边坡稳定与支护第13讲

1、第十三讲搅拌桩支护2一、概述搅拌桩 是加固软土地基的一种新方法，它是利用水泥、石灰等材料作为剂，通过搅拌机械，将剂(浆液或粉体)强制搅拌，利用软土和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。3一、概述首先研制了水泥就地搅拌桩(MIP)，二次大战后，桩径0.30.4m，长度1012m。50年代引入，1974年由港湾技术等合法(CMC法)。作研制成功水泥搅拌1977年国内由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院开始进行作。搅拌法的室内试验和机械研制工1978年制造出国内第一台SJB-1型双轴搅拌机。1980年拌机。市机械施工公司等首先改制成单轴搅4

2、一、概述1983年铁道部第四勘测设计院等开始进行粉体喷射搅拌法加固的试验研究。1990年大玻防水建设社研制开发了一种新的搅拌施工工艺RR工法，施工时搅拌头上下、左右、旋转翻滚成桩，一次成桩单元桩体直径达2m。5一、概述搅拌法 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。加固深度从数米至5060m，国内最大深度可达1518m。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；含有碱度(、氯化物等粘性土以及有机质含量高、酸值)较低的粘性土的加固效果较差。6二、水泥土的加固机理与特性1、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

3、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(仅占被加固土重的715)，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质土的围绕下进行，所以硬化速度缓慢且作用复杂，因此水泥加固土的强度增长过程也比混凝土缓慢。7二、水泥土的加固机理与特性水泥土加固其主要反应有：(1)水泥的水解和水化反应普通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

4、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；有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生发应。(3) 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溶于水的碳酸钙。，发生碳酸化反应，生成不8二、水泥土的加固机理与特性2、水泥土的特性水泥土中一般采用425号普通硅酸盐水泥或矿碴水泥。水泥浆水灰比可选用0.40.5。水泥掺入量为所加固土重的715。根据水泥土室内试验结果：水泥土的容重略大于软土，约比软土大0.7%2.3%，含水量小于软土。无侧限抗压强度qu一般为0.54.0MPa。抗拉强度，t =0.150.25qu。内聚力c = 0.20.3qu，内摩擦角 =2030。变形模

5、量 E50=120150qu(E50 为水泥土的应力达到破坏值的50时的变形模量)。渗透系数k=107106cm/s。9二、水泥土的加固机理与特性水泥土的无侧限强度比天然软土大几十倍至数百倍。应力应变特性如图13-1所示，其变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑性体之间。图13-1 水泥土的应力应变曲线10二、水泥土的加固机理与特性水泥土受力开始阶段，应力与应变关系基本上符合虎克定律。当外力达到极限强度的7080时，试块的应力和应变关系不再继续保持直线关系。当外力达到极限强度时，对于强度大于2000kPa的水泥土很快出现脆性破坏，破坏后残余强度很小，此时的 轴向应变约为0.8%1.2%(如图13

6、-1中的A20、A25试件)；对于强度小于2000kPa的水泥土则表现为塑性破坏(图13-1中A5、A10和A15试件)。11二、水泥土的加固机理与特性水泥掺入比的影响水泥掺入比aw是指水泥重量与被加固的软土重量之比，即水泥土的强度随水泥掺入比的增加而增大 (图 13-2)，在实际工程中，水泥土的水泥掺入比常选用aw=7%15%，一般情况下不宜小于12%。图13-2 水泥掺入比与强度的关系12二、水泥土的加固机理与特性(2) 龄期的影响水泥土的强度随着龄期的增长而增大，如图13-3所示。从图中可见，一般在龄期超过28天后，强度仍有明显增加。当龄期超过三个月后，水泥土的强度增长才减缓。因此选用三

