深层搅拌桩法

11水泥土搅拌法,11.1概述,一、水泥土搅拌法的概念及适用范围,水泥土搅拌法（深层搅拌法）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（浆液或粉体）强制搅拌，使软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。,水泥土搅拌法分为深层搅拌法（简称湿法）和粉体喷搅法（简称干法）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。,该法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂上等地基。当地基土的天然含水量小于30%、大于70%或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数Ip大于25的粘土、地下水具有腐蚀性时以及无工程经验的地区，通过现场试验确定其适用性。石灰固化剂适用于粘土颗粒含量大于20%，粉粒及粘粒含量之和大于35%，粘土的塑性指数大于10，液性指数大于0.7，土的pH值为48，有机质含量小于11%，土的天然含水量大于30%的偏酸性的土质加固。水泥土加固体的形状可分为柱状、壁状、格栅状或块状等。水泥土加固体可以与加固体之间的土体共同构成具有较高竖向承载力的复合地基，也可以用于基坑工程围护挡墙、被动区加固、防渗帷幕。,二、水泥土搅拌法的工程应用与发展,水泥浆搅拌法最早是美国在第二次世界大战后研制成功的，当时称之为就地搅拌法（Mixed-in-PlasePile，简称MIP法）。,1953年，日本清水建设株式会社从美国引进此法；1974年，日本港湾技术研究所等单位合作开发研制成功了水泥搅拌固化法（简称CMC法），用于加固钢铁厂矿石堆场地基，加固深度达32m。日本各大施工企业研制开发出了各种类型的深层搅拌机械，例如DCM法、DMIC法、DCCM法，等等。这些机械一般具有28个搅拌轴及一组注浆管路，每个搅拌叶片的直径可达1.25m，一次加固的最大面积达9.5m2。,国内1977年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进行室内试验和研制工作，并于1978年底制造出国内第一台SJB-1双搅拌轴中心管输浆的搅拌机械。,2002年，上海探矿机械厂为配合地下基坑支挡墙SMW工作法而开发研制了ZKD65-3型和ZKD85-3型深层三轴搅拌机械。,ZKD85-3型深层三轴搅拌机械（成孔直径850mm，钻孔深27m）1.动力头2.中间支承3.注浆管电线4.钻杆5.下部支承6.电气柜7.操作盘8.斜撑9.钻机用钢丝绳10.立柱,瑞典LindenAlimat公司1971年制成第一根用石灰粉和软土搅拌成的桩，1974年获得粉喷技术专利，其桩径500mm，加固深度15m。日本于1967年由运输部港湾技术研究所开始研制石灰搅拌施工机械，1974年开始在软土地基加固工程中应用，研制出使用颗粒状生石灰的深层石灰搅拌法（DLM法）；使用生石灰粉末粉体喷射搅拌法（DJM法）。,铁道部第四勘测设计院于1983年用DPP-100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。1986年开始使用水泥作为固化剂，应用于房屋建筑的软土地基加固。1987年铁四院和上海探矿机械厂制成GPP-5型步履式粉喷机，成桩直径500mm，加固深度12.5m。国内粉喷机成桩直径在500700mm，深度可达15m。,三、水泥土搅拌法特点,水泥土搅拌法是将固化剂和原地基软土就地搅拌混合的，可最大限度地利用了原土。搅拌时无振动、无噪音、无污染，可在密集建筑群中进行施工，搅拌时不会使地基侧出挤出，对周围原有建筑物及地下沟管影响很小。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。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。