（水利工程专业论文）粉体喷射搅拌桩复合地基加固机理及在大兴港石油库工程中的应用.pdf

粉体喷射搅拌桩复合地基加固机理 及在大兴港石油库工程中的应用 摘要 随着国民经济的发展，在不良地质条件下修建结构物的需求越来越迫切， 与此同时，上部建筑对地基承载力和沉降的要求也日益提高。矛盾的激化，推 动了地基处理技术和方法的不断更新，其中，粉体喷射深层搅拌桩加固软土地 基，由于其见效快，经济效益显著，已被广泛应用于国内外工程实践中。 本文详细论述了粉体喷射搅拌桩复合地基的形成条件、加固机理和适用情 况，详细介绍了粉喷桩单桩竖向承载力的设计计算，粉喷桩复合地基的设计计 算，粉喷桩复合地基下卧层的验算和粉喷桩复合地基几种沉降验算方法，最后 对粉喷桩复合地基的设计步骤进行了归纳和总结。 论文结合大兴港石油库地基加固采用粉喷桩复合地基的工程实例，对其设 计、施工方案的选择和施工工艺过程以及施工的注意事项做了全面的论述，并 在施工现场对地基加固的质量做了全面的检测。包括：低应变反射波法基桩动 测、截取桩段无侧限抗压强度试验、单桩竖向静载荷抗压试验、单桩竖向复合 地基静载荷抗压试验和沉降观测等，并对粉喷桩质量检测结果从桩身完整性、 承载力和沉降等几个方面做了系统的分析。说明该工程的质量满足设计要求， 但从承载力方面实际能够承受的承载力远大于设计的承载力，实际沉降量和沉 降差远比设计的限值要小，工程设计从检测结果看远没有充分发挥复合地基的 性能，造成了不必要的浪费。说明复合地基的设计对不同的地质条件根据经济 效益、社会效益、环境效益等综合效益考虑采用长短桩复合地基设计、变参数 复合地基设计、低强度桩复合地基设计、复合材料型水泥土搅拌桩的设计等复 合地基的优化设计，己成为复合地基的发展趋势，同时不断探索和研究此方面 复合地基的施工工艺与质量检测也是我们的努力方向。 关键词：复合地基、粉体喷射搅拌桩、粉喷桩、低应变动测法、无侧限抗压强 度、静载荷试验 r e i n f o r c i n gm e c h a n i s mo fd j mc o m p o s i t ef o u n d a t i o n a n da p p l i c a t i o no np e t m ls t o 砖r o o mo fd ax i n gp o r t e n g i n e e r i n gp r o j e c t a b s t r 8 c t w i mt l l ed c v e l o p 啦e mo f n a 土i o n a lc c o n o r n y ，i ti ss ou 蟹m tt oa c h i e v ep r o j e c to n b e df o u n d 吐i o n h lf b es a m et i m e ，i ti sh a r d 盯t og c tt h ef o u n d a l i o ns l l i 诅b l et oi l p p e r b u i l d i n gb yi n c r e 髂i i i gl o a d - b e a r i n gc 印蚵o fb 酆删m 蛆dd e c f c 嬲i n gs e m e m e n t o f g r o u n d w i mt h ec r i t i c i s ms h a f p l y ，m o r e 锄dm o r cf 弛出n i o n 臼舡n e n t m e t l l o d a p p e a 船a i i l o n g 砌c hd j mi s 谢d e l yu di nd o m s t i cp r o j e c tb e c a u s eo f i t sq l l i c ka f r e c t i o n 锄d9 0 0 de c o n o m i c a lb e 6 t s t l l i sp 印e rd i u s sd e t a i li i l | o m m t i o no ff o m i n gc o n d i t i o n ，r e i n f o r c i n g m e c h 锄i 湖柚da p p l i c 曲l ec o n d m o fd j m ( d 唧j e tm i ) 【i n go fd r yc 哪e n t - s o i l m e t h o d ) c o 叫脚i t cf b u n d 蚯o n na 重s o 砷抛d u c e sd e s i 印瓶dc a l c u l a t i o no fs i l l 出e p i l e 缸i a lb e a r i n gp o w e r 姐dc o m p o s i t ef o 岫d a l i o fd r yc 锄e m s o i lc o l u m n ，a s 、e l l 懿c h e c ko fs u b s 仃a n m 粕ds e v e f a lc h e c k i n gm e t l l o d so fs