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粉喷桩在荆山湖闸地基处理中的应用研究 摘要 粉喷桩由于具有造价低、桩布置灵活、工后沉降小、工期短、 在施工中无振动、无噪声、无地面隆起，以及对周围建筑物无明显 不利影响等优点，在地基处理中广泛应用。但在水利工程地基处理 中应用不是很多。同时，由于粉喷桩复合地基的不确定因素多、问 题复杂及难度大，人们对它的认识还不够，造成了粉喷桩复合地基 在实际应用中的工程隐患和浪费，因此有必要对粉喷桩复合地基的 承载特性作进一步的研究，使理论研究与实际相吻合并指导实践， 从而达到安全适用、经济合理的目的。本文在总结前人的理论研究 和试验成果的基础上，结合荆山湖水闸工程，对水泥粉喷桩的设计 方法和设计参数的选择、施工工艺、质量控制措施及质量检测方法 等方面进行了分析和研究得到以下一些成果：l 、以水泥土加固机理 为基础，据室内配合比试验，定量分析了影响水泥土搅拌桩承载力 的主要因素；2 、根据室外粉喷桩施工工艺试验，优化了喷粉桩在 水利工程地基处理中的施工工艺；3 、通过成功的施工，证明该喷粉 桩施工工艺处理水利工程地基是可行、有效的，为水利工程地基处 理积累经验。 戈键词：粉喷桩、加俐机理、施f 一艺、沉降、承载力 t h ea p p l i c a t i o nc e m e n ts p r a y i n gp i l ei nj i n g s h a n l a k eg a t e sf o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g a b s t r a c t c e m e n tm i x i n gm e t h o db e c a u s eo f t h el o wc o s t ，f l e x i b l ep i l e su p ，a f t e rt h es e t t l e m e n to f s m a l l ，s h o r tt i m el i m i tf o rap r o j e e ln ov i b r a t i o nd u r i n gc o n s t r u c t i o n ，n on o i s e ，n og r o u n dr i s e ， a n dl l oo b v i o u sa d v e r s ee f f e c t st ot h es u r r o u n d i n gb u i l d i n g s ，s u c ha st h em e r i t so fd e a l i n gw i t ha w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h ef o u n d a t i o n b u tt h ea p p l i c a t i o nw a sn o tp r o c e s s e di nt h e f o u n d a t i o no f m a n yp r o j e c t s a tt h es a m et i m e ，b e c a u s et h ec e m e n ts p r a y i n gp i l ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nu n c e r t a i n t i e sm o r e ，t h ec o m p l e x i t yo ft h ei s s u e sa n dd i f f l c u l t ， r e c o g n i t i o ni sn o te n o u g h ，c a u s i n gt h ec e m e n ts p r a y i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n i nt h ep r a c t i c a ia p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n gp r o b l e m sa n dw a s t e ，i tw a sn e c e s s a r yt o t h ec e m e n ts p r a y i n gp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nc a r r y i n gi d e n t i t yf u r t h e rs t u d yt o t h e o r e t i c a ls t u d ya n dp r a c t i c a li n v o l v e m e n tm e r g e rg u i d ep r a c t i c e t h e r e b ya c h i e v e a p p l i c a t i o ns e c u r i t y , e c o n o m i cr e a s o n a b l ep u r p o s e i ns u m m i n