第七章2水泥土攪拌法

粉體噴射攪拌(DryJetMixingMethod，簡(jiǎn)稱DJM法)最早由瑞典人KjeldPaus于1967年提出了使用石灰攪拌樁加固15m深度范圍內(nèi)軟土地基的設(shè)想，并于1971年Linden—Alimak公司在現(xiàn)場(chǎng)制成第一根用石灰粉和軟土攪拌成的樁，1974年獲得粉噴技術(shù)專利，生產(chǎn)出的專用機(jī)械其樁徑可達(dá)500mm，加固深度15m。鐵道部第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院于1983年用DDP-100型汽車改裝成國(guó)內(nèi)第一臺(tái)粉體噴射攪拌機(jī)，并使用石灰作固化劑，應(yīng)用于鐵路涵洞加固。1986年開始使用水泥作為固化劑，應(yīng)用于房屋建筑的軟土地基加固。1987年鐵四院和上海探礦機(jī)械廠制成GPP-5型步履式粉體噴射攪拌機(jī)，成樁直徑500mm，加固深度12.5m。當(dāng)前國(guó)內(nèi)粉體噴射攪拌機(jī)的成樁直徑一般在500~700mm范圍，深度可達(dá)15m。

水泥土攪拌法加固軟土技術(shù)，具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：⑴水泥土攪拌法由于將固化劑和原地基軟土就地?cái)嚢杌旌希蚨畲笙薅鹊乩昧嗽?；⑵攪拌時(shí)無振動(dòng)、無噪音和無污染，可在市區(qū)內(nèi)和密集建筑群中進(jìn)行施工；⑶攪拌時(shí)不會(huì)使地基側(cè)向擠出，所以對(duì)周圍原有建筑物及地下溝管影響很??；⑷水泥土攪拌法形成的水泥土加固體，可作為豎向承載的復(fù)合地基、基坑工程圍護(hù)擋墻、基坑被動(dòng)區(qū)加固、防滲帷幕、大體積水泥穩(wěn)定土等，其設(shè)計(jì)靈活，可按不同地基土的性質(zhì)及工程設(shè)計(jì)要求，合理選擇固化劑及其配方；⑸根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的需要，可靈活地采用柱狀、壁狀、格柵狀和塊狀等加固形式；⑹與鋼筋混凝土樁基相比，可節(jié)約大量的鋼材，并降低造價(jià)。

水泥土攪拌法可用于增加軟土地基的承載能力，減少沉降量，提高邊坡的穩(wěn)定性，適用于以下情況：⑴作為建筑物或構(gòu)筑物的地基、廠房?jī)?nèi)具有地面荷載的地坪高填方路堤下基層等；⑵進(jìn)行大面積地基加固、以防止碼頭岸壁的滑動(dòng)、深基坑開挖時(shí)坍塌、坑底隆起和減少軟土中地下構(gòu)筑物的沉降；⑶作為地下防滲墻以阻止地下滲透水流，對(duì)樁側(cè)或板樁背后的軟土加固以增加側(cè)向承載能力。2加固機(jī)理

(1)水泥的水解和水化反應(yīng)普通硅酸鹽水泥主要是由氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵及三氧化硫等組成，由這些不同的氧化物分別組成了不同的水泥礦物：硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣等。用水泥加固軟土?xí)r，水泥顆粒表面的礦物很快與軟土中的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣等化合物。

(2)土顆粒與水泥水化物的作用

當(dāng)水泥的各種水化物生成后，有的自身繼續(xù)硬化，形成水泥石骨架；有的則與其周圍具有一定活性的粘土顆粒發(fā)生反應(yīng)。

①

離子交換和團(tuán)粒化作用粘土和水結(jié)合時(shí)就表現(xiàn)出一種膠體特征，如土中含量最多的氧化硅遇水后，形成硅酸膠體微粒，其表面帶有鈉離子Na＋或鉀離子K＋，它們能和水泥水化生成的氫氧化鈣中鈣離子ca2＋進(jìn)行當(dāng)量吸附交換，使較小的土顆粒形成較大的土團(tuán)粒，從而使土體強(qiáng)度提高。②硬凝反應(yīng)隨著水泥水化反應(yīng)的深入，溶液中析出大量的鈣離子，當(dāng)其數(shù)量超過離子交換的需要量后，在堿性環(huán)境中，能使組成粘土礦物的二氧化硅及三氧化二鋁的部分或大部分與鈣離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，逐漸生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶化合物，增大了水泥土的強(qiáng)度。(3)碳酸化作用水泥水化物中游離的氫氧化鈣能吸收水中和空氣中的二氧化碳，發(fā)生碳酸化反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣，這種反應(yīng)也能使水泥土增加強(qiáng)度，但增長(zhǎng)的速度較慢，幅度也較小。由于攪拌機(jī)械的切削攪拌作用，實(shí)際上不可避免地會(huì)留下一些未被粉碎的大小土團(tuán)。在拌入水泥后將出現(xiàn)水泥漿包裹土團(tuán)的現(xiàn)象，而土團(tuán)間的大孔隙基本上已被水泥顆粒填滿。所以，加固后的水泥土中形成一些水泥較多的微區(qū)，而在大小土團(tuán)內(nèi)部則沒有水泥。只有經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間，土團(tuán)內(nèi)的土顆粒在水泥水解產(chǎn)物滲透作用下，才逐漸改變其性質(zhì)。因此在水泥土中不可避免地會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度較大和水穩(wěn)性較好的水泥石區(qū)和強(qiáng)度較低的土塊區(qū)?？梢姡瑪嚢柙匠浞?，土塊被粉碎得越小，水泥分布到土中越均勻，則水泥土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的離散性越小，其宏觀的總體強(qiáng)度也越高。3.水泥土的物理力學(xué)特性