c d i m e 曲啦i o no f c o m p o s i t ef b 啪如i 哪o f d r yc e m c n l - i lc o l l 姗i l lt h i sp 印e rg i v e sas u m m 抽g - u po f d e s i 驴i n gs t e p so f c 耳 0 s i t ef o 岫d a t i o no f d r yc e m e n t - i lc o l 啪 u s i n g 孤p 咖ls t o r e f o o mo fd ax - mp 叫e n g i r i e e r i n gp m j e c ta se x a m p l e ，也e p a p e ri n t d u c e so 删ld e s i 掣l i n g ，c h o i c eo fc o n s t r u c d r n e m o d ，c o n s m l c t i o n t c c h n o l o g y 舭dc o n s 帅c t i o ni s s u e sm a tn e e d sa l t e 曲t h eq l l a l 时d c t c c t i o no f c o m p o s i t ef o 啪d a t i o nw 船p 确衄e do nt l l ec o n s t r u c t 主o ns 沁m e t l l o d sb e i i l gu s e d i n c l u d e ：l o ws t r a i n n e c t i 、，i t yd ”删ct c s t i n go fp i l e s ，s 协t i cl o a dt e s t ，l a bt c s t ， s i n g 王ep i l ea 菇a lb 嘶n gp o w e r e t c a no v l m l ls y s t 锄柚a l y s i sw 硒g i v e no nt h e d l yc e m e n t - s o i lc o l u 啪q u a l i t yd e t e c t i o nr e s l l l t i 1 1t h e a s p c c t so fp i l eb o d y i n t e g f a t i o n ，b e a r i n gp o w 盯柏d d i m e n 协t i o i l ，a n di tp r o v e sm a tt h ec 0 船拓i ：l c t i o n q 砌时r n e e t st l 】l er e q u i 煳锄l 担h o w e v e r ，f b mt l l e t i l a 重b e a r i n gp o w e rp o i n to f 、，i e w ，i t 咖b t 缓r i n gm u c hm o m 也a nt h ed e s i 驴e db e a r i n gp o w e r ，蛆dt h e t u a l q 腿n t 时o fs c d i i n e n t a t i o n 髓dd i 丘孤m i a ls e m e m e n ta 聆锄a l l e rt h 锄伯ed e s i g n e d l i m i 枷o n t h 吣，f 如mt h eq l l a l i t yc h e c l ( i n gr c s u kw ec 蛆s 血a tt l l ec o n s 帆l c t i o n d e s i g n d i dn o tt a k e a d v a n t a g eo ft h ec o m p o s i t cf o u n d a t i o n ，w i l i c hc a u s e d u 衄c c e s s a r yw 船t c i n 也ef i e l do ft i l ec 咖p o s “ef 0 珊1 d a t i o nd e s i g mi ti sa 打dt o u t h ec o m b i n a t i o fl o n g 肌ds h o np i l ec o m p o s i t ef 0 1 m d a _ t i o nd e s i 舯，v a i i e d p a r 眦t e rc o m p o s i t cf b 岫捌蚰d e s i g n ，l o wl o a dp i l ec o m p o s i t ef 0 1 j n d 8 t i o nd e s i g n ， c o m b i n e dm 砒e r i a lc o n c r e t ed 船i 驴e t cb 躺c do nm e o n o m ye m c i e n c y ，s o c i e t y e f f i c i e n c y e n v i m n m e n t a le m c i c n c y 