gu pt h i se x i s t i n g r e s e a r c ha n dt e s t i n go nt h eb a s i so ft h eo u t c o m eo fi n t e g r a t i n g3 i n g s h a nl a k e s l u i c ew o r k st oc e m e n tt h ec e m e n ts p r a y i n gp i l ed e s i g nm e t h o d o l o g ya n dd e s i g n p a r a m e t e r sc h o s e n ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s ，q u a l i t yc o n t r o im e a s u r e sa n dq u a l i t y t e s t i n gm e t h o d sf o rt h ea n a l y s i sa n ds t u d ya r et h ef o l l o w i n gr e s u l t s ：1 ，t e r r i t o r i e s r e i n f o r e e dw i t hc e m e n t b a s e dm e c h a n i s m s ，a c c o r d i n gt ot h ei n d o o rm e e tt h a n t e s t i n g ，q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f w h a t i m p a c t t h ec e m e n t t e r r i t o r i e s f o o tp i l l a r o f t h e m a i nf a c t o r s ；2 ，u n d e rc o n s t r u c t i o nc r a f t so u t d o o rt h ec e m e n ts p r a y i n gp i l et e s t ， a n do p t i m i z et h ed u s t i n go ff o u n d a t i o np i l e si nw a t e rt r e a t m e n t ，c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e s ；3 ，t h r o u g hs u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o np r o v e st h a tt h ed u s t i n gp i l e f c i u n d a t i o nc o n s t r u c t i o np r o c e s sw a t e rj sf e a s i b l e ，e f f e c t i v e ，t h ef o u n d a t i o nf o r w a t e rt r e a t m e n te x p e r i e n c e k e yw o r d ：c e m e n ts p r a y i n gp i l e ，s t r e n g t h e n i n gp r i n c i p l e ，c o n s t r u c t i o n t e c h t i o n ，s u b s i d e n c e ，b e a r i n gc a p a c i t y 幽3 1 雷3 2 图3 - 3 图3 - 4 幽3 5 巨f3 - 6 幽3 - 7 图3 8 剧3 - 9 幽3 1 0 幽4 - 1 插图清单 轻型动力触探试验的深度击数关系击数图2 0 轻礅动力触探试验的深度击数艽系击数圈2 1 2 # 底板观测点沉降图2 7 2 # 底板观测点沉降图2 7 2 # 底板观测点沉降闰2 b 2 # 底板观测点沉降图2 8 删底板观测点沉降图2 9 4 嚣底扳观测点沉降国2 9 4 # 底板观测点沉降图3 0 4 # 底板观测点沉降图3 0 水泥十搅拌桩工艺流程图，3 7 表3 - 1 表3 - 2 表3 3 表3 - 4 表3 - 5 表3 - 6 表3 7 表3 8 表3 9 表3 一l o 表3 一1 1 表3 一1 2 表3 - 1 3 表3 - 1 4 表4 - 1 表4 2 表4 - 3 表4 - 4 表4 5 表4 6 表4 - 7 表4 - 8 表4 9 表4 1 0 插表清单 钻孔注水试验成果统计表1 3 室内渗透试验成采统计表1 4 闸址各十层物理力学指标统计表1 5 闸址各土层f k 、e s 等指标值表1 7 进浃闸闸基处理方案比较表1 8 闸室1 # 底板单桩及复合地基试验结果汇总表2 2 闸室2 # 底板单桩及复合地基试验结果汇总表2 2 闸室6 # 底扳单桩及复合地基试验结果汇总表2 3 闸室1 0 # 底板单桩及复合地基试验结果汇总表2 3 闸室1 6 # 底板单桩及复合地基试验结果汇总表2 3 闸室2 0 # 底板单桩及复合地基试验结果汇总表2 4 闸室1 6 # 底板4 桩复合地基试验结果汇总表2 4 沉降计算成果表( m m ) 2 5 测点实测与预测结果表2 6 水泥土无侧限抗压强度试验表3 1 水泥掺入比与抗压强度分析3 1 轻型动力触探试验结果表3 2 粉喷桩钴芯柱状表( 工艺桩l # ) 3 3 粉喷桩钻芯柱状表( 工艺桩2 u ) 3 4 粉喷桩钻芯柱状表( 工艺桩3 i t ) 3 5 标贯试验成果表3 5 施1 i 中常见故障及处理方法3 8 p h 一5 a 粉体搅拌技术参数，- 4 0 主要设备一览表4 0 独创性声明 本人声明所景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注和致谢的地方外，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 盒起王、业盔堂 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。 学位论文作者签名 签字日期：多彩年莎月自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些盔堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒 胆上些盔堂可以将学位论文的全部或部分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二愕) 学位论文作者签名 彩锨、 签字日期：汐衫年莎月争日 学位论文 r 作单位 通讯地址 导师签名 咿护中布 签字日期：6 6 年6j = l 日 斌永售眵 电话：2 l j j t , 1j 邮编：2 ；。6d1 致谢 本人在三年的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 到了我的导师叶少有副教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到 收集资料、论文成稿，都倾注了叶少有老师的心血，由衷感谢叶少有老师在学 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，老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚， 必将使我终身受益，并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢土木学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理 论基础，并创造了许多必要条件和学习机会；感谢人事处的领导和同仁们，在 我课程学习和论文撰写期间，给予我的大力支持。也感谢第二导师基建局潘邦 祥高工。 感谢所有的给予我的帮助的人。 作者：宋春发 2 0 0 6 年5 月3 0 目 第一章概述 1 1 地基处理技术综述 地基是指承托建筑物基础的范围很小的场地。它主要面临的问题有四个方 面：强度及稳定性：压缩及不均匀沉陷；渗漏；液化。当建筑物的天 然地基存在任何一个或几个问题时，即必须进行地基处理。 地基处理的目的是利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方 法对地基土进行加固，用以改良地基土的工程特性： 1 ) 提高土的抗剪强度 地基的剪切破坏表现在：建筑物的地基承载力不 够：由于偏心荷载及侧向土压力的作用使结构失稳；由于填土或建筑物荷载， 使邻近地基隆起；土方开挖时边坡失稳；基坑开挖时坑底隆起。地基的剪切破 坏反映在地基土的抗剪强度不足。 2 ) 降低地基的压缩性 地基的压缩性表现在沉降和沉降差大；由于有填 土或建筑物荷载，使地基产生固结沉降作用于基础上和负摩擦力引起结构的沉 降；大范围地基的沉降和不均匀沉降；基坑开控引起邻近地面沉降；由于降水 地基产生固结沉降，地基的压缩性反映在地基土的压缩模量指标的大小。采取 措施提高地基土的压缩模量，减少地基的沉降和不均匀沉降。 3 ) 改善地基的透水性 地基的透水性表现在建筑物的地基渗漏；基坑开 挖工程中，因土层内夹薄层粉砂而产生流砂和管涌。因此应采取措施降低地基 的透水性或减小水压力。 4 ) 改善地基的动力特性 地基的动力特性表现在地震时饱和松散粉细砂 将产生液化。 5 ) 改善特殊土的不良地基特性 主要是消除或减少黄土的湿陷性和膨胀 性等。 地基处理的分类有：按时间分有临时和长久处理：按深度分有浅层和深层 处理；按土性分有砂性土和粘性土处理，饱和土和非饱和土处理等。 常用地基处理方法的原理和适用范围如下口1 ： 1 1 1 置换 1 ) 换土挚层法 将软弱士或不良土开挖至一定深度，回填抗剪强度较大、 压缩性较小的垫料如砂、砾、石渣、灰土、粉煤灰、矿渣等，并分层夯实，形 成双层地基a 垫层能有效扩散基底压力，提高地基承载力，减少沉降。适用于 各种软弱土基及暗沟、暗塘的浅层处理 2 ) 挤淤置换法通过抛石和夯击回填碎石置换淤泥，达到加固地基的目 的。适用于厚度较小的淤泥地基， 3 ) 褥垫法当建筑物的地基一部分压缩性很小，而另一部分压缩性较大 时，为了避免不均匀沉降，在压缩性小的区域，通过换填法铺设一定厚度可压 缩性的土料形成垫层，以减少沉降差。