化学加固法-粉喷桩及深层搅拌桩

1、化 学 加 固 法一、粉喷桩二、深层搅拌桩一、粉喷桩一）粉喷桩定义 粉喷桩属于深层搅拌法加固地基方法的一种形式，也叫加固土桩。深层搅拌法是加固饱和软粘土地基的一种新颖方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械就地将软土和固化剂(浆液状和粉体状)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理一化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的优质地基。粉喷桩就是采用粉体状固化剂来进行软基搅拌处理的方法。 粉喷桩最适合于加固各种成因的饱和软粘土，目前国内常用于加固淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高的粘性土。粉喷桩施工现场施工场地 加固淤泥、淤泥质土和地基承载力标准值不大于

2、120kPa的粘性土和粉土地基。 三）加固机理 （一）水泥的水解和水化反应 （二）粘土颗粒与水泥土水化物的作用 （三）碳酸化作用 二）粉喷桩的适用范围（一）水泥的水解和水化反应 水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物（硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙）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2(3CaOSiO2)+6H2O=3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2 在水泥中含量最高（占总量的50%），是决定强度的主要因素。2(2CaOSiO2)+4H2O=3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2 在水泥中含量较高（占总量的25%），主要产生后期

3、强度。3CaOAl2O3+6H2O=3CaOAL2O33H2O占水泥总量的10%，水化速度最快，促进早凝4CaOAl2O3 Fe 2O4+2Ca(OH)2 +10H2O=3CaOAL2O36H2O+ 3CaOFe 2O4 6H2O占水泥总量的10%，水化速度最快，促进早强 生成物溶于水中，其溶液达到饱和以后，生成物以胶体析出，形成凝胶体。将大量自由水以结晶水的形式固定。 （二）粘土颗粒与水泥土水化物的作用 1、离子交换和团粒化作用 水泥水化生成的氢氧化钙中的Ca2+和粘土颗粒表面Na+、k+进行当量离子交换，使土颗粒分散度降低，产生聚结，形成较大团粒，土体抗剪强度提高。 2、硬凝作用（三）碳酸

4、化作用 Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O CaCO3 提高水泥土的强度，但增长较慢，幅度也较小。 Ca2+数量超过离子交换的需求量后，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、硅酸钙的结晶水化物。 （一）水泥土物理性质 （二）水泥土的力学性能 （三）水泥土的抗冻性能 1、含水量2、重度 3、相对密度 4、渗透系数1、水泥土的破坏特征2、无侧限抗压强度及其影响因素3、抗拉强度 4、抗剪强度 5、变形模量、压缩系数和压缩模量 四）水泥土物理、力学性质 （一）水泥土物理性质 1、含水量 水泥土在硬凝过程中，使部分自

5、由水以结晶水的形式固定下来，所以水泥土含水量低于原状土的含水量，且随水泥掺入比aw增加而减小。 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。故采用水泥搅拌法加固厚层软土地基时，加固部分对下卧层不致产生过大的附加沉降。 3、相对密度 水泥土的相对密度为3.1,稍大于一般软土的相对密度(2.652.75)。 Dzizi-1Hicz=0.2或 0.1cc线z线p1i p1icizic(i-1)z(i-1)p1i=(ci+c(i-1)/2 pi=(zi+z(i-1)/2计 算 下 限4、渗透系数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

6、长，渗透系数越小，一般可达10-510-8cm/s。 水泥土的物理性质水泥土的物理性质水泥掺入比重度含水量相对密度孔隙比016.6361.42.7061.63516.8051.42.7081.441017.1047.62.7121.341517.1046.32.7361.342017.3044.42.7681.312517.4042.32.7811.27（二）水泥土的力学性能 1、水泥土的破坏特征12303kPa1963kPa39231-3图图二二脆性破坏：脆性破坏：裂隙沿轴向发展，土体脆性破坏。水泥掺入比高，围压小图1曲线1和2，图2中曲线3图图一一%301wa%252wa%203wa%15