姐dt h eo v e r a l le m c i e n c yf o rd i 敞鹈n tg e 0 1 0 9 y c o n d i t i o n i ti so l l rc o m i m l o u se 丘0 r tt oe x p l o r ca i l dr e s e a r c hm ec o n s 舡1 l c t i o n t e c h n o l o g yo f t h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n 粕dq l l a l i t yd 鼬e c t i o n k e y w o r d s ：c o m p o s i t ef o 啪d a t i o n ；d j m ( d c 印j e tm i x i n go fd r y c c m e n t s o i l m 酬吣d ) ；d d rc e i n e n t s o i lc o l u m n ；1 0 ws 乜a i nr e n e c t i v i 哆；s t a t i cl o a dt e s t ；l a bt e s t 表1 2 1 表4 1 1 表4 1 2 表4 3 1 表5 1 1 表5 2 1 表5 2 2 表5 4 1 表5 4 2 表5 4 3 表5 4 4 表5 4 5 表5 4 6 表5 4 7 表5 4 8 表5 4 9 表5 4 1 0 表5 4 1 1 表5 4 1 2 表5 4 1 3 表5 4 1 4 表5 4 1 5 表5 4 1 6 表5 4 1 7 表格清单 复合地基按加固机理分类2 水泥土搅拌桩的规范要求2 7 水泥土搅拌桩检验方法和特点2 7 静载荷试验试桩、锚桩和基准桩之间的中心距3 5 大兴港石油库地基承载力标准值融和压缩模量e s 3 7 各油罐粉喷桩复合地基的基本设计参数3 9 各油罐粉喷桩复合地基布置方式4 0 粉喷桩低应变反射波法基桩动测检测结果4 4 无侧限抗压强度试验仪器和设备5 2 截取桩段静压过程记录5 4 截取桩段静压结果汇总表5 3 单桩竖向静载荷抗压试验分级表5 7 l 撑柴油罐6 8 群试桩单桩竖向静载荷抗压试验汇总表5 8 2 挣柴油罐7 5 撑试桩单桩竖向静载荷抗压试验汇总表5 8 硝汽油罐1 2 5 拌试桩单桩竖向静载荷抗压试验汇总表5 9 错柴油罐1 5 5 社试桩单桩竖向静载荷抗压试验汇总表6 0 2 群汽油罐1 9 1 群试桩单桩竖向静载荷抗压试验汇总表6 0 l 拌柴油罐2 6 硝试桩单桩竖向静载荷抗压试验汇总表6 1 2 拌柴油罐2 8 硝试桩单桩竖向静载荷抗压试验汇总表6 1 2 帮柴油罐3 4 7 撑试桩单桩竖向静载荷抗压试验汇总表6 2 2 榉柴油罐1 8 3 撑试桩单桩复合地基竖向静载荷抗压试验汇总表7 l 单桩竖向极限承载力7 4 沉降观测记录7 6 沉降观测结果分析表7 5 图1 2 1 图1 _ 3 1 图1 3 2 图2 3 1 圈2 3 2 图3 4 1 图3 4 2 图3 5 1 图3 5 2 图3 5 3 图3 5 _ 4 图3 5 5 图4 2 1 图4 2 - 2 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 图5 3 1 图5 3 2 图5 _ 3 3 图5 _ 3 4 图5 3 5 图5 4 1 图5 4 2 图5 4 3 图5 4 4 图5 4 5 图5 4 6 图5 4 7 图5 4 8 图5 4 9 图5 4 1 0 图5 4 1 1 图5 4 1 2 图6 一l 插图清单 复合地基形式示意图2 复合地基形成条件示意图4 复合地基4 粉喷桩软基加固方法7 粉喷桩软基支承形式8 桩体平面布置形式1 4 圆弧分析法1 5 下卧层地基验算1 9 复合地基沉降2 0 压力扩散法2 3 等效实体法计算模型2 4 单桩荷载分解为三种形式荷载的组合2 5 反射波法检测基桩质量仪器布置图3 0 常见水泥土搅拌桩的反射波波形3 l 锚杆横梁反力装置3 3 锚桩的形式3 4 压重平台反力装置3 4 粉喷桩成桩工艺流程4 2 粉喷桩施工4 3 粉体发送器，4 3 粉喷桩桩架4 3 粉喷桩成桩4 3 无侧限抗压强度试验5 2 单桩竖向静载荷抗压试验5 7 1 捍柴油罐6 8 样试桩单桩竖向静载荷抗压试验曲线图6 3 2 拌柴油罐7 5 群试桩单桩竖向静载荷抗压试验曲线图6 4 2 群汽油罐1 2 5 # 试桩单桩竖向静载荷抗压试验曲线图6 5 2 群柴油罐1 5 5 群试桩单桩竖向静载荷抗压试验曲线图6 6 2 拌汽油罐1 9 l 撑试桩单桩竖向静载荷抗压试验曲线图6 7 1 撑柴油罐2 6 7 撑试桩单桩竖向静载荷抗压试验曲线图6 8 2 挣柴油罐2 8 7 撑试桩单桩竖向静载荷抗眶试验盐线图6 9 2 j 5 柴油罐3 4 7 拌试桩单桩竖向静载荷抗压试验曲线图7 0 复合地基竖向静载荷抗压试验7 1 2 # 柴油罐1 8 3 # 试桩单桩复合地基竖向静载荷抗压试验曲线图7 