适用于建筑物部分座落在岩基上，部分 在土基上。 4 ) 振冲置换法利用振冲器在高压水流作用下边振边冲在地基中成孔， 在孔内填入碎石、卵石等粗粒料且振密成碎石桩。碎石桩与桩间土形成复合地 基，以提高承载力，减少沉降。适用于不排水抗剪强度不小于2 0 k p a 的粘性土、 粉、饱和黄土和人工填土。 5 ) 强夯置换法采用边填碎石边强夯在地基中形成碎石墩体，由碎石墩、 墩问土以及碎石垫层形成复合地基，以提高承载力，减少沉降。适用于人工填 土、砂土、粘性土、黄土、淤泥和淤泥质地基， 6 ) 砂石桩( 置换)在软粘土地基中采用沉管法或其他设置密实的砂桩 或砂石桩，以置换同体积的粘性土形成复合地基，以提高承载力，同时，砂石 桩还可以同砂井一样起排水作用。适用于软粘土地基。 7 ) 石灰桩通过机械或人工成孔，在软弱地基中填入生石灰块或生石灰 块加其它掺合料，通过石灰的吸水膨胀、放热以及离子交换作用改善桩周围土 的物理力学性质，新花样形成石灰桩复合地基，可提高地基承载力，减少沉降。 适用于杂填土、软粘土地基。 8 ) e p s 趁轻质料填法发泡聚苯乙烯 e p s 重度只有的l 5 0 一】o o ， 并具有较好的强度和压缩性能，用作填料，可有效减少在地基上的荷载，需要 时也可置换部分地基土，以达到更好效果。适用于软弱地基的填方工程。 1 1 ，2 排水固结 1 ) 堆载预压法 天然地基在预压作用下压密、固结，地基产生变形，地 基土的强度提高，除去预压荷载后再建建筑物，工后沉降小，地基承载力也褥 到提高。堆载预压有时也利用建筑物自重进行池天然地基土渗透性较小时，为 了缩短土体排水距离，加速土体固结，在地基中设置竖向排水通道，如砂井和 塑料排水带，适用于软粘土、杂填土、冲填土、泥炭土地基， 2 ) 超载顼压法 预压荷载大子工作荷载，其它同上，超载预期压不仅可 减少工后固结沉降，还可消除部分次固结沉降。适用于软弱地基的填方工程。 3 ) 真空预压法 在饱和软粘土地基中设置竖向排水通道和砂垫层，在其 上覆盖不透气密封膜，通过埋设于砂挚层的抽气管进行长时间不断抽气和抽水。 2 在砂垫层和砂井中造成负气压，而使软粘土层排水固结。负气压形成的当量预 期压可达8 5 k p a 。适用于饱和软粘土地基。 4 ) 真空预压与堆载联合作用法当真空预期压达不到要求的预期压荷载 时，可与堆载预期压联合使用，其堆载预压荷载和真空预压当理可迭加计算。 适用于饱和软粘土地基。 5 ) 降低地下水水位 通过降低地下水水位，改变地基土受力状态，其效 果如堆载预期压，使地工在土圆结。在基坑开挖支护设计中可减少围护结构上 的侧压力。适用于砂性土或透水较好的软粘土。 6 ) 电渗法在地基中设置阴极、阳极，通以直电流，形成电场。土中水 流向阴极。采用抽水设备将水向走，达到排水固结的作用。适用于软粘土地基。 1 1 3 灌入固化物 1 ) 深层搅拌法利用深层搅拌机将水泥或石灰和地基土原位搅拌成圆柱 状、格栅状或连续墙状，形成复合地基以提高地基承载力，减小沉降。在软粘 土地基中也用它形成防渗帷幕。它又分为喷粉深层搅拌法和喷浆搅拌法。适用 于淤泥、淤泥质土和含水量较高地基承载力标准值小于1 2 0k p a 的粘性土、粉 土等软土地基。当用于处理泥炭士或地下水具有侵蚀性时，宜通过试验确定其 适用性“。 2 ) 高压喷射注浆法利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻进预期定位置， 然后用2 0k p a 左右的浆液或水的高压流旋转冲切土体，形成水泥土增强体。复 合地基以提高地基承载力，减小沉降，形成防渗帷幕。适用于淤泥、淤泥质土、 粘性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等地基。当土中含有较多的大 石块或有机质含量较高时，就通过实验确定。 3 ) 渗入性灌浆法在灌浆压力作用下，将浆液灌入地基中填充天然孔隙， 改善土体的物理力学性质。适用于中砂、粗砂、砾石地基。 4 ) 劈裂灌浆法在灌浆压力作用下，浆液克服地基士中的初始应力和抗 拉强度，使地基中原有的孔隙或裂隙扩张或形成新的孔隙或裂隙，用浆液填 充，改善土体的物理力学性质，与渗入性灌浆相比，所需的灌浆压力较大。适 用于岩基、砂或砂砾石、粘性土地基。 5 ) 挤密灌浆法通过钻孔向土层中压入浓浆液，随着土体压密将在压浆 点周围形成浆泡。通过压密和置换改善地基性能。在灌浆过程中因浆液的挤压 作用可引起地面局部隆起。适用于中砂地基、排水条件较好的粘性土地基。 6 ) 电动化学灌浆法 当在粘性土地基中插入金属电极并通电后，在地基 中形成电场，产生电渗作用，在通电同时向地基灌入化学浆液，以达到改善土 体物理力学性能。适用于粘性土地基”1 。 7 ) 单液硅化法 将浓度为1 0 1 5 的硅酸钠溶液掺入2 5 的氯化钠作 为浆液，采用压力灌注和不用压力灌两种工艺灌入湿陷性黄土地基，达到改良 地基的目的。适用于湿陷性黄土地基a 8 ) 碱液加固法当土中可涤性和交换性钙离子含量大于l o o m g e g l o o g 干时，只注氢氧化钠溶液，否则采用氢氧化钠和氯化钠轮番灌注。适用于湿 陷性黄土地基。 