7、4wa%105wa12345水泥土的破坏与水泥掺入比aw及围压有关塑性剪切破坏：塑性剪切破坏：裂隙沿两个方向大量出现，形成塑性流动区，土体塑性破坏。水泥掺入比低或围压高。图1曲线4、5，图2中曲线1。 水泥掺入比越高，强度越高，但延性降低。 围压增高，强度越高，延性越高 脆性剪切破脆性剪切破坏坏: :介于两者之间图1曲线3，图2中曲线212303kPa1963kPa39231-3图图二二图图一一%301wa%252wa%203wa%154wa%105wa123452、无侧限抗压强度及其影响因素 水泥土无侧限抗压强度一般在0.30.4MPa之间。无侧限强度较高的水泥土（1.52.0MPa）表现为

8、脆性破坏，而对无侧限抗压强度较低的水泥土表现为塑性破坏。影响无侧限抗压强度的因素（1）水泥掺入比aw 指掺入土中的水泥质量与被加固软土的湿质量比值的百分数。 aw越高，无侧限抗压强度越高。 wauq（2）龄期 龄期越长，无侧限抗压强度quuqd（3）水泥标号越高，无侧限抗压强度 uq越高 3.4853.4855255252.2702.27042542515 151.7901.7905255251.1241.12442542510 101.0961.0965255250.560.564254257 7无侧限抗压强度无侧限抗压强度MPaMPa水泥标号水泥标号水泥掺入比水泥掺入比90cuf水泥标号对

9、水泥土强度的影响（4）含水量%20wa随含水量的降低，无侧限抗压强度增高 uq0w%301wa%252wa%203wa%154wa%105wa12345%20wa含水量和无侧限抗压强度之间有一个峰值。 （5）天然地基中有机质含量增高，对水泥的水化反应阻碍作用增大，影响水泥土的固化，降低水泥土的强度。 （6）外加剂早强剂：三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠或水玻璃。减水剂：木质素磺酸钙，一般掺入量取水泥质量的0.2%。石膏有缓凝和早强的作用，加入少量石膏，有利于提高强度，减少水泥用量。（5）有机质（7）搅拌均匀程度tmin)10(/uuqq塑性指数越大，土的粘性越大，越难搅拌均匀；而含水量和液性指数过低，

10、同样影响搅拌效果。 3、抗拉强度 水泥土的抗拉强度随水泥土的抗压强度的增加而提高。当已知水泥土的抗压强度fcu时抗拉强度cutf )25. 015. 0 (一般越均匀，强度越高。在相同搅拌的条件下，土的物理力学指标中含水量、塑性指数、液性指数对水泥土的均匀性影响很大。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， /50E水泥土的压缩系数为（2.02.03.53.5）1010-2-2（MPaMPa）-1-1 其相应的压缩模量 MPaEs100604、抗剪强度 水泥土无侧限抗压强度提高，抗剪强度越高。 （三）水泥土的抗冻性能 自然

11、温度不低于-150时，冰冻对水泥土损害很小，一般工程，地温不低于-100C，可进行深层搅拌桩施工。 （一）布桩形式（可只在建筑基础范围内布桩） 五）水泥土桩的地基加固设计 1 1、柱状：柱状：三角形或正方形布置。 2 2、壁状：壁状：栅格状 3 3、块状：块状：全部加固，用于地基承载力要求高，沉降要求严格的建筑。 （二）单桩承载力 1、以试验资料确定，无试验资料时计算确定。 取两式计算的小值淤泥可取58kPa，淤泥质土取812kPa，粘性土可取1215kPa dkR单桩竖向承载力标准值 kcuf,无侧限抗压强度平均值 强度折减系数，0.350.50 sq桩周土的平均摩擦力pkcudkAfR,p

12、ppsdkqAluqR 2、水泥土单桩设计 确定桩长和水泥掺入比确定桩长和水泥掺入比 （1）先确定桩长 桩周长桩周长 pupA桩的截面积桩的截面积 l桩长桩长q qp p桩端承力标准值桩端承力标准值 桩端承力折减系数，可取桩端承力折减系数，可取0.40.40.60.6。 1）由式计算 dkR2）由式计算求 kcuf,3）由相应的 kcuf,参照室内配合比试验选择合适水泥掺入比 wapkcudkAfR,pppsdkqAluqR （2）先定水泥掺入比aw 1）先定水泥掺入比aw 2）再确定 kcuf,3）由式计算求 dkR4）由式计算 l（三）水泥土桩复合地基承载力的确定 kspdkkspfmAR