3 大兴港石油库工程竣工图7 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果也不包含为获得金a b 王些丕堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者糠句乡早签字日期劂钠石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹工业友堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 月b 王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 q 乡辛 导师签名 签字日期：易舯，月z 日 签字日期：舴l 归7 7 日 黧嚣魏彖蒜墨髫。通讯地址：宴般篷汤地竹缸橡邮编砂一 致谢 本人在合肥工业大学土建学院三年的工程硕士研究生课程学习和撰写学位 论文的过程中，自始至终得到了我的导师王国体教授的悉心指导，无论从课程 学习、论文选题，还是到收集资料、论文成稿，都倾注了王国体教授的心血， 由衷感谢王国体教授在学业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学 到的为人品质和道德情操，教授广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教 育情怀和对事业的忠诚，将使我终身受益，尤其我也是从事于教育工作，王教 授对待工作的敬业精神，对待科学的治学精神和严谨作风，对待学生平易近人 的品质，都是我永远学习的榜样，并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢土建学院的全体老师，你们的教诲为本文的撰写提供了许 多必要条件和学习机会；感谢安徽建筑工业学院的领导给了我学习深造的机会； 感谢合肥市建设承包总公司、核工业华南二九四工程物探公司和合肥市南巽监 理公司在施工现场的工程师给予我的大力支持，谢谢你们l 作者：何夕平 二0 0 五年九月十六日 1 1 前言 第一章复合地基概述 复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换， 或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体或被改良的天 然地基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。在荷栽作用下，基体和增强体 共同承担荷栽的作用。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地 基和竖向增强体复合地基。增强体是由强度和模量相对原土高的材料组成，水 平向增强体复合地基主要指加筋土地基，加筋材料主要是土工织物和士工格栅 等。竖向增强体习惯上称为桩，例如由碎石组成的竖向增强体叫碎石桩，由水 泥和士搅拌形成的竖向增强体叫水泥土桩，由水泥、粉煤灰、碎石组成的竖向 增强体叫水泥粉煤灰碎石桩( 简称c f g 桩) 。我国软弱地基类别多，分布广，自 改革开放以来土木工程建设规模大，发展快。我国又是发展中的国家，建设资 金短缺。如何在保证工程质量前提下，节省工程投资显得十分重要。复合地基 技术能够较好利用增强体和天然地基两者共同承担建( 构) 筑物荷载的潜能， 因此具有比较经济的特点。复合地基技术近年来在得到重视、发展是与我国工 程建设对它的需求分不开的。近年来复合地基理论和实践研究日益得到重视， 复合地基已成为一种常见的地基基础形式。 1 2 复合地基的分类 在工程实践中应用的复合地基的类型很多，分类的方法也不尽相同，一般 可按以下几种方式分类。 1 按增强体设置方向分类 ( 1 ) 水平向增强体复合地基； ( 2 ) 竖向增强体复合地基； ( 3 ) 斜向增强体复合地基。 需匹四 丽呈 ( a ) 腻币 图1 2 1复合地基形式示意图 ( a ) 竖向增强体复合地基 ( c ) 斜向增强体复合地基 ( b ) 水平向增强体复合地基 ( d ) 长短桩复合地基 表1 2 1复合地基按加固机理分类 振冲碎石桩 散体桩复合地 碎石桩挤密碎石桩 基 干振砂石桩 渣土桩 砂桩 灰土桩 复合地基 石灰桩 一般粘结强度 深层搅拌桩 浆喷 桩复合地基 水泥土桩 粉喷 旋喷桩 夯实水泥土桩 高粘结强度桩 c f g 桩( 水泥粉煤灰碎石桩) 素混凝土桩 复合地基 碎石压力灌浆桩 2 按增强体材料分类 ( 1 ) 土木合成材料：如土工格栅、土工布等； ( 2 ) 砂石桩； ( 3 ) 水泥土桩、灰土桩、渣士桩等； ( 4 ) 各类低强度混凝土桩和钢筋混凝土桩等。 3 按基础刚度和垫层设置分类 ( 1 ) 刚性基础，设垫层； ( 2 ) 刚性基础，不设垫层； ( 3 ) 柔性基础，设垫层； ( 4 ) 柔性基础，不设垫层； 2 4 按增强体长度分类 ( 1 ) 等长度： ( 2 ) 不等长度( 长短桩复合地基) 5 按加固机理分类 复合地基按加固机理分类如表1 2 1 所示。 