深层搅拌桩支护某结构工程设计毕业论文.doc

本 科 毕 业 设 计（论文）深层搅拌桩支护某结构工程设计摘要深层搅拌桩具有无噪音、无振动、无污染、工效高及成本低等优点，是一种新型基坑支护方式，因此，对不同形式下水泥土墙的稳定性研究具有重要意义。本文概述了基坑支护中深层搅拌桩支护技术的发展及应用历史，介绍了深层搅拌桩的特性、作用机理及影响因素。为广州某一工程的基坑开挖进行深层搅拌桩支护设计，并对该设计进行理论分析和计算。比较了不同嵌固深度对搅拌桩支护结构稳定性的影响，并绘制关系曲线，确定最优嵌固深度。得出以下几点结论：1. 对于软土地基而言，当开挖深度不超过7m时，较板桩支护等其他支护方式而言，深层搅拌桩支护具有明显优势，因此对于这类基坑支护宜采用深层搅拌桩支护。2. 当基坑土层含大量淤泥质软土时，深层搅拌桩支护结构的失稳主要受抗滑稳定性和抗倾覆稳定性决定。3. 当基坑土层含大量淤泥质软土，且基坑附近有较高堆载时，增加深层搅拌桩的嵌固深度和厚度对提高基坑支护结构的稳定性作用不显著，因此这时宜配合内撑或锚拉，组成混合支护结构对基坑进行支护。4. 当基坑土层含大量淤泥质软土，且基坑附近有较高堆载时，深层搅拌桩支护结构的稳定性并不一定随嵌固深度的增加而增加，在某一范围内反而随着嵌固深度的增加而减小。如本工程抗倾覆稳定性随着嵌固深度的增加而减小。此外还提出深层搅拌桩的施工工艺、技术指标、质量控制及变形监测等合理建议，对该设计进行经济分析。关键词：基坑支护；深层搅拌桩；嵌固深度；基坑施工；技术指标Abstract Deep mixing pile has no noise, no vibration, no pollution, high efficiency and low cost advantages, is a new type of foundation pit supporting method, therefore, the cement wall under the different forms of stability study is of great significance. This article summarizes the deep mixing pile supporting technology in the foundation pit supporting the development and application of history, the characteristic of deep mixing pile are introduced, action mechanism and influence factors. For guangzhou a engineering excavation supporting design of deep mixing pile, and the theory analysis and calculation for the design. Compared the different depth of the built-in influence on mixing pile supporting structure stability, and map relation curve, determine the optimal nesting depth. The following conclusions:1.For soft soil foundation, when the excavation depth of no more than 7 m, the sheet pile support and other supporting method for deep mixing pile has obvious advantages, so for this kind of foundation pit supporting with deep mixing pile.2.When the soil containing large amounts of silt soft soil foundation pit, supporting structure of deep mixing pile buckling mainly by anti-sliding stability and resistance to overturning stability decision.3.When soil containing large amounts of silt