8 第10章深层搅拌法.ppt

1,2,深层搅拌法适用于加固软弱地基，它所形成的固结体可提高软土地基的承载力，减少沉降量，还可用来提高边坡的稳定性，一般应用于以下方面：（1）作为建筑物或构筑物的地基；（2）进行大面积地基加固、防止码头岸壁的滑动，深基坑开挖挡土，抗隆起；（3）加固道路、桥涵；（4）作为地下防渗墙，阻止地下水渗透。其主要特点如下：（1）基本不存在挤土效应，对周围地基的扰动小；（2）可根据不同的土质和工程设计的要求，合理选择固化剂及配方，应用较灵活；（3）施工无振动，无噪声，污染小，可在市区和建筑物密集地带施工；（4）土体经加固后，重度基本不变，软弱下卧层不致产生较大附加沉降；（5）结构型式灵活多样，可根据工程需要，选用块状、柱状、壁状、格栅状等。,3,10.2水泥土深层搅拌法一、适用条件、用途及规定水泥土搅拌法分为深层搅拌法（以下简称湿法）和粉体喷搅法（以下简称干法）。1、适用条件：水泥土搅拌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土等地基。当地基土的天然含水量小于30%（黄土含水量小于25%）、大于70%或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。冬期施工时，应注意负温对处理效果的影响。,4,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，必须通过现场试验确定其适用性。2、用途或功能：水泥土搅拌法形成的水泥土加固体，可作为竖向承载的复合地基；基坑工程围护挡墙、被动区加固、防渗帷幕；大体积水泥稳定土等。加固体形状可分为柱状、壁状、格栅状或块状等。,5,3、规定,（1）确定处理方案前应搜集拟处理区域内详尽的岩土工程资料。尤其是填土层的厚度和组成；软土层的分布范围、分层情况；地下水位及pH值；土的含水量、塑性指数和有机质含量等。（2）设计前应进行拟处理土的室内配比试验。针对现场拟处理的最弱层软土的性质，选择合适的固化剂、外掺剂及其掺量，为设计提供各种龄期、各种配比的强度参数。对竖向承载的水泥土强度宜取90d龄期试块的立方体抗压强度平均值；对承受水平荷载的水泥土强度宜取28d龄期试块的立方体抗压强度平均值。,6,(3)竖向承载搅拌桩复合地基应在基础和桩之间设置褥垫层。褥垫层厚度可取200300mm。其材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于20mm。(4)竖向承载搅拌桩复合地基中的桩长超过10m时，可采用变掺量设计。在全桩水泥总掺量不变的前提下，桩身上部三分之一桩长范围内可适当增加水泥掺量及搅拌次数；桩身下部三分之一桩长范围内可适当减少水泥掺量；,7,(5)竖向承载搅拌桩的平面布置可根据上部结构特点及对地基承载力和变形的要求，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。柱状加固可采用正方形、等边三角形等布桩型式。(6)当搅拌桩处理范围以下存在软弱下卧层时，应按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB50007的有关规定进行下卧层承载力验算。,8,二、加固机理水泥与土拌和后要产生一系列的物理化学反应。这些物理化学反应与混凝土的硬化机理不同，混凝土的硬化主要是粗填充料中进行水解和水化作用，凝结速度较快；而在水泥土中，水泥掺量少，且水泥的水解和水化反应是在土中进行的，所以硬化速度缓慢而且复杂，加固土的强度增长也较缓慢。目前一般以为，水泥加固软土主要产生下列反应。,9,（一）水泥的水解和水化反应普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫组成，由这些不同的矿物分别组成了不同的水泥矿物：硅酸二钙、硅酸三钙、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。,10,（二）粘土颗粒与水泥水化物的作用粘土颗粒表面带负电荷，要吸咐阳离子，形成胶体分散体系，表现出胶体的特征。粘土中的二氧化硅遇水后形成硅酸胶体微粒，其表面带有钾离子或钠离子与水泥水化生成的氢氧化钙中的Ca2+进行当量离子交换，使土颗粒分散度降低，产生聚结，形成较大的团粒，提高了土体强度。水泥水化后生成的凝胶粒子的比表面积比水泥颗粒的比表面积约1000倍，具有很大的表面能，吸附性很强，能使团粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，进一步提高水泥土的强度。,11,2、硬凝反应随着水泥水化反应的进行，溶液中析出大量的钙离子Ca2+，当Ca2+的数量超过离子交换的需要量后，在碱性环境中，组成粘土矿物的二氧化硅与三氧化铝的一部分或大部分与Ca2+产生化学反应，并逐渐生成不溶于水的稳定的铝酸钙、硅酸钙及钙黄长石的结晶水化物。