1 3 复合地基的形成条件 在荷载作用下，增强体与天然地基土体通过变形协调共同承担荷载作用是 形成复合地基的基本条件。对于粘结材料桩如图1 3 1 ，在图1 3 1 的( a ) 和 ( b ) 中，e p e s l ，e p e s 2 ，其中e p 为桩体模量，e s l 为桩间土模量，e s 2 为加 固区下卧层土体模量或加固区垫层模量。图1 3 1 ( a ) 中e s 2 为加固区下卧层 土体模量，图1 3 1 ( b ) 中为加固区垫层模量，对于( a ) 和( b ) ，在承台传递 的荷载作用下，通过增强体和桩闯土体变形协调可以达到增强体和桩间土体共 同承担荷载作用，形成复合地基。对于图1 3 1 ( c ) ，e p e s l ，在承台荷载作用 下，开始增强体和桩间土体中竖向应力大小大致上按两者的模量比分配，但是 随着土体产生蠕变，土中应力不断减少，而增强体中应力逐渐增大，荷载向增 强体转移。若e p e s l ，桩间土承担的荷载比例极小，特别是若遇到地下水位 下降等因素，桩间土体进一步压缩，桩间士可能不再承担荷载。这样增强体与 桩间士体难以形成复合地基共同承担上部荷栽。在工程实用上，为了有效减少 沉降，复合地基中增强体设置一般都穿透最薄弱土层，落在相对好的土层上， 如图1 3 1 ( d ) 。上述分析是对于粘结材料桩而言，但对于散体材料增强体桩， 在荷载作用下，桩体产生侧向鼓胀变形，桩体和桩间土的变形可保证桩体和桩 间土永远共同承担荷载，因此，采用散体材料桩在各种情况下均可形成复合地 基而不需要考虑形成条件。 一性i e 1 2 ( a ) 不倔辅詹 性i 一 性一 图1 3 1 复合地基形成条件示意图 图1 3 2 中( a ) 和( b ) 分别表示设垫层和不设垫层的两类复合地基。在 图1 3 2 ( a ) 所示的复合地基中，上部结构荷载通过基础板直接同时将荷载传 递给桩体和基础板下地基土体。对散体材料桩，由桩体承担的荷载通过桩体鼓 胀传递给桩侧土体和通过桩体传递给深层土体。对粘结材料桩由桩体承担的荷 载则通过桩侧摩阻力和桩端端承力传递给地基土体。图1 3 2 ( b ) 与( a ) 不 同的是由基础板传递来的上部结构荷载先通过垫层再直接同时将荷载传递给桩 体和垫层下的桩间土体。垫层不改变桩和桩间土同时直接承担荷载这一基本特 征。 ( a ) 图1 3 - 2 ( a ) 复合地基( 不设垫层) 4 ( b ) 复合地基 ( b ) 复合地基( 设垫层) 第二章粉喷桩复合地基加固技术 2 1 粉喷桩加固地基的特点 随着城市建设的蓬勃发展，许多建筑物有时不得不在地质条件较差的场地 上进行修建为此，在工程建设中往往需对软弱地基进行处理。深层搅拌法是用 于加固饱和粘性土地基的一种新方法。它是利用水泥( 或石灰) 等材料作为固 化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂( 浆液或粉体) 强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理一化学反应，使软土硬结成 具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥( 或石灰) 加固土，从而提高地基强 度和增大变形模量。根据施工方法的不同，水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌和粉 体喷射搅拌( 简称粉喷) 两种，前者是用水泥浆和地基土搅拌，后者是用水泥 粉和地基土搅拌。该水泥搅拌桩与软土地基一起构成复合地基，达到加固软弱 地基的目的。 粉喷桩加固地基有如下独特的优点： ( 1 ) 水泥土搅拌法由于将固化荆和原地基软士就地搅拌混合，因而最大限度地 利用了原土； ( 2 ) 搅拌时不会使地基侧面挤出，所以对周围原有建筑物的影响很小： ( 3 ) 按照不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方，设计 比较灵活； ( 4 ) 施工时无振动、无噪音、无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工， ( 5 ) 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； ( 6 ) 与钢筋混凝土桩基相比，节省了大量的钢材，并降低了造价； ( 7 ) 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型 式。 2 2 粉喷桩软基加固技术发展历程 2 2 1 国外情况 美国在第二次世界大战后研制成功了水泥浆搅拌法，称之为就地搅拌桩 ( m i p ) 。该方法是从不断回转的中空轴的端部向周围巳被搅松的土中喷出水泥 浆，经叶片搅拌而形成水泥土桩，桩径0 3 o 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进此法，1 9 6 7 年日本港湾技术研究所土工部开始 研制石灰搅拌旌工机械。