soft soil foundation pit, the pit near a high heap load, increase the built-in depth and thickness of the deep mixing pile to improve the stability of foundation pit supporting structure effect was not significant, so this time cooperate to hold or anchor, composed of mixed retaining structure for foundation pit supporting.4.When the soil containing large amounts of silt soft soil foundation pit, the pile and foundation pit near a high load, the stability of deep mixing pile supporting structure is not necessarily with build-in increase with the increase of the depth, in a certain range increased with the increase of depth of the built-in instead. Such as resistance to overturning stability of this project will decrease with the increase of built-in depth.In addition the construction technology, technical index of deep mixing pile, quality control and reasonable Suggestions, such as deformation monitoring of economic analysis of the design.Key words: foundation pit supporting; Deep mixing pile; Built-in depth; The foundation pit construction; Technical indicators目 录摘要IAbstractII第1章 前言1第2章 工程背景42.1 工程概况42.2 场地水文地质情况5第3章 支护方案的比较63.1 概述63.2 内支撑钢板桩支护93.3 人工挖孔桩支护93.4 深层搅拌桩支护93.5 本章小结10第4章 深层搅拌桩介绍114.1 深层搅拌桩的发展及应用历史114.2 深层搅拌桩的特性134.3 深层搅拌桩的作用机理144.4 深层搅拌桩的影响因素15第5章 深层搅拌桩支护结构设计计算175.1 概述175.2 东西面基坑支护结构设计计算175.2.1 支护方案设计及基本信息175.2.2 支护方案的理论分析及计算225.3 南北面基坑支护结构设计计算365.3.1 支护方案设计及基本信息365.3.2 支护方案的理论分析及计算39第6章 深层搅拌桩施工方法506.1 施工工艺506.2 技术指标516.3 质量控制52第7章 基坑开挖及变形监测537.1 基坑开挖537.2 变形监测53第8章 经济分析56结 论57参考文献58致 谢60第1章 前言 纵观当今世界，我们不难发现，由于世界人口的不断增长，人均土地面积不断减小，城市的各种建筑物向地下发展的趋势逐渐增强，基坑开挖的深度、面积也越来越大。因此，对基坑支护的要求也越来越高。 基坑支护是指为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支档、加固和保护措施的一种方法或技术。常见的基坑支护形式主要有以下几种： 1.放坡开挖 适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，只要求稳定，位移控制无严格要求，价钱最便宜，回填土方较大。 2.深层搅拌水泥土围护墙深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌,形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。