7 ，一般 水泥掺入比采用1 2 0 0 - - , 2 0 。但因场地土质与施工条件的差异，掺入比的提高与水泥 土强度增加的百分比是不完全一致的。 a 。( 1 图2 4 水泥掺入比以与强度f c u 的关系 言山_ e d 第二章水泥土加固原理与物理力学性质 龄期( 月) 图2 5 水泥土掺入比、龄期与强度的关系 2 龄期对强度的影响 从图2 5 中可以看出，水泥土强度随龄期的增长而增大，且水泥掺入比越高，强度 增长越快。在龄期超过2 8 d 后，强度仍有明显增长，为了降低造价，对承重搅拌桩试块 国内外都取9 0 d 龄期为标准龄期。从抗压强度试验得知，在其他条件相同时，不同龄期 的水泥土抗压强度间关系大致呈线性关系，其经验关系式如下： u 7 = ( 0 4 7 - 0 6 3 ) u 2 8 ； ( 2 2 ) f o 1 4 = ( o 6 2 - - 0 8 0 ) u 2 8 ； ( 2 3 ) u 6 0 = ( 1 1 5 - - 1 4 6 ) f 。u 2 s ： ( 2 4 ) f o u 9 0 = ( 1 4 3 1 8 0 ) u 2 8 ； ( 2 5 ) u 9 0 = ( 2 3 7 - 3 7 3 ) f e u 7 ； ( 2 6 ) f o u 9 0 = ( 1 7 3 - - 2 8 2 ) 1 4 ； ( 2 7 ) 上式。7 、f e u l 4 、f 。e 2 s 、f c 。补u 9 0 分别为7 、1 4 、2 8 、6 0 、9 0 d 龄期的水泥土抗压强 度。当龄期超过三个月后，水泥土强度增长缓慢。1 8 0 d 的水泥土强度为9 0 d 的1 2 5 倍， 而18 0 d 后水泥土强度增长仍未终止。 3 水泥标号对强度的影响 水泥标号直接影响水泥土的强度，水泥土的强度随水泥标号的提高而增加，水泥强 度等级提高1 0 级，水泥土的强度。约增大2 0 - - 3 0 。如要求达到相同强度，水泥强 度等级提高1 0 级，可降低水泥掺入比2 3 。 1 4 长安火学硕士学位论文 4 土样含水量对强度的影响 当水泥土配比相同时，其强度随土样的天然含水量的降低而增大，如图2 6 ( 试验 条件是水泥掺入量是土的干重量的1 0 ，土性为冲填粘土，龄期2 8 天) 所示。试验表 明，当土的含水量在5 0 - - 8 5 范围内变化时，含水量每降低1 0 ，水泥土强度可提高 3 0 l i 。 6 0 = j 皇 趟4 0 强 目 堰 皿生 蕃2 0 限 o 0 凸_ 主 一， j 盘 创 黑 出 辖 臣 蕃 限 含水量( ) ( ) 图2 6 无侧限抗压强度与含水量的关系 图2 7 有机质含量与水泥土强度的关系 i 有机质含量为1 3 的软土；i i 有机质含量为1 0 1 的软土 5 土样中有机质含量对强度的影响 图2 7 为两种不同有机质含量软土配制的水泥土强度试验曲线，从图中可看出，有 机质含量少的土比有机质含量高的土所制成的水泥土强度大得多，水泥土中的有机质可 第二章水泥七加固原理与物理力学性质 使土具备有较大的水容性、塑性、膨胀性和低渗透性，并使土的酸性增加，这些因素都 能使水泥的水化反应受到抵制。因此，对于有机质含量高的软土，不宜单纯用水泥作为 固化剂进行加固，宜改用水泥系固化材料或特种水泥，以提高固化效果。 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 土样和不同的水泥掺入比又有所不同，所以选择合适的外掺剂可以提高水泥土强度又可 以节约水泥用量。外掺剂对水泥土强度的影响如图2 8 和表2 1 所示。 粉煤灰对水泥土强度的影响表2 1 水泥掺入比( ) 1 0 1 52 01 01 52 0 1 01 5 龄 期 3 天7 天1 4 天 水泥土 掺1 0 粉煤灰丘。l ( k p a ) 3 4 93 9 24 6 03 9 04 3 44 8 14 7 75 6 8 强度不掺粉煤灰 1 1 2 ( k p a ) 2 5 65 5 86 6 23 7 25 4 86 7 93 9 66 5 3 ! 位1 1 2 1 3 61 0 51 2 0 t ( d ) 图2 8 外加剂对水泥土强度的影响 0 为不掺外加剂；为掺2 石膏；口为掺o 0 5 三乙酸胺 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，如图2 9 示。但是， 在水泥低掺和量试验中掺粉煤灰的试块强度高于未掺粉煤灰的试块，而在水泥大于 1 5 掺和量的试验中未掺粉煤灰的试块强度高于掺粉煤灰的强度，从这点可以看出，在 水泥低掺和量中粉煤灰与水泥共同起作用与土形成一定强度的水泥土，而水泥大于 1 6 长安大学硕士学位论文 1 5 掺和量后，土主要与水泥产生反应，形成水泥土，粉煤灰的掺和反而降低了水泥土 的强度。 2 4 2 。 扩 i 1 2 a o 8 o 4 o 龄期( 月) 图2 9 粉煤灰对强度的影响 实线为不掺粉煤灰的水泥土；虚线为掺粉煤灰的水泥土 7 拟加固土类对强度的影响 不同成因软土的水泥加固试验结果表明，滨海相沉积的淤泥和淤泥质土固化后强度 大于河川相沉积的同类土，湖沼相沉积的泥炭和泥炭化土固化强度最低。图2 1 0 表示 的是桩体的无侧限抗压强度u 与土类的关系，即为砂性土、粘性土和腐殖土中用水泥 土试块的无侧限抗压强度和固化剂掺合量的关系对比试验资料。从图2 1 0 中可定性地 说明砂性土固化后，无侧限抗压强度大于粘性土；粘性土固化后，其无侧限抗压强度大 于腐殖土；而含有砂粒的粉土固化后，强度又大于粉质粘土和淤泥质粉质粘土。 8 养护方法对强度的影响 养护方法对水泥土的强度影