7、个月龄期的强度作为水泥土的标准强度较为适宜。图13-3 水泥土龄期与强度的关系13二、水泥土的加固机理与特性(3) 不同土质的影响不同土类对水泥土的强度有很大影响，图13-4为砂质粉土与淤泥质粘土的水泥土的应力应变曲线。这两种水泥土其水泥掺入比均为13%，水泥均为425号普通硅酸盐水泥，龄期均为28天，其加固后的28天的水泥土无侧限抗压强度有明显差异，分别为qu=841kPa图13-4 不同土质的水泥土的应力应变曲线14砂质粉土水泥土淤泥质粘土水泥土 qu=370kPa二、水泥土的加固机理与特性土中有机质的影响土中有机质含量对水泥土的强度影响如图13-5所示。这两种土样均为某地海相沉积的淤泥质

8、土，土有机质含量为1.3%(质量分数)，土的质量分数为10.01%。15图13-5有机质含量与水泥土强度关系曲线二、水泥土的加固机理与特性由图可见，有机质含量少的水泥土强度比有机质含量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，这些都阻碍水泥水化反应的进行。因此有机质含量高的软土，单纯用水泥加固的效果较差。16二、水泥土的加固机理与特性表13-1为取自不同地区的淤泥，有机质各组份对水泥土的无侧限抗压强度的影响，其中以有机碳和富里酸含量的影响较为明显。表13-1 土样有机质含量及水泥土无侧限抗压强度有机质含量皆指质量分数。17二、水泥土的加

9、固机理与特性(5) 粉煤灰对强度的影响掺加粉煤灰的水泥土，其强度一般比不掺粉煤灰的有所增长，如图13-6所示。不同水泥掺入比的水泥土，当掺入与水泥等量的粉煤灰后，强比不掺粉煤灰的提高10%，因此采用搅拌法加固软土时掺入粉煤灰，不仅可利用工业废料，还图13-6 粉煤灰对水泥土强度的影响18可稍微提高水泥土的强度。二、水泥土的加固机理与特性(6) 外掺剂对强度影响常用的外掺剂有木质素磺酸钙、石膏、碳酸钠、氯化钙、三乙醇醇胺等。根据工程需要可选用早强、缓凝及减水等性能的外掺剂。不同的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响，例如木抟素磺酸钙对水泥强度增长影响不大，主要起减水作用。早强剂可选用三乙醇胺、氯化钙

10、、碳酸钠或水玻璃等，其掺量宜分别为水泥重量的0.05%、2%、0.5%及2%。19二、水泥土的加固机理与特性石膏兼有缓凝和早强作用，它与水泥水化物反应生成的钙矾石结晶，能大量吸附软土中的水分，因此对水泥土有增强作用。此外，在水泥硬化过程中，还具有一定的缓凝作用，所以又有利于搅拌施工，一般掺入量为水泥用量的2%。20三、搅拌桩支护的设计与计算1、搅拌桩支护的设计原则与形式(1) 挡土结构方案确定时应遵循以下原则：技术先进；施工可行；安全可靠：经济合理。进行挡土结构设计时应综合考虑下列基坑的几何尺寸、形状、开挖深度；：工程地质、水文地质条件：土层分布及其物理力学性质，水情况；支扩结构所受的荷载及大

11、小：基坑周围的环境、建筑、道路交通及况。管线情21三、搅拌桩支护的设计与计算搅拌桩支护结构是将搅拌桩相互搭接而成，平面布置可采用壁状体，如图13-7。图13-7 壁状支护结构图13-8为几种格栅状档土结构的平面布置图。22三、搅拌桩支护的设计与计算(a)(b)(c)(d)23三、搅拌桩支护的设计与计算(e)图13-8 几种格栅状水泥土挡土结构的平面图24三、搅拌桩支护的设计与计算根据使用要求和受力特性，搅拌桩挡土结构的断面型式如图13-9所示。图13-9搅拌桩支护结构几种断面型式25三、搅拌桩支护的设计与计算2、水泥土挡墙的计算(1)刚性自立式挡墙的破坏模式图13-10 水泥土挡墙的破坏形式2