水泥土围护墙优点:由于一般坑内无支撑,便于机械化快速挖土;具有挡土、止水的双重功能;一般情况下较经济;施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微,因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点:首先是位移相对较大,尤其在基坑长度大时,为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大,只有在红线位置和周围环境允许时才能采用,而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。 3.高压旋喷桩 高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆,它是利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合形成水泥土加固体,相互搭接形成排桩,用来挡土和止水。高压旋喷桩的施工费用要高于深层搅拌水泥土桩,但其施工设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少,并且施工机具的振动很小,噪音也较低,不会对周围建筑物带来振动的影响和产生噪音等公害,它可用于空间较小处,但施工中有大量泥浆排出,容易引起污染。对于地下水流速过大的地层,无填充物的岩溶地段永冻土和对水泥有严重腐蚀的土质,由于喷射的浆液无法在注浆管周围凝固,均不宜采用该法。 4.槽钢钢板桩这是一种简易的钢板桩围护墙,由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长68m ,型号由计算确定。其特点为:槽钢具有良好的耐久性,基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用;施工方便,工期短;不能挡水和土中的细小颗粒,在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施;抗弯能力较弱,多用于深度4m的较浅基坑或沟槽,顶部宜设置一道支撑或拉锚;支护刚度小,开挖后变形较大。 5.钢筋混凝土板桩钢筋混凝土板桩具有施工简单、现场作业周期短等特点,曾在基坑中广泛应用,但由于钢筋混凝土板桩的施打一般采用锤击方法,振动与噪音大,同时沉桩过程中挤土也较为严重,在城市工程中受到一定限制。此外,其制作一般在工厂预制,再运至工地,成本较灌注桩等略高。但由于其截面形状及配筋对板桩受力较为合理并且可根据需要设计,目前已可制作厚度较大(如厚度达500mm 以上) 的板桩,并有液压静力沉桩设备,故在基坑工程中仍是支护板墙的一种使用形式。 6.钻孔灌注桩钻孔灌注桩围护墙是排桩式中应用最多的一种,在我国得到广泛的应用。其多用于坑深715m 的基坑工程,在我国北方土质较好地区已有89m 的臂桩围护墙。钻孔灌注桩支护墙体的特点有:施工时无振动、无噪音等环境公害,无挤土现象,对周围环境影响小;墙身强度高,刚度大,支护稳定性好,变形小;当工程桩也为灌注桩时,可以同步施工,从而施工有利于组织、方便、工期短;桩间缝隙易造成水土流失,特别时在高水位软粘土质地区,需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题;适用于软粘土质和砂土地区,但是在砂砾层和卵石中施工困难应该慎用;桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整体,因而相对整体性较差,当在重要地区,特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重。 由此可见，基坑支护结构类型繁多,各具特色,我们必须熟悉各类支护结构(尤其是新的支护体系)的适用性和局限性,以便在设计时先做好方案比较,使设计取得最佳的技术效果为了不断提高认识和设计水平,必须运用现代分析方法和测试手段,对所设计结构物进行性状预测和施工监测因此深层搅拌桩挡墙设计应包括:方案比较结构设计与计算性状预测与监测本文概述了基坑支护中深层搅拌桩支护技术的发展及应用历史，介绍了深层搅拌桩的特性、作用机理及影响因素。本文为广州某一工程的基坑开挖进行深层搅拌桩支护设计，并对该设计进行理论分析和计算。然后提出深层搅拌桩的施工工艺、技术指标、质量控制及变形监测等合理建议。最后对该设计进行经济分析，从而得出深层搅拌桩支护设计是该工程基坑支护的最优方案的结论。