这些化合物在水中和空气中逐渐硬化，提高了水泥强度，且其结构比较致密，水分不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。（三）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：Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O这种反应也能增加水泥土的强度，但增长较慢，幅度也较小。,12,13,（2）重度掺入软土中的水泥浆重度与软土重度相近，所以水泥土的重度与天然软土的重度相差不大，见表10.2-1。当aw=25%时，重度仅增加4.5%，所以采用水泥搅拌法加固厚层软土地基时，加固部分对下卧层下致产生过大的附加荷载，也不会产生较大的附加沉降。（3）相对密度水泥土的渗透系数与水泥掺入比和龄期有关。水泥掺入比越大，龄期越大，渗透系数越小，一般可达10-510-8cm/s。2、水泥土的力学性能（1）水泥土的破坏特性：由三轴不排水剪切试验表明，水泥土的破坏不仅与水泥土掺入比aw有关，而且与水泥土围压有关，见图10.22-1和图10.2-2。,14,15,16,17,（2）无侧限抗压强度及其影响因素：水泥土的无侧限抗压强度一般在0.34MPa之间。由图可见,无侧限抗压强度较高的水泥土（大于1.52.0MPa）表现为脆性破坏,而对无侧限抗压强度较低的水泥土则表现为塑性破坏。影响水泥土无侧限抗压强度的因素很多，主要有：水泥掺入比：水泥掺入比是指掺入土中的水泥质量与被加固软土的湿质量的比值的百分数。水泥土的强度随掺入比的增加呈增大的趋势，见图10.2-4。掺入比应根据土质情况和设计要求来选择，当aw20%），含水量与无侧限抗压强度曲线存在一个峰值，见图10.2-6。水泥土中的有机质含量：天然土中有机质对水泥的水化反应起阻碍作用，影响水泥土的固化，降低水泥土强度。有机质含量越多，阻碍作用越大，水泥土强度降低越多，见图10.2-7。,23,24,25,外掺剂：外掺剂对水泥土强度有不同的影响,如木质素磺酸钙主要起减水作用,石膏、三乙醇胺对水泥土强度起增强作用,而增强的效果因土样和掺入比不同而有所差别。一般早强剂选用三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠或水玻璃等,掺入量分别取水泥质量的0.05%、0.2%、0.5%、2%；减水剂可选用木质素磺酸钙,一般掺入量宜取水泥质量的0.2%,石膏兼有缓和早强双重作用,加入少量石膏,有利于提高强度,减少水泥用量。当石膏掺量为3%时,养护28d的强度与不掺石膏相比可大幅度提高,见表10.2-3。在水泥中掺入适量粉煤灰，也可使水泥土强度有所增强，见表10.2-4。,26,27,28,29,（3）抗拉强度t：水泥土的抗拉强度随无侧限抗压强度的增加而提高，当水泥土的抗压强度fcu=5004000kPa时，抗拉强度t=(0.150.25)fcu。（4）抗剪强度：水泥土的无侧限抗压强度越高，其抗剪强度也相应提高。当fcu=5004000kPa时，粘聚力c约为(0.20.3)fcu，内摩擦角在200300之间变化。（5）变形模量，压缩系数和压缩模量：水泥土的变形模量为垂直应力达到50%无侧限抗压强度时，水泥土的应力与应变比值，用E50表示。当fcu=3004000kPa时，E50=40600MPa，一般约为(120150)fcu，见表10.2-5。,30,31,3、水泥土抗冻性能；当自然温度不低于-150C时，冰冻对水泥土结构的损害很微小。在负温条件下，水泥与粘土间的反应减弱，水泥土的强度增长缓慢，但正温后强度可继续增长且接近标准值。因此，只要地温不低于-100C，就可进行深层搅拌法冬季施工。,32,四、水泥土搅拌法地基加固设计（一）设计前应取得的资料（1）工程地质资料：查明填土层的厚度和组成，软土层的分布范围和厚度以及各土层的物理、力学性能。（2）土质分析资料：了解土的主要成分及有机质含量，判断水泥加固地基土的效果。（3）水质资料：对拟加固场地地下水的pH值，硫酸盐含量，侵蚀性二氧化碳等进行分析，以判断对水泥的侵蚀性。,33,（二）水泥土的室内配比试验在设计前必须进行室内配比试验，根据现场地基土的性质，选择合适的固化剂及外掺剂制备水泥土，进行强度试验，为设计提供必要的参数。1、试验目的了解水泥掺入量、水灰比、水泥的品种及外掺剂量对水泥土强度的影响，为设计计算及施工工艺控制提供可靠的参数。2、土样制备在拟加固现场的不同区域采集土样，土样一般有二种：1）原状土样：把在现场钻取或挖取的原状土密封在双层塑料袋内，并在24小时内制成试块。2）风干土样：将现场采取的土样进行风干，碾碎并通过25mm的筛子，所形成的粉状土料。,34,3、固化剂：固化剂宜选用强度等级为325级及以上的普通硅酸盐水泥。水泥掺量除块状加固时可用被加固湿土质量的7%12%外，其余宜为12%20%。湿法的水泥浆水灰比可选用045055。