13、mf,)1 (/kspf,复合地基承载力标准值 m面积换算率 桩间土承载力折减系数，当桩端为软土时，可取0.51.0，当桩端为硬土时，可取0.10.4。 pkcudkAfR,pppsdkqAluqR （四）软弱下卧层的验算 zczzfppczp软弱下卧层顶面处土的自重应力 zp软弱下卧层顶面处的附加应力设计值条形基础 tgzbpbpz211p基础底面处附加应力值，可取 kspfp,1由上式反求面积换算率m和桩数n kspdkkskspfARffm,/pAAmnDzizi-1Hicz=0.2或0.1cc线z线p1ip1icizic(i-1)z(i-1)p1i=(ci+c(i-1)/2pi=(zi

14、+z(i-1)/2计算下限（五）沉降变形验算 变形包括桩体的压缩变形S1和桩下未加固土体的压缩变形S2。 0012/)(ElppS11,)(AAAfAfpksksplfpp0p桩群顶面的平均应力 0p桩群底面的附加应力 p桩群底面以上的加权平均重度。 pnAA 1Dzizi-1Hicz=0.2或 0.1cc线z线p1i p1icizic(i-1)z(i-1)p1i=(ci+c(i-1)/2 pi=(zi+z(i-1)/2计 算 下 限pop六）粉喷桩施工工法 粉喷桩是以干粉（生石灰粉或水泥粉等粉体材料）作为加固料，通过粉喷桩机，用压缩空气将粉体加固料送到地基中与软土搅拌并得到充分拌合，使其充分

15、吸收地下水并与地基土发生理化反应，形成具有水稳定性、整体性和一定强度的柱状体，同时使桩间土得到改善，从而满足地基处理及建筑基础的设计要求。（一）特点1.机理科学、费用低廉（1）加固成本低。由于利用原土为原料，加入少量固化剂，一般为12-15%的土体重量。（2）桩身质量好。由于桩体粉体与土拌和，化学反应充分 ，桩身强度相对较高。（3）地基加固后其容量变化不大，仅比原容量增加5%， 故无附加荷载，含水量略低于原土，约减少3-7%，其抗压强度一般为1.6-2.0MPa，其主要与土的种类、含水量、粉体掺入量、养护龄期以及外加等因素有关。 2.干法施工（1）施工不需水源，不需排污，故场地干净。（2）桩体

16、强度高。此方法是从地基中吸收一定的水份，工艺效果较好，提高了地基加固效果。3.无侧向挤土问题该工艺与打入桩或压入桩相比，由于成桩是将原位土体作为主要原料，使地基中几乎不增加体积，故不产生侧向挤土，所以粉体喷搅法施工时，对临近环境无影响，甚至可以紧贴相邻基础施工。4.桩身强度可因需要加以控制该工艺可按工程需要及地质条件，以不同掺入量来控制不同的桩身强度，也可在同一地基中不同层位控制不同桩身强度，满足工程上的需要。5.施工机械简单、操作方便粉喷法施工专用机械由成桩钻机、空压机、供料机三大件组成。设备简单，桩身体积小，移动方便，成桩直径一般为500-700mm。桩长最深可达18m，施工效率较高，台班

17、成桩10-15根。（二）适用范围该工艺桩位平面布置灵活，可以组成多种形状，如柱状、壁状、格栅状等，主要用于工程建设中的多种地基改良加固，尤其以淤泥质软土改良效果较好。可作为支护体系，用于防止滑坡，防止流砂及止水围护等，还可以加固地基中的某个部位，故应用广泛。在住宅基础应用中单桩承载力可达300KN，复合地基承载力可达25Kpa。（3）施工工艺 粉喷桩施工工艺分为就位、钻入、预搅下沉、喷搅提升、复搅下沉、复搅喷粉提升、成桩等过程。见图1。1、桩体就位：移动钻机、使钻头对准桩位，分别以经纬仪、水平尺在钻杆及转盘的两个正交方向校正垂直度及水平度。2、上水泥等粉灰：打开粉喷机料罐上盖，按（设计有效桩长