,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。与钢筋混凝土桩基相比，可节约钢材并降低造价。单轴水泥土搅拌桩桩径一般在0.50.6m。SJB-1型双轴深层搅拌机加固桩的外形呈“”形，桩径0.70.8m，加固深度一般为15m以内。SJB-2型双轴深层搅拌机加固深度可达18m左右。国外除用于陆地软土地基外，还用于海底软土加固，最大桩径1.5m以上，加固深度达60m。,11.2加固机理,一、水泥土的固化原理,1）固化剂的种类,水泥类、石灰类、沥青类及化学材料类等。水泥类和石灰材料应用广泛。,2）水泥加固软土的作用机理,（1）离于交换和团粒化作用（2）硬凝反应（3）碳酸化作用,3）石灰加固软土的作用机理,（1）石灰的吸水、发热、膨胀作用,（2）离于交换作用与土微粒的凝聚作用,（3）化学结合作用（固结反应）,二、水泥加固土的室内试验,1）水泥土的室内配合比试验,（1）实验目的：了解水泥品种、掺入量、水灰比、最佳外掺剂对水泥强度影响，求得龄期与强度关系，为设计计算和施工工艺提供参数。（2）试验设备：现有土工试验仪器及砂浆混凝土试验仪器，按土工或砂浆混凝土的试验规程进行。（3）土样制备：土样应是工程现场所要加固的土，一般分三种：风干土样烘干土样原状土样（4）固化剂：不同品种、不同标号水泥。水泥出厂日期3个月。（5）水泥掺入比：7%、10%、12%、14%、15%、18%、20%、等。,目前水泥掺量一般为180250kg/m3。常用的掺入比为7%20%。,（6）外掺剂为改善水泥土的性能和提高强度，加快水泥土的凝结或防腐，可用木质碳酸钙、石膏、三乙醇胺、氯化钠、氯化钙和硫酸钠等外掺剂，还可掺入不同比例的粉煤灰。（7）试件的制作和养护在试模（70.7mmx70.7mmx70.7mm）内装入一半试料，放在振动台上振动1min后。装入其余的试样再振动1min。将试件表面刮平，盖上塑料布防止水分蒸发过快。拆模时间12d。为了保证其湿度，拆模后的试件装入塑料袋内，封闭后置于水中，进行标准水中养护。,2）试验结果的整理和分析,含水量：水泥土含水量略低于原土样含水量，减少0.5%7.0%，且随着水泥掺入比的增加而减小。重度：水泥土重度仅比天然软土重度增加0.5%3.0%。相对密度：水泥相对密度3.1，比土相对密度2.652.75要大，故水泥土的相对密度比天然土稍大，约增加0.7%2.5%。渗透系数：水泥土渗透系数随水泥掺入比增大和龄期增长而减小，一般10-510-8cm/s。,（1）水泥土的物理性质,（2）水泥土的力学性质,水泥土的无侧限抗压强度3004000kPa，介于脆性体与弹性体之间。当达到极限强度70%80%时，-不再继续保持直线关系。当外力达到极限强度时，强度大于2000kPa水泥土出现脆性破坏；强度小于2000kPa水泥土则表现为塑性破坏。,a）水泥土的应力-应变关系b）水泥掺入比与强度关系,影响水泥土抗压强度的因素主要有：,水泥掺入比；龄期；水泥标号；土样含水量；土样有机质含量；外掺剂；养护方法；,为了降低造价，对承重搅拌桩试块国内外都取90d龄期为标准龄期；对起支挡作用承受水平荷载的搅拌桩，水泥土强度标准取28d为标准龄期。,抗拉强度,抗剪强度,变形模量,当垂直应力达到50%无侧限抗压强度时，水泥土的应力与应变的比值，称之为水泥土的变形模量E50,水泥土破坏时的轴向应变：,呈脆性破坏。,水泥土的压缩系数和压缩模量,水泥土的压缩系数为：,压缩模量：,水泥土的渗透系数,水泥掺入比715时，水泥土的渗透系数可达到108cm/s。,（3）水泥土抗冻性能自然冰冻不会造成水泥土深部结构的破坏。只要地温不低于-100C，就可进行水泥土搅拌法的冬季施工。,三、水泥加固土的现场试验,1）试验目的根据水泥土室内配比试验最佳配方，进行现场成桩工艺试验。在相同的水泥掺入比条件下，求出室内石块与现场桩身强度关系。比较不同桩长于不同桩身强度的单桩承载力。确定桩土共同作用的复合地基承载力。2）试验方法在桩身不同部位切取试件，作室内、外试块强度之间关系的比较试验，或进行单轴抗压强度试验，确定桩体力学性能。单桩承载力试验和桩土复合地基承载力试验。