4、外掺剂：外掺剂可根据工程需要和土质条件选用具有早强、缓凝、减水以及节省水泥等作用的材料，但应避免污染环境。5、试验设备及规程土工、混凝土、砂浆,35,6、试件的制作和养护由配方分别称量土、水泥、外掺剂和水。将土和水泥搅拌和均匀，在试模内制成70.7mm70.7mm70.7mm或50mm50mm50mm的试块。试样成型后，根据水泥土强度决定拆模时间，一般为12d。拆模后，将试样装入塑料袋内，封闭后置入水中，进行标准水中养护。,36,（三）水泥土搅拌桩的现场试验1试验目的（1）根据室内配比结果求得的最佳配方进行现场试验；（2）在相同的水泥掺入比情况下，由现场试验得到的结果，推出室内试块与现场桩身强度之间的关系；（3）确定施工工艺参数，如泵送时间，搅拌机提升速度，复搅次数，深度等。对喷液施工，还要确定水泥浆的水灰比；（4）比较不同桩长与不同桩身强度时的单桩承载力；（5）确定水泥土搅拌桩复合地基承载力。,37,2、试验方法（1）在桩身不同部位采取现场试样，在试验室内分割成与室内试块同样尺寸的试样。在相同龄期时，比较室内外试样强度之间的关系；（2）进行单桩与复合地基承载力试验；（3）进行复合地基承载力试验时，可在载荷板下埋设土压力盒，以了解复合地基的反力分布及桩土应力分配情况。,38,3、试验结果（1）正常情况下，现场水泥土强度与室内水泥土试块强度的关系为：fcuf（0.20.5）fcuk(10.2-8)式中：fcuf现场水泥土无侧限抗压强度；fcuk室内水泥土无侧限抗压强度。（2）单桩和复合地基承载力设计值可根据载荷试验取P-S曲线中S/B或S/D=0.0040.01所对应的荷载（b压板宽度；d压板直径；S沉降量）。（3）根据承载力数值结合工程要求初步确定合理的施工工艺参数。,39,（四）水泥土搅拌桩的地基加固设计计算水泥土搅拌桩的地基加固设计内容包括布桩形式、单桩竖向承载力及复合地基承载力特征值的确定、下卧层验算及沉降变形验算等。主要是确定搅拌桩的置换率和长度。竖向承载搅拌桩的长度应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，并宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层；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。湿法的加固深度不宜大于20m；干法不宜大于15m。水泥土搅拌桩的桩径不应小于500mm。,40,1、布桩形式布桩形式应根据地基土性质及上部建筑对变形的要求进行选择，可采用柱状、壁状、格栅状、块状等不同形式，如图10.2-8。（1）柱状加固形式这种加固形式适用于处理局部饱和软粘土夹层和表层与桩端土质较好的建筑物地基。一般工业厂房的独立柱基础、设备基础、构筑物基础、多层住宅条形基础下的地基加固以及用来防治滑坡的抗滑桩等常用这种加固形式。,41,10.2-8,42,（2）壁状和格栅状加固形式在深厚软土层或土层分布很不均匀的场地，对于上部建筑长高比大、刚度小，易产生不均匀沉降的长条状住宅楼，采用壁状与格栅状加固形式可以减少产生不均匀沉降的可能性。这种形式也常用作基坑开挖的围护结构及用来防止边坡塌方和岸壁滑动。（3）块状加固形式这种形式适用于上部结构单位面积荷载大，不均匀沉降控制严格的构筑物地基。在软土地区开挖深基坑时，为防止基坑隆起或增大坑底的被动土压力及对基坑进行封底隔渗处理等也常采用块状加固形式。,43,2、单桩竖向承载力特征值的设计计算水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力取决于桩身强度和地基土的情况，一般应使土对桩的支承力与桩身强度所确定的承载力相近，并使后者略大于前者最为经济。水泥土搅拌桩单桩竖向承载力标准值应通过现场单桩载荷试验确定，初步设计时，也可按下列二式计算，并取其中较小值。,44,式中fcu与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为707mm的立方体，也可采用边长为50mm的立方体）在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（kPa）；桩身强度折减系数，千法可取0.200.30；湿法可取0.250.33；up桩的周长（m）；n桩长范围内所划分的土层数；,（10.2-9）（10.2-10）,45,qsi桩周第i层土的侧阻力特征值。对淤泥可取47kPa；对淤泥质土可取612kPa；对软塑状态的粘性土可取1015kPa；对可塑状态的粘性土可以取1218kPa；li桩长范围内第i层土的厚度（m）；qp桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa），可按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB50007的有关规定确定；.r桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.40.6，承载力高时取低值。