水泥土搅拌桩论文水泥搅拌桩论文.doc

水泥土搅拌桩论文水泥搅拌桩论文水泥土搅拌桩在地基加固中的应用与研究要摘 随着基础设施建设的发展，水泥土搅拌桩技术在软土地基加固方面得到广泛应用，并出现很多理论和计算方法。介绍水泥土搅拌桩的加固机理及力学影响因素，并通过工程实例进行复合地基的理论计算，分析水泥土搅拌桩复合地基承载性状的影响因素；说明水泥土搅拌桩在软土加固的适用性和推广普及的可行性。 关键词 水泥土搅拌桩；复合地基；承载力；加固 无论是城市建设、公路建设还是其它基础设施的建设，都不可避免地遇到各种软弱地基，而水泥土搅拌桩是利用水泥材料作固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将地基土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和土体之间所产生的一系列物理、化学反应，使地基土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的加固体，从而达到加固地基的目的。 1 水泥土搅拌桩的加固机理 国内外大量试验及研究表明，软土与水泥深层搅拌加固是基于水泥加固土的物理化学反应。它与混凝土的硬化机理有所不同，混凝土的硬化是水泥在粗填充料中进行水解和水化作用，凝结速度快。而水泥加固土中，由于水泥的掺量少，水泥水解和水化是在一定活性的介质土中进行，土质条件对搅拌桩桩身质量和强度是通过土的物理力学和物理化学性质来影响的，故水泥加固土强度增长和硬化速度比混凝土缓慢且作用复杂。 1.1 水泥的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥主要是由CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等组成，这些不同的氧化物组成了不同的水泥矿物：3CaOSiO2、2CaOSiO2、3CaOAl2O3、4CaOAl2O3Fe2O3、CaSO4等。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Ca(OH)2、3CaO2SiO23H2O、3CaOAl2O36H2O及3CaOFe2O36H2O等化合物。其中Ca(OH)2、3CaO2SiO23H2O能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露并与水发生反应，这样周围的水溶液逐渐达到饱和，当溶液达到饱和后，水分子继续深入颗粒内部，但新生成物己不再溶解，只能以分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。CaSO4占水泥含量的3%，它与3CaOAl2O3一起与水发生反应，生成“水泥杆菌”，使大量自由水以结晶水的形式固定下来，对高含水量软粘土强度的增长有特殊作用。 1.2 粘土颗粒与水泥水化物的作用 水泥的水化物生成后，有的自身硬化形成水泥骨架，有的与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。 1）团粒交换作用。软土作为一个多相散布系，和水结合表现出一般的胶体特征，其表面带有Na+或K+，能和水泥水化生成的Ca2+进行当量吸附交换，另外水泥水化生成的凝胶粒子，其比表面能有强烈的吸附活性，与土团粒进一步结合，形成水泥土团粒结构，并封闭土团间的空隙，使水泥土的强度大大提高。 2）凝结反应。随水泥水化反应的深入，溶液中析出大量Ca2+，在碱性的环境中，当其数量超过离子交换的需要量后，能使组成粘土矿物的大部分SiO2及Al2O3与Ca2+进行化学反应。随着反应的深入，逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物。 3）碳化反应。水泥及水化物中游离的Ca(OH)2能吸收水、土和空气中的二氧化碳，发生碳化反应，生产不溶于水的CaCO3，增加了水泥的强度。 2 水泥土搅拌桩强度的影响因素 1）水泥掺入比及水泥强度等级。水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大，水泥土的强度随水泥强度等级的提高而增加。一般，水泥强度等级提高1级，水泥土的强度增加45%95%，表1水泥强度等级对水泥土强度的影响结果。 图1 无侧限抗压强度与水泥掺入比的关系 2）龄期。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。不同龄期的水泥土无侧限抗压强度间的关系如下： （1）fcu,7=(0.470.63)fcu,28 （2）fcu,14=(0.620.80)fcu,28 （3）fcu,60=(1.151.46)fcu,28 （4）fcu,90=(1.431.80)fcu,28 （5） fcu,90=(2.373.73)fcu,7 （6）fcu,90=(1.732.82)fcu,14 式中fcu,7、fcu,14、fcu,28、fcu,60、fcu,90分别为7d、14d、28d、60d和90d龄期的水泥土无侧限抗压强度。