第2章 工程背景2.1 工程概况 广州某大型商住楼座落在市区临江边，拟建20层，框剪结构，地下1层，总建筑面积75000m2，建筑物总高64.8m，地下室首层13层为车库商业用房，4层以上为住宅，建筑总长300m，宽250m，基础为片筏，埋深6.5m,筏板厚1.8m。基坑开挖深度为6.7m。 工程距离北面道路48m,西面毗邻三座313层的住宅大楼5m，东南方向6m处有一20层的大厦，南面方向1530m处为一江河，场地工程地质平面图如图2-1所示。 工程施工程序为先地基深层搅拌水泥土桩加固后基坑土方开挖。因此，坑内土层的内摩擦角可适当提高。 图2-1 工程地质平面图2.2 场地水文地质情况 商住楼距离河北堤约1530m，场地为旧建筑物拆除地，地下存在旧基础或旧的地下管道。上覆地层为第四系冲积层，其下基岩为石炭系石灰岩。场地在地貌上为河流I级阶地。 工程所在地的土层自上而下为:人工填土层;粉质粘土层;淤泥质粉质粘土层;淤泥层;中、粗砂夹淤泥层；淤泥层；粉质粘土层。土层参数如下表2-2所示。 场地位于江河畔，地下水位受江河水影响较大。稳定时，地下水位2.4m。表2-2 土层参数土层顶面高程（m）W（%）重度r（KN/m3）eC（KPa）（）Ea12 （MPa）fak（KPa）人工填土00201414粉质粘土1.23119.130.76826.218.564.63140160淤泥质粉质粘土2.717.0010.013.08090淤泥3.062.2815.61.8667.310.050.9026065中、粗砂夹淤泥7.518.510305.0120140淤泥8.864.7415.91.738.09.011.156570粉质粘土12.429.3619.30.823.419.965.102160180 第3章 支护方案的比较3.1 概述 根据规范，建筑基坑常用支护结构可根据其适用条件和不宜使用条件按表3-1选用。 支护结构应根据基坑开挖深度、工程地质与水文地质条件、场地条件、施工季节、进度要求、邻近建（构）筑物及地下障碍物的分布、地下结构的特点以及可能采用的施工手段，选择经济合理、安全可靠的单独或组合支护方案。缺乏经验时可参照表3-2选择。 因此，根据该工程的场地情况，工程地质条件以及上述规范为该工程提出了三种基坑开挖的支护方案： 方案一：内支撑钢板桩支护 方案二：人工挖孔桩支护 方案三：深层搅拌桩支护现就该三种支护方案进行比较，然后确定最优的基坑开挖的支护方案。表3-1 常用支护结构适用条件和不宜使用条件 结构形式适用条件不宜使用条件放坡基坑周边开阔，满足放坡条件；允许基坑边土体有较大水平位移；开挖面以上一定范围内无地下水或已经降水处理；可独立或与其它结构组合使用。淤泥和流塑土层；地下水位高于开挖面且未经降水处理。土钉墙1、允许土体有较大位移；2、岩土条件较好；3、地下水位以上为粘土、粉质粘土、粉土、砂土；4、已经降水或止水处理的岩土；5、开挖深度不宜大于12m。1、土体为富含地下水的岩土层、含水砂土层，且未经降水、止水处理的；2、膨胀土等特殊性土层；3、基坑周边有需严格控制土体位移的建（构）筑物和地下管线。水泥土墙开挖深度不宜大于7m，允许坑边土体有较大的位移；填土、可塑流塑粘性土、粉土、粉细砂及松散的中、粗砂；墙顶超载不大于20kPa。周边无足够的施工场地；周边建筑物、地下管线要求严格控制基坑位移变形；墙深范围内存在富含有机质淤泥。悬臂开挖深度不宜大于8m。周边环境不允许基坑土体有较大水平位移。排桩桩锚场地狭小且需深开挖；周边环境对基坑土体的水平位移控制要求严格。基坑周边不允许锚杆施工；锚杆锚固段只能设在淤泥或土质较差的软土层。内撑1、场地狭小且需深开挖；2、周边环境对基坑土体的水平位移控制要求更严格；3、基坑周边不允许锚杆施工。地下连续墙适用于所有止水要求严格以及各类复杂土层的支护工程；适用于任何复杂周边环境的基坑支护工程悬臂或与锚杆联合使用的地下连续墙不宜使用与排桩相同表3-2 支护方案选择参考表 基坑侧壁安全等级支护方案说明一级地下连续墙加锚杆；地下连续墙加内支撑；地下连续墙加逆作法；排桩加锚杆；排桩加内支撑；密排桩加逆作法；组合式支护结构。排桩包括人工挖孔桩、冲钻孔灌注桩、预制桩（单排或双排）、板桩（钢板桩组合、异型钢组合、预制钢筋混凝土竖板组合）；排桩应有冠梁和腰梁结构；地下连续墙可兼作永久结构和承重结构；当基坑开挖面以上有地下水时，先用高压喷射注浆止水后，方可用挖孔排桩，且进行基坑内降水；采用逆作法时，应有可靠的施工通风和照明等条件。二级1、地下连续墙加锚杆；2、地下连续墙加内支撑；地下连续墙加逆作法；悬臂式桩墙结构；排桩加锚杆；排桩加内支撑；密排桩加逆作法；8、土钉墙或土钉墙加预应力锚杆；9、组合式支护结构；1、基坑开挖面以上有地下水时，采用土钉墙宜进行基坑外降水；采用排桩支护，应采取高压喷射注浆、深层搅拌止水等措施，且基坑内降水。