1 1 4振密挤密 1 ) 表层压实法采用人工或机械夯实、碾压可振动。适用含水量接近最 佳含水量的浅层疏松粘土、砂土、湿陷性黄土和杂填土。 2 ) 强夯法利用重锤自由下落，迫使深层土液化和动力圃结，以提高强 度并降低其压缩性。消除土的湿陷性、胀缩性和液化性。适用于碎石土、砂土、 索填土、杂填土、低饱和度的粉土与粘性土及湿陷性黄土。 3 ) 振冲挤密法依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，砂粒重新 排列孔隙减小，同时依靠振冲器的水平振动力，加回填料，使砂层挤密，提高 地基承载力和减小沉降并提高地基抗液化能力。适用于粘粒含量小于1 0 的疏 松砂性土地基。 4 ) 挤密砂石桩法在地基中设置砂桩、碎石桩，通过成桩过程中对桩间 土进行挤密，形成复合地基，提高地基的承载力和关小沉降。适用于疏松砂性 土、杂填土、非饱和粘性土地基。 5 ) 爆破挤密法在地基爆破产生挤压力和振动力使地基土密实以提高土 体的抗剪强度、提高地基的承载力和关小沉降。适用于疏松砂性土、杂填土、 非饱和粘性土地基。 6 ) 土桩、灰土桩法采用沉管法、爆扩法和冲击法在地基设置土桩或灰 土桩，在成桩过程中挤密桩间土和密实的土桩或灰土桩形成复合地基。适用于 地下水以上和湿性黄土、杂填土、素填土。 1 1 5加筋 1 ) 加筋土法在土体中埋置土工合成材料，增大压力扩散角，提高地基 的承载力和减小沉降。适用于堤坝坝基、挡土墙。 2 ) 树根桩法在地基中设置如树根状微型灌注桩。适用于各类地基。 3 ) 土层锚杆是依赖土层与锚固体之间的粘结强度，将拉应力传递到稳 定土体中去的工程。适用于边坡。 4 4 ) 土钉是在土体内放嚣一定长度和密度的土钉体，与土共同作用，用 以弥补自身强度。可以提高整体刚度和土体的抗拉、抗剪能力。适用于开挖支 护边坡。 11 6 冷热处理 1 ) 烧结法热加固法是通过渗入热空气和燃烧物，并依靠热传导将细颗 粒土加热到适当温度( 1 0 0 。c 以上) 则土的强度就会增加，而压缩性随之降低。 适用于非饱和粘性粉土和湿陷性黄土。 2 ) 冻结法 采用液体氦或二氧化碳膨胀的方法，或采用普通的制冷设备 与一个闭阀式液压系统相连接，使冷却液在内部流动，造成软而湿的土进行冻 结，以提高土的强度和降低压缩性。适用于特别在软弱地质条件下，开挖深度 大于7 8 米，以及低于地下水位的情况下。 1 1 7 托换 1 ) 基础加宽法 通过加宽原有建筑物基础，减小基底压力。适用于原地 基承载力较好，基础不够宽。 2 ) 墩式托换法 通过置换，在原有基础下设混凝土墩，使荷载传到较好 土层。适用于地基不深处有较好的持力层。 3 ) 桩式托换法 在原有基础下设混凝土桩，提高承载力，减小沉降。适 用于原地基承载力较低。 1 1 8 纠倾 1 ) 加载追降法 通过堆载或加载使沉降较小的一侧产生沉降，使不均匀 沉降减小。适用较深厚的软土地基。 2 ) 掏土迫降法 在建筑物沉降较小的部分地基中或薅侧掏取部分土体， 迫使沉降较小的部位发生进一步沉降。适用较深厚的软土地基。 1 2 国内外粉喷桩技术研究的现状及特点 1 2 1 国内外粉喷桩技术研究的现状 水泥土搅拌法是适用于加固饱和粘性土和粉土等地基的方法之一。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，就地将软土和固化剂 5 ( 浆液或粉体) 强制搅拌，使地基土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水 泥加固土，从而提高地基土强度和增大变形模量。根据固化剂掺入状态的不同， 它可分为浆液搅拌和粉体喷射搅拌两种。前者是用浆液和地基土搅拌，后者是 用粉体和地基土搅拌。 水泥浆搅拌法最早在美国研制成功，称为m i x e d i n p l a c e p i l e ( 简称m i p 法) ，国内最早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皖进行了 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 心管输浆的搅拌机械，并由江阴振冲器厂成批生产( 目前s j b - 2 型加固深度可达 1 8 m ) 1 9 8 0 年初在上海宝钢的软土地基加固工程中获得成功。1 9 8 0 年初天津机 械施工公司与交通部一航局科硒所秘甩b 本进b 嫘旋钻孔杌械进行改装，制成 单搅拌轴和叶片输浆型搅拌机，1 9 8 1 年在天津造纸厂蒸煮锅改造扩建工程中获 得成功。粉体喷射搅拌法( 简称d j m 法) 最早由瑞典人k j e l dp a u s 于1 9 6 7 年提 出了使用石扶搅拌桩加固1 5 米深度范围内软土地基的设想，并于1 9 7 1 年瑞典 l ir l d e na 1 i m a t 公司在现场制成第一裉用石灰粉和软土搅拌成的桩，1 9 7 4 年获 得粉喷技术专利，生产出的专用机械其桩径5 0 0 m m ，加固深度1 5 m 。我国由铁道 部第四勘测设计院于1 9 8 3 年用d p p 一1 0 0 型汽车钻改装成国内第一台粉体喷射搅 拌机，并使用石灰作为固化剂，应用于铁路涵洞加固。