3）试验结果正常情况下：,单桩和复合地基承载力设计值取s/b（或s/d）=0.01所对应的荷载。桩的极限承载力与承载力的匹配是保证加固质量的关键。,一水泥土搅拌桩的设计（1）设计步骤软土地区的建筑物地基，通常是在满足强度要求的条件下以沉降控制进行设计的，设计步骤如下：1）根据地层结构采用适当的方法进行沉降计算，由建筑物对变形的要求确定加固深度，即选择施工桩长。2）根据土质条件、固化剂掺量、室内配比试验资料和现场工程经验选择桩身强度和水泥掺入量及有关施工参数。3）根据桩身强度的大小及桩的断面尺寸，计算单桩承载力。4）根据单桩承载力、有效桩长和上部结构要求达到的复合地基承载力，计算桩土面积置换率。5）根据桩土面积置换率和基础形式进行布桩，桩可在基础平面范围内布置。6）根据桩在基础平面范围内的布置，进行承载力和沉降计算。,11.3设计计算,（2）对地质勘察的要求除了一般常规要求外，对下述各点应予以特别重视：1）土质分析有机质含量、可溶盐含量、总烧失量等。2）水质分析地下水的酸碱度（pH）值、硫酸盐含量。（3）布桩形式的选择搅拌桩可布置成柱状、壁状和块状三种形式。（4）布桩范围的确定搅拌桩按其强度和刚度可以确定它是介于刚性桩和柔性桩间的一种桩型，但其承载性能又与刚性桩相近。因此在设计搅拌桩时，可仅在上部结构基础范围内布桩，不必像柔性桩一样在基础以外设置保护桩。,二、水泥土搅拌桩复合地基的设计计算,1）固化剂及掺入比确定,除块状加固时可用被加固湿土质量7%12%外，其余宜为12%20%。湿法水泥浆水灰比可选用0.450.55。根据工程需要用早强、缓凝、减水以及节省水泥等作用的材料。,2）单桩竖向承载力特征值的计算,水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定。,3）竖向水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值的计算,应通过现场单桩或多桩复合地基荷载试验确定。也可按公式估算：,4）褥垫层设计,褥垫层厚度200300mm。可选用中砂、粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于20mm。,5）竖向承载搅拌桩的平面布置,采用柱状、壁状、格栅状或块状等加固型式。桩可只在基础平面范围内布置，独立基础下的桩数不宜少于3根。,（1）柱桩每隔一定距离打设一根水泥土桩，形成柱桩加固形式，适用于单层工业厂房独立柱基础和多层房屋条形基础下的地基加固，它可充分发挥桩身强度与桩周侧阻力。柱状加固可采用正方形、等边三角形等布桩形式。（2）壁状将相邻桩体部分重叠搭接成为壁状加固形式，适用于深基坑开挖时的边坡加固以及建筑物长高比大、刚度小、对不均匀沉降比较敏感的多层房屋条形基础下的地基加固。,（3）格栅桩它是纵横两个方向的相邻桩体搭接而形成的加固形式。适用于上部结构单位面积荷载大和对不均匀沉降要求控制严格的建（构）筑物的地基加固。（4）长短桩相结合当地质条件复杂，同一建筑物坐落在两类不同性质的地基土上时，可用3m左右的短桩将相邻长桩连成壁状或格栅状，一调整和减少不均匀沉降量。,6）复合地基变形计算,包括复合土层的平均压缩变形s1与桩端下未加固土层的压缩变形s2。群桩体的压缩变形量s1在1050mm间变化。,（1）搅拌桩复合土层的压缩变形s1可按下式计算,（2）桩端以下未加固土层压缩变形s2可按建筑地基基础设计规范有关规定计算。,对于一般建筑物，都是在满足强度要求的条件下以沉降进行控制的，应采用以下沉降控制设计思路：,根据地层结构进行地基变形计算，由建筑物对变形的要求确定加固深度，即选择施工桩长。根据土质条件、固化剂掺量、室内配比试验资料和现场工程经验，选择桩身强度和水泥掺入量及有关施工参数。根据桩身强度的大小及桩的断面尺寸计算单桩承载力。根据单桩承载力和上部结构要求达到的复合地基承载力，计算桩土面积置换率。根据桩土面积置换率和基础形式进行布桩。为提高抗滑稳定性而设置的搅拌桩，其桩长应超过危险滑弧以下2m。,二、水泥土搅拌桩挡墙的设计计算,1）水泥墙结构形式,常见的水泥墙结构形式有壁式、格珊式、组合拱式等，其中格珊式最常用。