2、对土钉墙，可采用预制桩、板桩、微型钢管桩、微型灌注桩加预应力锚杆来控制土体水平位移；局部土体放坡段应喷射混凝土护面或堆压砂包；三级1、放坡；2、土钉墙；3、深层搅拌水泥土挡墙；4、悬臂式排桩或单层锚杆钢板桩；1、高压喷射注浆、深层搅拌水泥土挡墙可采用壁式或格栅式；2、当基坑开挖面以上有地下水时，应于基坑内或基坑外降水；3、开挖深度较大时，宜采用分级放坡，并在分级之间留平台。3.2 内支撑钢板桩支护 钢板桩支护应用于基坑深度超过五米的深基坑支护。它属于一种连续支护。钢板桩的形状类似于U型钢但比U型钢宽和深。截面大约呈一个梯型。板材厚约二十五毫米，宽三米左右，长度一般六到九米，也有特制超过十二米的。支护时，先定位放线，用振动打桩机或者挖掘机打下第一个定位桩，随后的桩，与第一个定位桩一正一反，一反一正地扣合，沿放线连续打入地下，形成对基坑壁的有效支护。 本工程基坑深6.7m，选用10m长拉森板桩，设一道钢管内支撑,H型钢为支撑钢柱，拉森板桩有力学性能好、密封性好、耐锤击及施打时对周围环境影响小等优点。但拉森钢板桩内支撑需边开挖边支撑，给施工带来麻烦，并且开挖工作面小，挖土速度慢，有30%的土需人工开挖。在地下室工程施工时，板桩内支撑又不可除，对支设模板、绑扎钢筋、浇捣硷带来很大困难。此外，拉森钢板桩需进口，造价很高，成本较大。3.3 人工挖孔桩支护 人工挖孔桩指用人力挖土、现场浇筑的钢筋混凝土桩。人工挖孔桩一般直径较粗，最细的也在800毫米以上，能够承载楼层较少且压力较大的结构主体，目前应用比较普遍。桩的上面设置承台，再用承台梁拉结、连系起来，使各个桩的受力均匀分布，用以支承整个建筑物 人工挖孔桩施工方便、速度较快、不需要大型机械设备，挖孔桩要比木桩、混凝土打入桩抗震能力强，造价比冲锥冲孔、冲击锥冲孔、冲击钻机冲孔、回旋钻机钻孔、沉井基础节省。从而在公路、民用建筑中得到广泛应用。但挖孔桩井下作业条件差、环境恶劣、劳动强度大，安全和质量显得尤为重要。场地内打降水井抽水，当确因施工需要采取小范围抽水时，应注意对周围地层及建筑物进行观察，发现异常情况应及时通知有关单位进行处理。 人工挖孔桩支护方案具有刚度大、稳定性好的优点，但人工挖孔桩与桩之间有空隙，有挡水要求时不能满足。并且该方案由于土层含淤泥量较高，施工不便。3.4 深层搅拌桩支护 深层搅拌水泥土桩是用特制的进入土深层的深层搅拌机将喷出的水泥浆固化剂与地基土进行原位强制拌合，制成水泥土桩，硬化后即形成具有一定强度的壁状挡墙，既可挡土又可形成隔水帷幕，对任何平面都适用。深层搅拌水泥土桩具有无噪音、无振动、无污染、工效高及成本低等优点。 此方案做法是采用桩500格构式布置，桩与桩搭接150mm，水泥土挡土结构宽4m(见图5-2-1-1a)。基坑开挖高度H=6.7m，入土深度6.06.3m，水泥土挡土结构总高12.713.0m(见图5-3-1-1)，水泥掺量不少于13%。3.5 本章小结 通过对三个方案进行比较可以发现，由于深层搅拌水泥土桩的刚度大、挡土及挡水性能好、施工场地大、造价低等特点，比其他方案有明显优势，故被采用作为最优方案。第4章 深层搅拌桩介绍4.1 深层搅拌桩的发展及应用历史 深层搅拌桩是一种加固饱和软粘土地基的新方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就将软土和固化剂(浆液或粉剂)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理、化学反应，使软土硬化成具有较高地整体性、水稳性和强度的地基。国外使用深层搅拌桩加固的土质有新吹填的超软十、沼泽地带的泥炭土、沉淀的粉土和淤泥质十等，加固深度达到60m左右。国内目前主要适用于淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土等的加固，加固深度一般为20m左右。 深层搅拌桩技术在70年代中期由日本首创并开始应用。我国于1977年末由交通部和冶金部协作进行研制和开展室内外试验，并在工程中投入使用。随着现代技术的迅猛发展，越来越多的新技术、新工艺应用于工程建设，从70年代中期由日本住友株式会社将深层搅拌桩技术应用于工程实践，迄今已经有30多年的历史。虽然日本深层搅拌桩技术发展比较迅速，其技术并不比我国成熟和应用范围也不如我国广泛，但由于其先进的施工设备及其市场营销理念，深层搅拌桩技术在日本迅速得以推广和应用。 深层搅拌桩在美国、前苏联、法国、荷兰等国也得到了大力的推广和应用。