1 9 8 6 年玎始使月水泥作 为固化剂，应用于房屋建筑的软土地基加固i1 9 8 7 年铁四院和上海探矿机械厂 制成g p p - 5 型步履式粉喷机，成桩直径5 0 0 m m 。加固深度1 2 5 m 。当前国内粉 喷机的成桩直径一般在5 0 0 7 0 0 m m 范围，深度一般可达2 8 m ( 国外可达6 0 米) 。 水混土搅拌桩在我国应题2 8 余年来，应舄藏匿不断扩展，形成了我国的特色， 而且还根据我国国情开发的价格低机型轻便的搅拌机械”1 。 1 2 2 粉喷桩的优点 1 ) 粉喷桩是利用水泥和原地基土就地搅拌混合，因而最大限度地利用了原 土： 2 ) 搅拌时不会使地基侧向接出，对周围建筑物影响小； 3 ) 施工时无振动、无噪声、无污染； 4 ) 根据地基和上部结构的要求，合理选择设计方案。 水泥搅拌自身也有许多缺点：不适用于地下水有酸性和土中含有大量有 枫质情况；施工质量不易控制，缺陷不易发现等9 3 。 粉喷桩的适用范围：处于正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、 素填土、粘性土以及松散的砂土地基。不宣用于欠固结粘性土，因欠固结土对 加固体会产生负摩擦力降低加固体的承载力。当用于处理泥炭土、有机质土、 塑性指数i ， 2 5 的粘土或地下水具有腐蚀性时，必须通过试验确定其适用性。因 为这类土或会对水泥土加固体产生腐蚀，或者因土的粘性大，使机械在土中旋 转困难。当地基的天然含水量小于3 0 ( 饱和黄土含水量小于2 5 ) 、大于7 0 或 土的腐蚀性测试指标p h 4 阏，不宜采用粉喷桩。 1 3 本论文的主要研究内容 水泥土搅拌法由于具有以上优点，所以广泛应用于建筑物的地基加固、堤 防防渗、深基坑支挡防渗等工程领域。水泥土搅拌桩在长江、黄河等堤防防渗 工程中得到广泛应用，本文希望能系统地研究粉喷桩在水利工程基础加固方面 的特性，为水利工程粉喷桩施工提供理论依据： 1 ) 深入研究深层搅拌桩的加固机理和力学性能； 2 ) 通过现场试验、室内试验和理论计算分析，研究粉喷桩在淮河流域水利 工程中的应用： 3 ) 以荆山湖闸为例，研究粉喷的施工工艺及质量控制； 4 ) 地基处理理论落后于实践。从实践一一理论一一再实践的角度看，实践 先于理论是一般规律，对水利工程更是如此。但重视理论研究，用理论指导实 践也是很重要的，本文通过对粉喷桩理论的研究，期望粉喷桩施工技术能在水 利工程界被推广使用并引起重视， 第二章：粉喷桩的加固机理及力学特性 2 1 粉喷桩的加固车几理 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 主要是在粗填充料中进行水解和水化作用，所以凝结速度快。而水泥加固土中， 由于水泥掺入量很小，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质一 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。水泥与软土 采用强制机械拌和后形成水泥土，它是基于水泥与软土的一系列物理和化学的 反应过程。 2 1 1 水泥在软土中的水解与水化反应 普通的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， 三氧化硫等组成，掺入的水泥与软土中的水发生水解和水化反应，在软土中形 成水泥石骨架。主要反应如下： 2 ( 3 c a o s i 0 2 ) + 6 i t2 0 3 c a o 2 s i 0 2 3 h 2 0 + 3 c a ( o h ) z 2 ( 2 c a o s i o z ) + 4 h 2 0 一3 c a o 2 s i 0 ：3 h 2 0 + c a ( o h ) 2 3 c a o a 12 0 。+ 6 1 qz o 一3 c a o a 1 ：0 ，6 h 2 0 4 c a o a l2 0 一f e2 0 3 + 2 c a ( o h ) z + l o h 2 0 - - 3 c a o a 12 0 3 6 h 2 0 + 3 c a o f e2 0 。6 h 2 0 3 c a s o + 3 c a o a 1z 0 3 2 l t o c a o h l2 0 3 3 c a s o ，3 2 h 2 0 ； 生成物主要为氢氧化钙，含水硅酸钙，含水铝酸钙，含水铁酸钙和水泥杆 菌等化合物。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，再与承发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶 液达到饱和后，水分子虽继续渗入颗粒内部，但新生成物不能再继续溶解，只 能以胶体析出，悬浮在沼液中。根据电子显微镜的观察，水泥杆菌最初以杆状 结晶形式在比较短的时间内析出，其生成量随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，最后把大量自由水以结晶水的形式 固定下来。这对于含水量高的软土强度增长有特殊意义，可使土中自由水的减 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两遭到破坏。