于1 9 7 4 年开始在软土地基加固工程中应用，并研制出 两类石灰搅拌机械，形成两种施工方法；一类为使用颗粒状生石灰的深层石灰 搅拌法( d l m 法) ，另一类为使用生石灰粉末的粉体喷射搅拌法( d j m 法) 。接着 1 9 7 4 年由日本港湾技术研究所等单位又合作开发研制成功水泥搅拌固化法 r c m c ) ，用于加固钢铁厂矿石堆场地基，加固深度达3 2 m 。随后日本各大施工 企业接连开发研制出加固原理、机械规格和施工效率各异的深层搅拌机械，例 如d c m 法、d m i c 法、d c c m 法。这些机械一般具有偶数个搅拌轴，每个搅 拌叶片的直径可达1 2 5 m ，一次加固的最大面积达9 5 m 2 ，常在港口建筑中的防 坡堤、码头岸壁及高速公路高填方下的深厚层软土地基加固工程中应用。 1 9 6 7 年瑞典k j e l d p 鲫s 提出使用石灰搅拌桩加固1 5 m 深度范围内软土地基 的设想，并于1 9 7 1 年现场制成一根用生石灰和软士搅拌制成的桩。次年在瑞典 斯德哥尔摩以南约l o k m 处的h u d d i n g 用石灰粉体喷射搅拌桩作为路堤和深基 坑边坡稳定措施。瑞典l i i l d e n a l i m a t 公司还生产出专用的成桩施工机械，桩 径可达5 0 0 m m ，最大加固深度1 0 1 5 m 。目前瑞典所使用的石灰搅拌桩已逾 数百万延米。 2 2 2 国内情况 国内1 9 7 7 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 试验和机械研制工作，于1 9 7 8 年底制造出国内第一台s j b 一1 型双搅拌轴、 中心管输浆，陆上型的深层搅拌机：1 9 8 0 年初，上海宝山钢铁总厂在三座卷管 设备基础软土地基加固工程中正式采用并获得成功。1 9 8 4 年国内开始生产s j b 型成套深层搅拌机械。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，制成单搅拌轴和叶片输浆 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并获得成 功。1 9 8 5 年浙江省建筑设计院在衙州市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用土质范围。铁道部第四勘测设计院 于1 9 8 3 年初开始进行粉体喷射搅拌法加固软土的试验研究，并于1 9 8 4 年在广 东省云浮硫铁矿铁路专用线上单孔4 5 m 盖板箱涵软土地基加固工程中使用， 后来相继在武昌和连云港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。它为软土地基加固技术开拓了一种新的方法，可在铁路、公路、市 政工程、港口码头、工业与民用建筑等软土地基加固方面推广使用。 由于粉体喷射搅拌法采用粉体作为固化剂，不再向地基中注入附加水分， 反而能充分吸收周围软土中的水分，因此加固后地基的初期强度高，对含水量 高的软士加固效果尤为显著。该技术在国内外得到广泛应用。 国外使用水泥土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，加固深度达五六十米。国内目 6 前采用水泥土搅拌法加固的土质有淤泥、淤泥质土，地基承载力不大于1 2 0 l 【p a 的粘性土和粉性土等地基。当用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性的土时，应 通过试验确定其适用性。加固局限于陆上，加固深度可达1 8 m 。 2 3 粉喷桩软基加固类型及适用情况 2 3 1 粉喷桩软基加固类型 建筑物上部结构与基础是一个统一体，上部结构的荷载大小及分布直接影 响到地基处理的方法及型式。 常见的粉喷桩软基加固方法如图2 3 1 、支承形式如图2 3 2 。 柱式加固 壁式加固 格予式加固 圈2 3 1 粉喷桩软基加固方法 7 块体式加固 持力层 粉喷加固体 软弱层 持力层 图2 3 2粉喷桩软基支承形式 2 3 2 粉喷桩加固软基的适用情况 水泥加固土的室内试验表明，有些软土的加固效果较好，而有的不够理想。 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， 而含有伊里石，氯化物和水铝英石等矿物的牯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。 水泥土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，其适用范围如下； 1 适用土质与加固深度 深层搅拌法适用于处理包括淤泥、淤泥质土、粉土、砂性土、泥炭土等各 种成因的饱和软粘土，含水量较高且地基承载力标准值不大于1 2 0 i 【p a 的粘性土 等地基。