深层搅拌桩技术在国外多应用于建筑物基础处理以及在有地面荷载的工业厂房、高填方等地基的加固方面，有时也用于地下防渗墙工程用以防止地下水渗流。 深层搅拌水泥土桩是用特制的深层搅拌机械，在深层将水泥和软土强制搅拌成桩或墙。能提高软十承载力、减少地面沉降、防止地下水渗透。它也可作为地下防渗墙，对桩背后的软土进行加固，从而增加地基土的侧向承载能力。深层搅拌桩技术在我国建筑业有广泛的应用，如下表4-1所示。例如上海，由由人厦基坑深9. 9m，采用深层搅拌桩技术制成厚1. 2m的水泥土墙作隔水帷幕，用直径900间距1. 0m钻孔灌注桩挡土，基坑支护既防渗又挡土，成功地完成支护任务。通过理论分析和工程实践证明:深层搅拌桩技术用于加固基坑被动区土体是经济有效的技术措施，它能减少桩身内力、桩身水平位移、地面沉降，防止被动土体破坏，防止产生管涌现象。表4-1 深层搅拌桩的应用实例序号工程名称高度（m）基坑深度（m）层数地质情况基坑支护方式1上海永华大楼9910.627深层搅拌水泥土桩帷幕深15m2上海由由大厦94.89.928粉质粘土c=14KPa ,=14粘质粉土c=1OKPa ,=10淤泥质粘土c=8KPa ， =9深层搅拌桩厚1. 2m隔水帷幕3上海华侨大厦12011.628深层搅拌水泥土桩帷幕深15m4上海虹桥友谊商城水泥搅拌桩长9.0m5天津日报综合业务楼1209.537杂填土新近代粉质粘土深层搅拌桩6天津交通指挥中心6.516陆相沉积粉质粘土深层搅拌桩厚1.1m隔水帷幕7上海环球世界商业人厦1108.6530杂填土1.7 3. 4m粉质粘土c=21KPa ，=16淤泥质粘土8.Om, c=9KPa灰色淤泥质粘土c=1OkPa , =8深层搅拌桩支护 4.2 深层搅拌桩的特性4.2.1 深层搅拌桩挡土结构与其他支护体系相比所具有如下优点 (1)施工时无振动无噪音无泥浆废水污染 (2)施工操作简便成桩工期较短造价较低 (3)基坑开挖时一般不需要支撑拉锚,坑外不需要井点降水 (4)隔水防渗性能好,基坑内外可以有水位差 (5)基坑内干燥整洁,空间宽敞,有利于文明施工和安全生产,方便后期结构施工 (6)基坑周围地基变形小,对邻近建筑物或地下设施影响小 (7)挡墙顶面在可设置路面行驶施工车辆,而路面结构又可增加挡墙刚度 (8)同一墙体设计成变截面变深度变强度 (9)有利于缩短综合工期 (10)可就近利用一部分粉煤灰等工业废料作为固化剂的外掺剂 4.2.2 深层搅拌桩挡墙在应用上存在下列制约 (1)对有机质含量高pH值低初始抗剪强度甚低(23KPa)的土,或土中含伊里石氯化物水铝石英等矿物及地下水具有侵蚀性时,加固效果差 (2)贯穿地面或地下硬土或障碍物有困难,有时可用冲水或注水下沉解决,有时难以解决需进行地下清除障碍物 (3)根据国内现有设备,目前最大支档高度约为9m,个别工程达14m,而常用的支档高度为47m;一般情况下,当采用湿法施工时,开挖深度不超过7m;当采用干法施工时,开挖深度不超过5m,当支档高度较小或工程量较小时,可能不经济(4)墙体占地面积大,根据广州地区经验,水泥搅拌桩按格栅形布置,墙宽约为0.60.8倍开挖深度,桩插入基坑底深度约0.81.2倍开挖深度 (5)水泥或石灰用量较大,以一般软土中10m深的墙体(包括插入坑底深度)为例,每100延米,墙体约需水泥或石灰500600t (6)成桩后需要710天以上的保养期,一般不能立即开挖土方 4.3 深层搅拌桩的作用机理 深层搅拌桩是加固软土地基的一种新方法，它是利用水泥、石灰等材料作固化剂通过深层搅拌机械，将软土和固化剂(浆体或粉体)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体。 深层搅拌法最适宜于各种成因的饱和软粘土，包括淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土等。加固深度从数米到50一60m，国内最大深度可达15一18m。一般认为含有高岭石、多水高岭石与蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好;含有伊里石、氯化物等粘性土以及有机质含量高、酸碱度较低的粘性土的加固效果较差。 水泥土的加固机理 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水泥在粗细填充料中进行水解和水化作用，所以凝结速度较快。在水泥加固土时，由于水泥的掺量很小(仅占加固土重的7%一巧%)，水泥的水解和水化反应完全时在具有一定活性的介质土的围绕下进行，所以硬化的速度缓慢而且作用复杂，因此水泥加固土的强度增长过程也比混凝土缓慢。 