所以，使用合适，在某种特 定的条件下，可利用这种膨胀势来使加固土发生膨胀、挤密作用来增加地基加 固效果”3 。 2 12 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 则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生作用。 1 ) 离子交换和团粒化作用 粘土和水结合时就表现一定的胶体特性，如土中二氧化碳遇水后，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 ”进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒， 从而使土体的强度提高。水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗粒 大l o o o 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 步结合，形成水泥土的团粒结构，并封闭各团粒的孔隙，形成坚固的联结。 从宏观上看也能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结晶化合物，使 水泥土强度增大。 s i 0 2 + c a ( o h ) 2 + n h 2 0 一3 c a o s i 0 2 ( n h ) h 2 0 ； a l2 0 ：。+ c a ( o h ) 2 + n h 2 0 c a o a 12 0 3 ( n + 1 ) h 2 0 从电子显微镜扫描的观察可见，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萌芽；一个月后，水泥土生成大量纤维状结 晶，并不断延伸充填到颗粒间的孔隙中，形成网状构造；到五个月后，纤维状 结晶辐射向外伸展，产生分叉，相互结合形成网状结构，土颗粒的性状已经不 能分辨。 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 化作用，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应也能使水泥土增加强度，但增长强 度较慢，幅度较小。从水泥土加固机理分析，由于搅拌机械的切削作用，实际 上不可避免会留下一些未被粉碎的大小团粒，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。只有在较长的 9 时间，土团内的土颗粒在水泥水解产生的渗透作用下，才逐渐改变性质。因此 在水泥土中不可避免的会产生强度较大和水稳定性较好的水泥石和强度较低的 土团粒区，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，则水泥土结构的离散 性越小，其宏观的总体强度也越高”1 。 2 2 粉喷桩的力学特性 根据室内搅拌的水泥土试块试验研究，水泥土的物理力学性质，与水泥掺 入量、水泥标号、外掺剂、土的含水量、有机质含量等因素有关。水泥土的无 限侧压强度一般为3 0 0 4 0 0 0 k p a ，比天然土大几十至几百倍。根据工程经验， 水泥土的强度主要受以下因素影响” ： 1 ) 水泥掺入量的影响： 试验表踢水泥土韵强度随着水泥掺入量的增加而增加，水泥掺入量的多少 可以用掺合比c a ，来表示：钆= 主磊篙糯。 实际工程中水泥掺台比根据要求选用( 5 、7 、1 0 、1 5 、2 0 ) 等。当a 5 对，由子水泥与土的反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散性比较大，实际 工程中水泥掺合比不宜小于5 ，当掺合比大于2 0 f 对，水泥用量多，不能体现工 程的经济性。 2 ) 水泥土的龄期 水泥土的强度随着龄期的增加而增加。水泥土的龄期比混凝土长，这是因 为混凝土的硬化主要是水泥在粗填充料空隙中进行水解水化反应，凝结速度较 快，而水泥土由于水泥掺含量较小，水泥的水解水化反应是在具有一定活性的 中进行的，所以硬化速度慢，雨且作甩也比较复杂。因此水泥强度增长的 龄期要比混凝土长而缓慢。试验表明，7 天龄期的水泥土试块强度可以达到标准 强度的3 0 5 0 。龄期超过2 8 天后水泥土的强度会明显增加，当超过3 个月后， 水泥土的强度基本达到因此，工程上取用3 个月龄期的强度作为水泥搅拌桩的 标准强度”。根据上海地区水泥加固饱和软粘土的无侧限抗压强度试验结果的 回归分析，得到在其它条件相同时，不同龄期的水泥土坎侧限抗压强度间关系 大致呈线性关系，这些关系式有3 ： s o , ，= ( o 4 7 一o 。6 3 比 l i 。= ( o 6 2 o 8 0 1 名2 。 厶m = 0 1 5 1 4 6 1 名2 。 厶m = ( 1 4 3 1 8 0 名2 。 兀m = ( 2 3 7 3 7 3 1 名， l 9 0 = ( 1 7 3 2 8 2 1 名1 4 0 ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 回归分析还发现，在其它条件相同时，某个龄期( t ) 的无侧限搞压强度正。