12、6三、搅拌桩支护的设计与计算倾复破坏 如图13-10a所示，由于墙身入土太浅或宽度，当地面堆载过多或重载车辆在坑边频繁行驶，都可能导致倾复破坏。地基整体破坏 如图13-10b所示，当开挖深度较大，基底土又十分软弱时，特别当地面存在大量堆载(堆土)时，地基土连同支挡结构一起滑动。地基整体破坏造成的危害极大，往往伴随着地面大量下陷及坑底隆起，也可能推动坑内主体结构工程桩一起位移。墙趾外移破坏 如图13-10c所示，当挡土结构深度不够，坑底土太软或因管涌及流砂所削弱，可能发生墙趾外移所引起的破坏。27三、搅拌桩支护的设计与计算水泥搅拌桩挡墙的计算根据土质情况和基坑开挖深度，先按经验设定桩长和墙的宽度

13、：桩长：L=(1.82.2)H挡墙宽度：B=(0.70.95)H式中：H基坑开挖深度。水泥搅拌桩挡墙（图13-11）的计算包括抗滑动、抗倾覆及整体稳定性等。图13-11 水泥搅拌桩挡墙的计算28三、搅拌桩支护的设计与计算 抗滑稳定性验算（13-1）（13-2）或式中：W墙体自重(kNm)；Ea主动土压力合力(kNm)；Ep土压力合力(kNm)；墙体基底与土的摩擦系数，当无试验资料时，可按下列土类取值：29三、搅拌桩支护的设计与计算淤泥质土：=0.200.25粘性土： =0.250.40砂土：=0.400.500 墙底处土层的内摩擦角()；C0墙底处土层的粘聚力(kPa)；Kh抗滑稳定安全系数，

14、取值13。当对位移要求较边长小于20m严格时，可适当提高；当基坑时，可适当减小。30三、搅拌桩支护的设计与计算 水泥土挡墙水平位移的计算水泥土挡墙墙顶位移可采用经验公式进行计算，挡插入深度D=(0.81.2)H（H为基抗开挖深度），墙宽B=(0.61.0)H时，可采用下列经验公式进行估算：（13-3）式中：墙顶水平位移计算值(mm)；Lmax基坑的最大边长(m)；施工质量系数，取0.81.5；H基坑开挖深度(m)；D墙体坑底以下的深度(m)；量纲换算系数，当用mn时，取q=1；用cm时，取=10；当31B搅拌桩墙体宽度(m)。四、搅拌桩支护的施工要点1、施工方法搅拌桩的施工工艺流程如图13-1

15、2所示。图13-12搅拌法施工工艺流程32四、搅拌桩支护的施工要点其施工过程大致为：(1)桩架定位及保证垂直度搅拌机桩架到达指定桩位，对中。当场地标高不符合设计要求或起伏不平时，应先进行开挖、整平。施工时桩位偏差应小于5cm，桩的垂直度误差不超过1%。(2)预搅下沉 待搅拌机电搅拌机的冷却水循环正常后，起动，放松起重机钢线绳，使搅拌机沿导向架搅拌切土下沉，下沉速度可由电的电流表控制。工作电流不应大于70A。如果下沉速度太慢，可从输浆系统补给清水以利钻进。33四、搅拌桩支护的施工要点(3)水泥浆按设计要求的配合比拌制水泥浆，待压浆前将水泥浆倒入集料斗中。(4)、喷浆并搅拌搅拌机下沉到设计深度后，开启灰浆泵将水泥浆压入地基土中，并耳边喷浆、边旋转，同时严格按照设计确定的头。速度搅拌(5) 重复搅拌或重复喷浆搅拌头至设计加固深度的顶面标高时，集料斗中的水泥浆应正好排空。为使软土和水泥浆搅拌均匀，可再次将搅拌头边旋转边沉入土中，至设计加固深度后再将搅拌头出地面。34四、搅拌桩支护的施工要点2、质量控制与检验搅拌桩的施工质量可通过施工轻便触探进行间接或直接的判断。、强度试验和(1)成桩施工期