水泥土加固的基本原理是水泥与土经搅拌后发生一系列的化学反应而逐步硬化，其主要反应有: (1)水泥的水解和水化反应。普通的硅酸盐水泥主要由氧化钙、二氧化硅等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、含水铝酸钙等化合物。 (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，有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。 (3)碳酸化反应。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。 由水泥土加固土的机理可见，由于机械的切削作用，实际上不可避免地会留一些未被粉碎的大小土团，在拌人水泥后会出现水泥浆包裹土团的现象，土团之间的大孔隙会被水泥颗粒填满。所以加固后的水泥土中形成在大小土团中没有水泥，而周围水泥较多的情况。只有经过较长时间，土团内的土颗粒在水泥水解产物的渗透作用下，才逐渐改变其性质。因此，水泥土中不可避免会有强度较大和水稳定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。可以定性的讲，水泥和土之间的强制搅拌越充分，土块粉碎得越小，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越高。4.4 深层搅拌桩的影响因素4.4.1 水泥掺人比的影响 水泥掺入比是指掺加的水泥重量与被加固的软土重量的比值，表达式如下： 水泥掺入比对水泥土强度的影响如图4-2所示。从图中我们可以看出，水泥掺入比越大，水泥土的强度也越大。在实际工程应用中，水泥掺入比通常取7%至15%，一般情况下，不宜小于12%。 图4-2 水泥掺入比与强度的关系曲线4.4.2 龄期的影响 水泥土的强度随着龄期的增长而增大，一般龄期超过28d后，强度仍有明显增加，当龄期超过3个月后，水泥土的强度增长才减缓，因此选用3个月龄期的强度作为水泥土的标准强度较为合适。4.4.3 土中有机质的影响 土中有机质的含量对水泥土的强度影响如图4.4.3所示，两种土样均为某地海相沉积的淤泥质土，I土的有机质含量为1.30%,n土的有机质含量为10.01%，图中可见有机质含量较高的水泥土强度高得多。由于有机质使土具有较大的水容量和塑性，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。因此有机质含量较高的软土，单纯用水泥加固的效果较差。4.4.4 外掺剂的影响 常用的外掺剂有木质素硫酸钙、石膏、碳酸钙、氯化钙、三乙醇胺等，根据工程的需要可选用早强剂，或具有缓凝及减水等性能的外掺剂。 不同外掺剂对水泥土的强度有着不同的影响，例如木质素硫酸钙对水泥强度增长影响不大，主要起减水作用。因为水泥浆的水灰比对水泥土的强度有很大影响，由于软土中的含水量已很高，水灰比不应大于0.5一0.6，水泥浆的稠度须满足泵送要求，故水泥浆中必须掺加减水剂，例如木质素硫酸钙。一般掺量为水泥用量的0.20%，当增至0.25%时，减水效果无明显变化。第5章 深层搅拌桩支护结构设计计算5.1 概述 由于该工程的东西两面有高楼建筑物，对基坑的稳定性有较大影响，而南北两面为江河及马路，无较大的荷载，对基坑的稳定性影响较小。因此，基于基坑四周堆载的差异性，本文分别对基坑的东西面，南北面进行了深层搅拌桩支护机构设计计算。本章主要分为两部分，第一部分是东西面基坑支护结构设计计算。由于土层淤泥含量较高，周围又有高楼建筑物，堆载较大，单独采用深层搅拌桩时无法满足其抗拉稳定性及抗滑稳定性，因此采用深层搅拌桩与锚杆组合支护结构。第二部分是南北面基坑支护结构设计计算。该基坑两侧分别为马路及河流，因此仅采用深层搅拌桩支护就可满足工程各项要求。本章节对深层搅拌桩支护机构的设计主要包括深层搅拌桩的直径、桩排数、桩的型式、锚杆长度、数量、锚固长度、锚杆的布置方式等方面。通过对不同嵌固深度对基坑稳定性影响的验算，并绘制关系曲线，从而确定最优嵌固深度。并对该设计方案进行了地面沉降计算、结构计算、锚杆计算、截面承载力验算、抗倾覆验算、抗滑移验算、整体稳定验算、抗隆起验算及抗管涌验算等方面。5.2 东西面基坑支护结构设计计算5.2.1 支护方案设计及基本信息5.2.1.1 支护方案设计该侧基坑采用深层搅拌桩与锚杆相结合的方式进行支护，以提高深层搅拌桩的抗滑稳定性。深层搅拌桩采用500mm的桩，进行格栅式布置，单桩之间搭接150mm，外侧设四排桩，内侧设三排桩，水泥墙总厚为4000mm，平面结构图如下图5-1所示。