对泥炭土或地下水p h 值较低、有机质含量高的粘性土，宜通过试验 确定其适用性。 加固深度主要取决于使用搅拌机的动力大小及地基反力。国内目前采用深 层搅拌法的最大加固深度可达3 0 m ( 陆上) 。 2 适用工程对象 深层搅拌法用途广泛，主要用于形成复合地基、支护结构、防渗帷幕等。 ( 1 ) 形成复合地基 形成复合地基的主要目的是为了提高地基的承载力及改善地基的变形特 性。目前，深层搅拌桩复合地基广泛应用于下述工程： 建( 构) 筑物地基，如1 0 层以下的民用住宅、办公楼、厂房、水池、油罐 等建( 构) 筑物的地基； 大型堆场，如钢铁厂、水泥厂、大型货厂等的地基； 高速公路和机场跑道的基础处理，如应用于高速公路桥台、箱涵( 通道) 两侧的引道地基以调整路基与桥梁桩基或箱涵( 通道) 基础之间的不均匀沉降。 ( 2 ) 形成支护结构 8 在软土地基中开挖基坑时，常采用深层搅拌法形成格栅状的重力式挡土墙 进行挡土支护。这种支护结构应用于开挖深度为5 6 m 左右的浅基坑时显得特 别有效、经济。 ( 3 ) 形成防渗止水帷幕 由于原状土体经深层搅拌法加固后所形成的水泥土的渗透系数比天然土体 的渗透系数往往要小很多( 几个数量级) ，因此它具有较好的止水防渗能力。在 淤泥土、砂性土等不良地基中，深层搅拌桩常被加固成连续壁式结构，用作防 渗止水帷幕。如基坑开挖时，常用钻孔桩或挖孔桩挡土，桩后采用搅拌桩形成 连续壁式的防渗止水幕墙，组成复合支护结构。在砂性土或淤泥质砂性土中进 行真空预压处理时，常采用深层搅拌法沿处理区域的外围边界喷人泥浆或水泥 浆形成封闭的帷幕，以提高真空预压处理的效果。 9 第三章粉喷桩复合地基加固机理 3 1 粉喷桩与混凝土的性能比较 粉喷桩加固地基后得到的是一种桩式复合地基，由于水泥土具有一定的强 度，其弹性模量又大大小于混凝土，故其自身压缩性大，应属于半刚性桩( 或称为 柔性桩) 复合地基，由其形成的复合地基可视为桩( 地基加固体) 、土( 地基自然体) 所组成的一个工作系统。由于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，由于水泥掺量 很小，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质土的围绕下进 行，所以水泥加固土的强度增长过程比混凝土缓慢。 3 2 水泥土的加固机理 3 2 1 水泥的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥主要是氧化钙，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，生成氢氧化钙、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： 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 一3 c a o 2 s i 0 2 3 h 2 0 + 3 c o h ) 2 硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ) ：在水泥中的含量较高( 占2 5 左右) ，它主要产生 后期强度。 2 ( 2 c a o s i 0 2 ) “h 2 0 一3 c a o 2s i 0 2 3h 2 0 + c “o h ) 2 铝酸三钙( 3 c a o a 1 2 0 3 ) ：占水泥重量的1 0 ，水化速度最快，促进早凝。 3 c a o a 1 2 0 3 + 6h 2 0 一3 c a o a 1 2 0 3 - 6h 2 0 铁铝酸四钙( 4 c a o 越2 0 3 f e 2 0 3 ) ：占水泥重量的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 + 2c “o h ) 2 + 1 0h 2 0 一3 c a o 。a 1 2 0 3 6h 2 0 + 3 c a o f e 2 0 3 6h 2 0 1 0 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。 硫酸钙( c a s 0 4 ) ：虽然它在水泥中的含量仅占3 左右，但它与铝酸三钙 一起与水反应，生成一种被称为“水泥杆菌”的化合物： 3c a s 0 4 + 3 c a 0 a 1 2 0 3 + 3 2h 2 0 3 c a o a 1 2 0 3 3c 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寡和龄期的长短而异。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，硫酸钙的掺量不能过多，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。 