,46,水泥土搅拌桩单桩设计时，主要是确定桩长和水泥掺入比。一般有以下几种方法步骤：,47,（1）当土质条件和施工条件等限制搅拌加固深度时，可先确定桩长。由桩长按式（10.2-9）算出承载力特征值，再将承载力特征值代入式（10.2-10）求出水泥土的无侧限抗压强度，然后根据，并参照室内配合比试验资料，选择合适的水泥掺入比。（2）当搅拌桩的加固深度不受限制时,可根据室内配合比试验资料选定水泥掺入比,并得出水泥土无侧抗压强度,然后根据按式(10.2-10)计算承载力特征值,最后根据按式(10.2-9)计算桩长。（3）根据上部结构对单桩承载力的要求，由式(10.2-10)求得，然后根据室内试验资料得出相应的水泥掺入比；同时，根据将要求的承载力特征值代入式（10.2-9）求出桩长。,48,水泥土搅拌桩复合地基设计,1、复合地基的承载力特征值竖向承载水泥土搅拌桩复合地基的承载力特征值应通过现场单桩或多桩复合地基荷载试验确定。初步设计时也可按下式估算，,49,公式中。fsk为桩间土承载力特征值（kPa），可取天然地基承载力特征值；)为桩间土承载力折减系数。为桩间土承载力折减系数。当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.10.4，差值大时取低值；当桩端土未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.50.9，差值大时或设置褥垫层时均取高值。,50,根据设计要求的复合地基承载力，也可据上式得出面积置换率m和桩数n:A地基加固面积。,51,对于大面积新填土，由于重新固结会产生负摩阻力，对刚性桩来说，这是不可忽视的。但水泥土桩能与桩间土同时下沉，不致于在水泥土桩侧壁产生较大负摩阻力，所以，设计时既不考虑负摩阻力，也不考虑桩周围填土层所提供的摩阻力。4、下卧层强度验算当搅拌桩加固区以下存在软弱下卧层时，应对软弱下卧层按下式进行强度验算：pz+pczfz(10.2-14)式中：pcz软弱下卧层顶面处土的自重应力；fz软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力设计值；pz软弱下卧层顶面处的附加应力设计值，可以用双层地基中附加应力分布理论或数值分析方法计算，但为简化起见，一般将搅拌桩与桩间土视为一复合土体，用应力扩散法按下列二式进行计算。,52,53,10.2-9,54,式中：假想实体基础底面压力(kPa)；A地基加固总面积(m2)；A1、A2假想实体基础底面积和侧面积(m2)；G假想实体基础自重(kN)；假想基础边缘土的平均摩阻力标准值(kPa)；假想实体基础边缘土的承载力(kPa)；f假想实体基础底面处经修正后的地基土承载力(kPa)。,55,3、沉降变形验算对沉降要求较高的建构筑物，除进行强度验算外，还应对地基进行沉降变形验算。水泥土搅拌桩复合地基变形S的计算，包括搅拌桩群体的压缩变形S1和桩端下未加固土层的压缩变形S2之和，即：S=S1+S2(10.2-18)其中：S1=(pz+pz1)l/2Esp(10.2-19),56,式中Pz搅拌桩复合土层顶面的附加压力值（kPa）；Pzl搅拌桩复合土层底面的附加压力值（kPa）；Esp拌桩复合土层的压缩模量（kPa）；Ep搅拌桩的压缩模量，可取（100120）fcu（kPa）。对桩较短或桩身强度较低者可取低值，反之可取高值；Es桩间土的压缩模量（kPa）。,57,桩端以下未加固土层的压缩变形S2可按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB50007的有关规定进行计算。,58,SJB-1型深层双轴搅拌机,59,GZB-600型深层单轴搅拌机,60,61,62,63,水泥土的形成,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,安徽丰原马鞍山生化有限公司4万吨/年柠檬酸工程采用喷粉桩施工技术,79,支护结构水泥土墙,80,支护结构水泥土墙,81,支护结构水泥土墙,82,支护结构水泥土墙,83,SMW（SoilMixingWall）工法施工,84,SMW（SoilMixingWall）工法施工,85,SMW（SoilMixingWall）工法施工,86,SMW（SoilMixingWall）工法施工,87,SMW（SoilMixingWall）工法施工,88,SMW（SoilMixingWall）工法施工,89,SMW（SoilMixingWall）工法施工,90,SMW（SoilMixingWall）工法施工,91,SMW（SoilMixingWall）工法施工,92,a)柱状布置；b)壁状布置；c)格栅状布置；d)块状布置,93,水泥土搅拌桩的应用地基加固,94,重点及例题,1、水泥土搅拌法的功能是什么？固化剂掺入量宜多少？水泥土搅拌