采用格栅形布桩优点：限制了格栅中软土的变形，也就大大减少了其竖向沉降；增加支护的整体刚度，保证复合地基在横向力作用下共同工作。,a）二道墙格珊b）三道墙格珊水泥土搅拌桩形成格栅形作侧向支护,2）水泥土重力式挡土墙计算,对于水泥土重力式挡土墙支护形式，可按重力式挡土墙进行抗滑、抗倾覆、抗渗、抗隆起和整体滑动计算。,水泥土搅拌桩侧向支护计算图式,（1）土压力计算,墙后主动土压力：,墙前被动土压力：,（2）抗倾覆计算,按重力式挡墙绕前趾A点的抗倾覆安全系数：,（3）抗滑移计算,（4）整体稳定计算（圆弧滑动法）,最危险滑弧在墙底下0.51.0m位置，当墙底下面的土层很差时，危险滑弧的位置还会深一点，当墙体无侧限抗压强度不低于1MPa时，不必计算切墙体滑弧的安全系数。,（5）抗渗计算,（6）抗隆起计算,基坑隆起是指使墙后土体及基底土体向基坑内移动，促使底面向上鼓起，出现塑性流动和涌土现象。基坑隆起原因：基坑内外土面和地下水位的高差；坑外地面的超载；基坑卸载引起的回弹；基坑底承压水头；墙体的变形。,抗基坑隆起计算示意图,3）构造要求,当截水作用时，桩的有效搭接宽度不宜小于150mm；当不考虑截水作用时，搭接宽度不宜小于100mm。不能满足要求时，宜采用基坑内侧土体加固或水泥土墙插筋、加混凝土面板及加大嵌固深度等措施。,11.4施工技术,一、浆体搅拌法,1）设备组成,国产水泥土搅拌机的搅拌头大都采用双层（或多层）十字杆形或叶片螺旋形。常用搅拌机有SJB-1型、SJB-2型、GZB-600型、ZKD65-3型、ZKD85-3型等。其配套机械主要有灰浆拌拌机、集料斗、灰浆泵、压力胶管、.电气控制柜等。,2）施工工艺流程,水泥土搅拌桩法施工工艺流程,对桩顶1.01.5m范围内增加一次搅浆，以提高其强度。,（1）定位（2）预搅下沉（3）制备水泥浆（4）提升喷浆搅拌：搅拌下沉到达设计深度后，开启灰浆泵将水泥浆液泵入压浆管路中，边提搅拌头边回转搅拌制桩。（5）重复上、下搅拌（6）清洗（7）移位，进行下一根桩的施工。,3）施工操作要点,每遍搅拌次数N：,施工中喷浆提升速度：,二、粉体搅拌法,1）设备组成,GPF-5型钻机（或GPP-5型）、SP-3型粉体发送器（或YP-1型）、空气压缩机、搅拌钻头等。SP-3型粉体发送器（现改名为YP-1型）是一种定时定量发送粉体材料的设备。搅拌钻头直径一般为500700mm，钻头形式应保证在反向旋转提升时，对加固土体有压密作用。,粉体发送器的工作原理1.节流阀2.流量计3.气水分离器4.安全阀5.管道压力表6.灰罐压力表7.发送器转鼓8.灰罐,2）施工工序,放样定位。移动钻机，准确对孔，对孔误差不大于50mm。利用支腿油缸调平钻机，钻机主轴垂直度误差应不大于1%。启动主电动机，按施工要求，以I、II、III挡逐渐加速顺序，正转预搅下沉。钻至接近设计深度时，采用低速慢钻。从预搅下沉直到喷粉为止，应在钻杆内连续输送压缩空气。使用粉体材料，除水泥以外，还有石灰、石膏及矿渣等，也可使用粉煤灰作为掺加料。,提升喷粉搅拌。在确定加固已喷至孔底时，按0.5m/min的速度反转提升。当提升到设计停灰标高后，应慢速原地搅12min。喷粉压力一般控制在0.250.4MPa之间，灰罐内气压比管道内的气压高0.020.05MPa。若在地基土天然含水量小于30%土层中喷粉成桩时，应采用地面注水搅拌工艺。重复搅拌。为保证粉体搅拌均匀，须再次将搅拌下沉到设计深度。提升搅拌时，其速度控制在0.50.8m/min左右。为防止空气污染，在提升喷粉距地面0.5m处应减压或停止喷粉。提升喷灰过程中，须有自动计量装置。该装置为控制和检验喷粉桩的关键。钻具提升至地面后，钻机移位对孔，按上述步骤进行下根桩施工。要求搭接的桩体，须连续施工，相邻桩的施工间隔时间不超过8h。,11.5质量检验,一、施工质量检验,检查重点：水泥用量、桩长、搅拌头转数和提升速度、复搅次数和复搅深度、停浆处理方法等。1桩位。通常定位偏差不应超出50mm。施工前在桩中心插桩位标，施工后将桩位标复原，以便验收；2桩顶、桩底高程，均不应低于设计值。桩底一般应超深100200mm，桩顶应超过0.5m；3桩身垂直度。每根桩施工时均应用水准尺或其他方法检查导向架和搅拌轴的垂直度，间接测定桩身垂直度。