3 2 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。 离子交换和团粒化作用 粘土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 扩进行当量吸附交换，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。 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，当其数最超过离子 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，其反应如下： s 0 2 + e ( 2 + ，田2 d _ c 口d 墨0 2 + 1 ) 日2 d ( a 1 2 0 3 ) ( c a o a 1 2 0 3 ( n + 1 ) h 2 0 ) 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孔隙中，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 2 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： c “0 h ) 2 + c 0 2 呻c a c 0 3 斗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，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，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 性越小，其宏观的总体强度也最高 3 3 粉喷桩的承载特性 从力学角度来看，桩可以分为由桩身侧面与土层之间的摩阻力支承荷重的 摩擦桩、穿过软弱地层把荷重传递到坚硬地层的端承桩以及承受水平推力的水 平桩。实际工程中的桩并不是如上所述只具有单一承载机理，多是以一种承载 为主并兼有其它承载的桩，如摩擦端承桩或端承摩擦桩。当桩项作用荷载时， 桩身产生轴向压缩变形，在桩身与桩侧土间就会产生相对位移，桩侧土便对桩 身产生侧向摩阻力。随着桩顶荷载的增加，桩土问相对位移增大，桩侧摩阻力 逐渐发挥，达到极限。当桩土问位移增大到一定时候，就会产生桩端阻力，相 应地产生桩端位移。当桩侧摩阻力和桩端阻力发挥到最大时，两者之和即为桩 的极限承载力。桩侧摩阻力、桩端阻力随桩土间相对位移变化而变化，这就是 桩的荷载传递过程。对于粉喷桩复合地基而言，现有桩体复合地基承载力计算 公式认为复合地基承载力是由地基承载力和桩的承载力两部分组成的。复合地 基在荷载作用下破坏时，一般情况下桩体和桩间士两者不可能同时达到极限状 态，或者说两者同时达到极限状态概率很小，其破坏形式一种是桩间土首先破 坏进而复合地基全面破坏，一种是桩体首先破坏进而发生复合地基全面破坏， 在实际工作中，大多数情况下，桩体复合地基都是桩体先破坏，继而引起复合 地基全面破坏。 3 4 桩体复合地基承载力计算 3 4 1 桩体复合地基极限承载力计算模式 桩体复合地基承载力计算思路是先分别确定桩体的承载力和桩问土承载 力，再根据一定的原则叠加这二部分承载力得到复合地基的承载力。 桩体复合地基的极限承载力p 。f 普遍表达式可用下式表示： p c f - k l 入l m p p f 十k 2 2 ( 1 - m ) p s f 式中p p 厂_ 单桩极限承载力，单位k p a ； p 。f 一天然地基极限承载力，单位k p a ； k l 反映复合地基中桩体实际极限承载力与单桩极限承载力不同的 修正系数，一般大于1 o ； k 2 反映复合地基中桩间土实际极限承载力与天然地基极限承载力 不同的修正系数；其值视具体工程情况确定，可能大于1 o ，也可能小于1 o ； l 复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，可称为桩体极限 强度发挥度。若桩体先达到极限强度，弓| 起复合地基破坏，则 l = 1 o 。若桩间 土比桩体先达到极限强度，则 1 2 0 ) 、且不是单行 竖向排列时，由于每根搅拌桩不能充分发挥单桩的承载力的作用，故应按群桩 作用原理，进行下卧层地基验算，即将搅拌桩和桩问土视为一个假想的实体基 础，考虑假想实体基础侧面与土的摩擦力，验算假想基础底面( 下卧层地基) 的 承载力，如图3 5 - 1 。 式中 11 ， ， ，。 ； 1，。 ， g ，。 ， 1 1， ， l ，。 ， 1 ， ， 1 ， ，。 ，。 ， ，。 ， ，。 1 ，。 ，。 ， 一 1 l f”11l 。1 11 1 图3 5 - l下卧层地基验算 厂。厶! 生垡二型! 生二厶型二业 ， 。 4 ， 。 厂假想实体基础底面压力( k p a ) ； a 地基加固的面积( m 2 ) ； k 复合地基承载力标准值( k p a ) ； a l 假想实体基础底面积( m 2 ) 。 1 9 e 一假想实体基础自