18、+余桩长）每m用料，计算出水泥等粉灰用量，并进行过筛，加料入罐，第一罐多加50kg水泥等粉灰。3、关闭粉喷机灰路蝶阀、球阀，打开气路蝶阀。4、钻进：启动钻机和空压机，并缓慢打开气路调压阀，对钻机供气，视地质及地下障碍情况采用不同转速正转下钻，宜用慢档先试钻。5、压差控制：观察压力表读数，随钻杆下钻压力增大而调节压差，使后阀较前阀大0.02-0.05MPa压差。6、喷搅提升：钻头钻至设计桩长底标高，关闭气路蝶阀，并开启灰路蝶阀，反转提升，打开调速电机，视地质情况调整转速，喷灰成桩。7、钻机正转下钻复搅，反转提钻复喷。根据地质情况及余灰情况重复数次，保证桩体灰土搅拌均匀。8、钻头提升至桩顶标高下0

19、.5m，关闭调速电机，停止供灰，充分利用管内余灰喷搅。9、原位旋转钻具2min，脱开减速箱、离合器将钻头提离地面0.2 m。10、打开球阀，减压放气。打开料罐上盖，检查罐内余灰，并记录喷灰量。11、钻机移位，进入下一个成桩桩位。（4）施工机具施工机具主要由成桩钻机、空压机、供料机三大系统组成。目前使用的机械有：GPF-5、GPF-7、PH-5及PH-7型钻机、YP-1粉体喷射机、3N-1.6/1.0空气压缩机各1台；C-2储气罐、配电箱各一只；电缆、压力胶管、小平车若干。施工设备布置见图2。粉体喷射机空气压缩机空气压缩机 喷 头（5）操作要点1、施工前应准确测放轴线和桩位，并用竹签或钢筋标定。

20、2、施工现场要求平整，施工前彻底清除地下一切障碍物。3、正式打桩前宜按设计要求施打工艺试桩，以确定各地层和平面区域内钻杆提升速度和喷灰速度、喷灰量等。4、粉体喷射机灰罐应按理论计算量投一次料，打一根桩，以确保成桩质量。5、喷射机内压力要保持稳定，压力要足够。 6、钻机提升速度控制于0.45-0.8m/min。 7、钻机预搅下沉，应尽量不用冲水下钻，当遇较硬土层太慢时，方可适量冲水。（6）施工注意事项 1、每一根桩开钻后必须连续施工，严格控制喷灰及停灰时间，不得间断。严禁在尚未喷灰的情况下进行钻杆提升作用，以确保粉喷桩质量和长度。 2、如遇停电，机械故障等原因而喷粉中断，应及时记录中断深度，待恢

21、复正常后进行复打，复打重叠段不应小于1m。 3、钻杆下沉前，应用经纬仪检查或垂线量测钻杆的倾斜度，使倾斜度值不大于1.5%。 4、深层搅拌机喷灰提升至原地面以下50cm时，应关闭空压机，防止固化剂喷入大气层。 5、在桩径变更时应对直径进行复核，对使用过的钻头须随时检查，且磨损量不得大于1cm。（7）加固质量与检测喷粉桩工程质量检查及地基强度检测，目前按以下方式进行：桩成型的开挖观测对挖出的桩体进行直观检查，检查其桩位、桩径是否应符合设计要求，检查喷搅的均匀程度。2、资料检查即对施工记录的检查，以复检桩端和停灰面标高、 喷粉量是否符合设计要求，检查施工时是否发现异常现象等。3、桩体强度检测（1）桩体的静力触探（以养护龄期为14天）。（2）桩身取样进行室内立方强度试验。（3）应力波测试（为桩数的10-15%）。（4）静压试验：测定单桩或复合