当龄期超过3个月，水泥土的强度增长才缓慢。某个龄期（t）的无侧限抗压强度fcu,t与28d龄期的无侧限抗压强度fcu,28的比值关系如（7），通常以90天龄期的无限侧抗压强度作为水泥土的强度设计标准值。 （7） fcu,t / fcu,28=0.124t0.4197 3）土的含水量对强度的影响。水泥土的无侧限抗压强度fcu随土样含水量的增加而降低（如表2），当土的含水量从45%增大到155%时，无侧限抗压强度fcu则从2320kPa降至260kPa，一般情况下，土样含水量降低10%，则制成的水泥土的强度fcu可增加10%50%。 4）有机质对强度的影响。水泥土中的有机质使土样具有较大的水溶性和塑性及膨胀性低的渗透性，并使土的酸性增加，使水泥的水化反应受到抑制。 3 工程实例及地基承载力设计 某学校学生公寓楼，平面呈“一”字形，长101.4m，宽20.2m，建筑高度为20.15m，层高均为3.2m，耐火等级为二级，室外地面设计标高0.75m。结构类型为砖混结构，层数为六层，建筑面积为11680m2，地基承载力设计标准值为175kPa，抗震设防烈度7度，设计基准期为50年，重要性等级为三级，其地质勘察情况（如表3）。 1）桩水泥掺入比及掺入量计算。深层搅拌桩水泥掺入比可根据要求选用（7、10、12、14、15、18、20）%等，可按下式计算：aw=W/V0100%；水泥掺入量按下式计算：a=W/V。 式中aw水泥掺入比（%）；W0被加固土的湿重量（kg）；W掺加水泥重量（kg）；a水泥掺量（kg/m3）；V被加固土的体积（m3）；水泥掺量采用180250kg/m3。 2）单桩竖向承载力的计算。单桩的设计主要是确定桩长和选择水泥掺入比，使土对桩的支承力与桩身强度所确定的承载力相近。单桩竖向承载力标准值根据现场载荷试验确定，使桩身材料强度确定的单桩承载力大于或等于由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力，或根据水泥土搅拌桩的单桩承载力公式（8、9）计算，取其较小值： （8） （9） 式中：fcu,k与水泥土搅拌桩身加固土配比相同的室内加固土试块的90d龄期无侧限抗压强度平均值（kPa）；桩身强度折减系数；Up桩周长（m）；Ap桩的横截面积（m2）；n桩长范围内所分的土层数；qsi桩周第i层土的侧阻力特征值；li搅拌桩长度（m）；qp桩端天然地基上的承载力标准值（kPa）；桩端天然地基土的承载力折减系数。 从安全承载力方面考虑，l=10m满足要求的。 经两者比较，取较小值。 3）搅拌桩复合地基承载力的计算。当桩的间距较大时，水泥土搅拌桩可与周围的软土组成柔性桩复合地基。搅拌桩复合地基的承载力标准值公式（10）计算： （10） 式中fspk搅拌桩复合地基承载力标准值（kPa）；m搅拌桩面积置换率；fsk桩间天然地基土承载力标准值（kPa）；Ap桩的横截面积（m2）；Ra单桩竖向承载力标准值（kN）；桩间土承载力折减系数。 由上部计算荷载知，地基承载力的特征值fspk=F/b=140kpa，fs,k=85350kpa。 4）置换率和桩数的计算。根据上部结构对地基要求的承载力fspk，和单桩设计的承载力Ra可以计算搅拌桩的置换率m和总桩数n。 （11）m=(fspk-fsk)/(Ra/Ap-fsk) （12）n=mA/Ap 式中：A需加固的地基面积（m2） 桩端未经修正的承载力特征值为230kPa，由于桩端土为可塑的硬土，拟建公寓楼的重要性等级为三级，故应取较小值0.1。 从地基承载力要求和计算简便方面考虑，取m=23%， n=mA/Ap=2764=2800根 5）水泥土搅拌桩复合地基沉降验算。水泥土搅拌桩复合地基的变形由复合土层的变形S1和桩端下未加固的土层的变形S2组成。即 （13）S=S1+S2 （14） 其中S1=(Pz+Pzl)/2Esp （15） Esp=mEp+(1-m)Es 式中，Pz搅拌桩复合土层顶面的附加压力值（kPa）；Pzi搅拌桩复合土层底面的附加压力值（kPa）；Esp搅拌桩复合土层压缩模量（kPa）；Ep搅拌桩的压缩模量，可取（100120）fcu（kPa）；Es桩间土的压缩模量（kPa）。 由已知条件可计算出： 其中Ep为水泥土搅拌桩的变形模量，当水泥土桩的无侧限抗压强度fcu=0.13.5MPa时，取Ep=10550MPa 经验算pz+pcz 4 结论 水泥搅拌桩加固土是在水泥的水解和水化反应后，与粘土颗粒发生交换、凝结和碳化反应，生成不溶水的固体化合物，增加和地基的强度。根据加固机理，分析了水泥土搅拌桩强度的影响因素，试验结果和数据表明，水泥土搅拌桩的无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增加而增大，当水泥掺入比aw5%时，水泥土的无侧限抗压强度fcu与水泥掺入比aw更接近线性关系。同时随着水泥强度等级的升高而增大；在90d龄期内，龄期越长，水泥效率越高，即强度越高。此外，天然土中含水量要明显高于加固