基坑开挖深度为6.7m，基坑内侧降水位为7m，外侧水位为2.4m，搅拌桩嵌固深度为6.3m，总长13.0m。在基坑2.5m、4.3m、6.1m处设有三道锚杆，具体施工时，当基坑开挖深度为3m、4.8m、6.6m时，逐级打入这三道锚杆，具体支护方案设计图如图5-2所示。 图5-1 搅拌桩平面结构图 图5-2 支护方案设计图5.2.1.2 方案设计信息根据基坑支护规范，该工程的基坑等级为二级，基坑侧壁重要性系数为1.00，基坑开挖深度为6.7m，嵌固深度采用6.3m，采用深层搅拌桩格栅式支护，没有放坡，距离基坑侧壁6m处有一高20层的高楼，荷载为110KN/m，作用宽度为145m（见表5-3和表5-4），土层信息及参数见表5-5和表5-6。东西两侧设有三道锚杆，第一道为2.5m处，角度为15，锚杆长21m，锚固段长11m。第二道为4.3m处，角度为15，锚杆长21m，锚固段长11m。第三道为6.1m处，角度为30，锚杆长21m，锚固段长11m。详见表5-7。深层搅拌桩采用格栅式布置，截面如图5-8所示，水泥土墙具体参数见表5-9，工况信息见表5-10。表5-3 基本信息内力计算方法增量法规范与规程建筑基坑支护技术规程 JGJ 120-99基坑等级二级基坑侧壁重要性系数01.00基坑深度H(m)6.700嵌固深度(m)6.3墙顶标高(m)0.000截面类型及参数格栅墙.放坡级数 0超载个数 1表5-4 超载信息超载类型超载值作用深度作用宽度距坑边距形式长度序号 (kPa,kN/m)(m)(m)(m) (m)1110.0000.000145.0006.000表5-5 土层信息土层数 7坑内加固土 否内侧降水最终深度(m)7.000外侧水位深度(m)2.400内侧水位是否随开挖过程变化否内侧水位距开挖面距离(m)弹性计算方法按土层指定弹性法计算方法m法表5-6 土层参数层号土类名称层厚重度浮重度粘聚力内摩擦角 (m)(kN/m3)(kN/m3)(kPa)(度)1杂填土1.2020.014.0014.002粘性土1.5019.17.026.2018.563淤泥质土0.3017.010.010.0013.004淤泥4.5015.610.07.3010.055中砂1.3018.58.06淤泥3.6015.98.07粘性土5.0019.38.0层号与锚固体摩粘聚力内摩擦角水土计算方法m,c,K值抗剪强度 擦阻力(kPa)水下(kPa)水下(度) (kPa)140.0m法3.92240.026.2018.56合算m法4.20340.010.0013.00合算m法3.92440.07.3010.05合算m法12.125120.010.0030.00合算m法10.006120.08.009.01合算m法10.007120.023.4019.96合算m法10.005-7 支锚信息支锚道数3支锚支锚类型水平间距竖向间距入射角总长锚固段道号 (m)(m)()(m)长度(m)1锚杆1.0002.50015.0021.0011.002锚杆1.0001.80015.0021.0011.003锚杆1.0001.80030.0021.0011.005-7 支锚信息（续）支锚道号预加力(kN)支锚刚度(MN/m)锚固体直径(mm)工况号锚固力调整系数材料抗力(kN)材料抗力调整系数10.0030.0015021.00246.301.0020.0030.0015041.0080.421.0030.0030.0015061.0080.421.00 图5-8 水泥土墙截面示意图表5-9 水泥土墙参数信息水泥土墙厚度b(m)4.000水泥土弹性模量E(104MPa)0.355水泥土抗压强度P(MPa)2.750水泥土抗拉/抗压强度比0.200水泥土墙平均重度(kN/m3)19.000水泥土墙底摩擦系数0.250肋墙净距S(m)1.600基坑侧墙厚t1(m)1.200挡土侧墙厚t2(m)1.550肋墙厚t(m)0.850表5-10 工况信息工况号工况类型深度(m)支锚道号1开挖3.0002加撑1.锚杆3开挖4.8004加撑2.锚杆5开挖6.6006加撑3.锚杆7开挖6.7005.2.2 支护方案的理论分析及计算5.2.2.1 嵌固深度计算及最优值的确定嵌固深度计算参数的选取见表5-11。 表5-11 嵌固深度计算参数抗渗嵌固系数1.200整体稳定分项系数1.300圆弧滑动简单条分法嵌固系数1.100嵌固深度考虑支撑作用嵌固深度计算过程： 按建筑基坑支护技术规程 JGJ 120-99圆弧滑动简单条分法计算嵌固深度： 圆心(2.426，10.698)，半径=18