通常垂直度误差不应超过1。当设计对垂直度有严格要求时，应按设计标准检验；,4桩身水泥掺量。按设计要求检查每根桩的水泥用量。通常考虑到按整包水泥计量的方便，允许每根桩的水泥用量在25kg（半包水泥）范围内调整；5水泥标号、水泥品种按设计要求选用。对无质保书或有质保书的小水泥厂的产品，应先做试块强度试验，试验合格后方可使用。对有质保书（非乡办企业）的水泥产品，可在搅拌施工，进行抽查试验；6搅拌头上提喷浆的速度。一般均在上提时喷浆，提升速度不超过0.5m/min。通常采用二次喷浆。当第二次喷浆时不允许搅拌头未到桩顶而浆液已拌完的现象。有剩余时可在桩身上部作再次喷浆；,7浆液水灰比，通常为0.40.5范围内，不宜超过0.5。浆液拌合时应按水灰比定量加水；8水泥浆液搅拌均匀性。应注意贮浆桶内浆液的均匀性和连续性，喷浆搅拌时不允许出现输浆管道堵塞或爆裂的现象；9对基坑开挖工程中的侧向围护桩，相邻桩体耀搭接施工，施工应连接，其施工间歇时间不宜超过810h。,二、竣工质量检验,水泥土搅拌桩成桩质量检验方法有浅部开挖、轻型动力触探、载荷试验和钻芯取样等。1）浅部开挖成桩7d后，采用浅部开挖桩头（深度宜超过停浆（灰）面下0.5m），目测检查搅拌的均匀性，量测成桩直径。检查量为总桩数的5%。对相邻桩搭接要求严格的工程，应在成桩15d后，选取数根桩进行开挖，检查搭接情况。,2）轻型动力触探成桩后3d内，可用轻型动力触探（N10）检查每米桩身的均匀性。检验数量为施工总桩数的1%，且不少于3根。3）标准贯入试验用锤击数估算桩体强度需积累足够工程资料，Terzghi和Peck经验公式：,4）静力触探试验,静力触探可连续检查桩体强度内强度变化，估算桩体无侧限抗压强度值：,5）荷载试验宜在龄期28d后进行。检验数量为桩总数的0.5%1%，不少于3点。6）钻芯取样经触探和载荷试验检验后对桩身质量有怀疑时，应在成桩28d后，用双管单动取样器钻取芯样作抗压强度检验，检验数量为施工总桩数0.5%（且3根）。钻孔直径不宜小于108mm。,11.6工程应用实例,【例1】广州市某粮食仓库工程,1）工程概况该仓库长30m，宽16m，单层承重墙结构，拱形屋面。条基宽1.5m，埋深0.9m。设计要求基础下地基承载力达到100kPa，而地坪下的地基承载力要求达到40kPa。拟建场地表层为1.5厚的杂填土，其下即为厚度30m、含水量高达70%、地基承载力仅为30kPa、压缩模量为1.45MPa的淤泥层。经多种地基加固方案的比较，决定采用粉体喷射法加固淤泥土层。2）工程设计软土地基的加固深度选为9m。计算桩长为：,已满足地坪设计要求。,3）工程施工,采用GPP-5型机械。对条形基础部分的处理，固化剂采用32.5级普通硅酸盐水泥，掺入比取18%，即每延米桩长喷水泥粉60kg；为降低原淤泥层的含水量，提高条形基础部分的地基承载力，施工中又采取间隔一定距离增加了50根石灰粉体搅拌桩。地坪处理部分采用石灰粉体搅拌法，掺入比为15%，即每延米桩长喷入石灰粉50kg。运低工地的石灰为生石灰块料，在现场加工粉碎后立即使用，石灰粉的CaO含量高达90%。对上部杂填土地层钻进速度为0.45m/min，对淤泥层则为1.47m/min。成孔最大风压0.2MPa，最大风量100m3/h。喷粉成桩时用0.45m/min提升速度，最大压缩空气压力0.3MPa，风量5070m3/h。施工工艺：切土钻进提升喷粉搅拌重复钻进搅拌提升搅拌。本工程共施工水泥粉喷搅拌桩137根，总桩长计1233m；施工石灰粉搅拌桩163根，总桩长计1467m。总工期15d，工程费用为10万元。,4）工程质量检验经现场桩头开挖、桩体标准贯入试验、单桩载荷试验、复合地基载荷试验和钻芯取样室内测试分析，检验结果均符合设计要求。,【例2】南京南湖新村某小区住宅建设工程,1）工程概况该小区占地面积为0.64km2，拟建200余幢多层住宅，建筑面积55万m2。场地位于长江及秦淮河的漫滩地带，宅楼主要有7层点式和6层条式，于1984年8月至1985年4月采用深层搅拌桩对其中18幢住宅楼软土地基进行加固，共打设搅拌桩2861根，共计27657.6延米。在正