， 与2 8 天龄期的无侧限抗压强度厶：。的比值厶，厶，。与t 的关系具有较好的归一 性，且呈幂函数关系； 厶，厶2 8 = 0 2 4 1 4 t 0 4 ”7 ( 2 - 7 ) ( r = 0 9 9 7 ，s = 0 0 3 7 ，n = 5 )t = ( 7 9 0 ) d 在其它条件相同时，两个不同龄期的水泥土的无侧限抗压强度之比随龄期 之比的增大而增大，经回归分析得到的函数关系为： 工。兀，：= 亿疋) o “ ( 2 - 8 ) ( r = 0 9 9 2 ，s = 0 0 2 1 ，n = 9 ) t = ( 7 9 0 ) d 互瓦= o 0 8 o 6 7 和王瓦= 1 5 0 1 2 s 5 一一龄期为五的无侧限抗压强度； l ，一一龄期为l 的无侧限抗压强度。 3 ) 水泥标号的影响 水泥土的强度随着水泥标号的提高而增加，水泥标号每提高1 0 0 号，水泥土 的无侧限强度约增加2 0 3 0 。 4 ) 外掺剂 用于水泥土的外掺剂，目前国内常用石膏、三乙醇胺、木质素和磺酸钙等。 石膏、三乙醇胺是对水泥土的强度的增强作用，是早强剂。而木质素、磺酸钙 对水泥土强度的增长影响不大，主要起减水作用”“。 5 ) 土中含水量的影响 试验表睨，水泥土的无侧限抗压强度随着土中含水量的增加而下降， 6 ) 土中有机质含量的影响 土中有机质含量对水泥土的强度影响较大，有机质含量高的土质，与水泥搅 拌后的水泥土的力学指标明显偏低。 第三章荆山湖闸地基处理方案设计 3 1 荆山湖工程概况 荆山湖行洪区位于安徽省怀远县，进洪闸位于行洪区上口门附近，采用开 敞式水闸形式水闸设计流量为3 5 0 0 m 3 s 。 进洪闸共3 1 孔，单孔净宽1 0 m ，总净宽3 1 0 m 。水闸底槛高程v 1 7 5 耵】，闸 底板顶面高程v 2 6 0 m ，闸室顺水流方向长1 9 m ，中墩厚1 4 1 1 1 ，边墩厚1 2 m ， 闸室总宽度3 5 2 m 。闸室底板为两孔一联分缝的分离式底板型式，大底板厚1 5 m ， 小残板厚1 2 m ，大小底板阍设搭接缝，缝闻设二道橡皮止水。启翔台布置在闸 室下游，顶面高程为v3 6 1 m ，启闭机大梁支撑于排架上，启闭机台上设启闭机 房，净高4 5 m ，宽均为5 2 m 。闸上公路桥设计标准为汽一2 0 ，验算荷载挂一1 0 0 ， 桥面净宽6 m ，桥面高程2 6 0 m ，两侧各设宽0 5 m 的护轮缘石。 闸室两侧设空箱岸墙，岸墙顺水流向长i 9 m ，垂直于水流方向宽1 1 ，5 m ，闸 顶面高程v 2 6 o m ，空箱岸墙均设8 个隔仓，隔仓内填土高程呈梯度变化，以改 善空箱岸墙基底压应力。岸墙下游侧布置桥头堡，桥头堡平面尺寸为9 2 m 1 0 8 m ，共四层，在桥头堡内布置电气设备及水闸集中控制系统。 水闸地下防渗轮廓线由闸前钢筋砼铺盖，闸室底板、闸下钢筋砼、消力池 坡段等组成。闸下采用挖深式钢筋砼消力池，池底与闸底坎间以1 ：4 的斜坡连 接。消力池底板首端厚1 o m ，末端厚0 8 m ，为保证初始进洪斜护坦和消力池底 板的抗浮稳定。闸消力池底板下设钢筋砼抗拔桩。 消力池后布置长7 5 m 的海漫，前1 5 m 海漫为钢筋砼结构，后分别接3 0 m 长 浆砌石和干砌石海漫，因海漫下砂壤土出露，砌石海漫下均设反滤体，自上而 下依次0 1 m 厚碎石垫层、0 1 5 m 厚瓜子片和中粗砂及土工布。海漫末端设置抛 石防冲稽，槽深3 o m ，槽顶高程v 1 2 8 m ，底宽6 ，o m ，防冲槽四周边坡均为l ：4 。 水闸上、下游翼墙顶部设置导水墙与闸室和上、下游导流堤连接，翼墙的 结构形式根据挡土高度的不同分别采取空箱式和扶壁式结构。 闸上和闸下地势平坦，为使水闸水流平顺进出闸室，上、下游设置导流堤， 上游开挖引河。上游导流堤与荆山湖封闭堤结合布置，并结合分流裹头布置现 场管理区平台，为避免弃土占用湖内耕地，在导堤后修建堤脚平台，以保证导 流堤边坡稳定。 进擞阐水文地质条件 一) 、水文条件 1 ) 地下水的类型和运动特征 场地地下水主要以孔隙水的形式赋存地层中。受岩性变化和季节影响富 水程度各处差异较大。根据地下水的储存条件和排泄特性分为孔隙潜水和孔隙 承压水两种。孔隙潜水主要赋存于上部松散的砂壤土、轻粉质壤土中，受大气 降水、堤内沟塘及下伏砂层中承压水流补给，地下水运动较缓慢；孔隙承压水 赋存于粘性土盖层之下的砂壤土、细砂、极细砂层中，含水层厚度2 5 m ，地 下水运动较迅速，枯水期受远源侧向补给。闸址区上部砂壤土、细砂层标高一 般为1 1 o 1 3 0 ，而与其相近的淮河深泓标高4 5 6 0m 左右，不但切割了 上部砂壤土、细砂层，还部分切割了下部砂层。 2 ) 土体的透水性 工程区内松散堆积层多具有二元结构，各土层透水性差异较大，现场注水 试验主要集中在砂壤土夹层和上部细砂层中，现场注水试验成果见表3 一l ，室 杰试验统计成果见表3 - 2 。 表3 一l 钻孔注水试验成果统计表 注水段位置试验段长度渗透系数 孔号 层序 地层名称 ( m )( m ) k ( c m s ) z k 0 7 4 5 5 81 8 砂壤土4 0 1 x