(1)水泥土的物理性質(zhì)①含水量水泥土在硬凝過程中，由于水泥水化等反應(yīng)，使部分自由水以結(jié)晶水的形式固定下來，故水泥土的含水量略低于原土樣的含水量，水泥土含水量比原土樣含水量減少0.5％～7.％，且隨著水泥摻入比的增加而減小。②重度

由于拌入軟土中的水泥漿的重度與軟土的重度相近，所以水泥土的重度與天然軟土的重度相差不大，水泥土的重度僅比天然軟土重度增如0.5％～3.0％，所以采用水泥土攪拌法加固厚層軟土地基時(shí)，其加固部分對(duì)于下部未加固部分不致產(chǎn)生過大的附加荷重，也不會(huì)產(chǎn)生較大的附加沉降。

③

相對(duì)密度由于水泥的相對(duì)密度為3.1，比一般軟土的相對(duì)密度2.65～2.75要大，故水泥土的相對(duì)密度比天然軟土的相對(duì)密度稍大。水泥土相對(duì)密度比天然軟土的相對(duì)密度增加0.7％～2.5％。④滲透系數(shù)

水泥土的滲透性隨水泥摻入比的增大和養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而減小，一般可達(dá)10-8~10-5cm/s數(shù)量級(jí)。水泥加固淤泥質(zhì)粘土能減小原天然土層的水平向滲透系，這對(duì)深基坑施工是有利的，可以利用它作為防滲帷幕。(2)水泥土的力學(xué)性質(zhì)①無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及其影響因素。水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一般為300~4000kPa，即比天然軟土大幾十倍至數(shù)百倍。其變形特征隨強(qiáng)度不同而介于脆性體與彈塑性體之間。

a.水泥摻入比aw

水泥土的強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增加而增大(見圖7-14)，當(dāng)aw≤5％時(shí)由于水泥與土的反應(yīng)過弱，水泥土固化程度低，強(qiáng)度離散性也較大，故在深層攪拌法的實(shí)際施工中，選用的水泥摻入比以大于5％為宜。b.齡期對(duì)強(qiáng)度的影響

水泥土強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而增大，在齡期超過28天后，強(qiáng)度仍有明顯增長(zhǎng)(見圖7-15)。為了降低造價(jià)，對(duì)承重?cái)嚢铇对噳K國(guó)內(nèi)外都取90d齡期為標(biāo)準(zhǔn)齡期。對(duì)起支擋作用承受水平荷載的攪拌樁，為了縮短養(yǎng)護(hù)期，水泥土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)取28d齡期為標(biāo)準(zhǔn)齡期。

在其他條件相同時(shí)，不同齡期的水泥土抗壓強(qiáng)度間大致呈線性關(guān)系，其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如下：c.水泥強(qiáng)度等級(jí)對(duì)強(qiáng)度的影響水泥強(qiáng)度等級(jí)直接影響水泥土的強(qiáng)度，水泥強(qiáng)度等級(jí)提高10級(jí)，水泥土強(qiáng)度fcu約增大20％～30％。

d.土樣含水量對(duì)強(qiáng)度的影響當(dāng)水泥土的配比相同時(shí)，其強(qiáng)度隨著土樣含水量的降低而增大。試驗(yàn)表明，當(dāng)土的含水量在50％～85％范圍內(nèi)變化時(shí)，含水量每降低10％，水泥土強(qiáng)度可提高30％。

e.土樣中有機(jī)質(zhì)含量對(duì)強(qiáng)度的影響

有機(jī)質(zhì)含量少的水泥土強(qiáng)度比有機(jī)質(zhì)含量高的水泥土強(qiáng)度高得多。由于有機(jī)質(zhì)使土壤具有較大的水容量和塑性，較大的膨脹性和低滲透性，并使土壤具有酸性，這些因素都阻礙水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行。

f.外摻劑對(duì)強(qiáng)度的影響

不同的外摻劑對(duì)水泥土強(qiáng)度有著不同的影響，例如，木質(zhì)素磺酸鈣對(duì)水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)影響不大，主要起減水作用；石膏、三乙醇胺對(duì)水泥土強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，而其增強(qiáng)效果對(duì)不同土樣和不同水泥摻入比又有所不同，所以選擇合適的外摻劑可以提高水泥土強(qiáng)度或節(jié)省水泥用量；當(dāng)摻入與水泥等量的粉煤灰后，水泥土強(qiáng)度可提高10％，因此采用水泥土攪拌法加固軟土?xí)r摻入粉煤灰，不僅可消耗工業(yè)廢料，水泥土強(qiáng)度還有所提高。②抗拉強(qiáng)度

水泥土的抗拉強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)而提高，但遠(yuǎn)較抗壓強(qiáng)度低，部分試驗(yàn)結(jié)果如表7-3所示?？估瓘?qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/10~1/15，與混凝土的抗拉/抗壓強(qiáng)度之比值相近。③抗剪強(qiáng)度用高壓三軸儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)表明：水泥土的抗剪強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增加而提高。④變形模量當(dāng)垂直應(yīng)力達(dá)到50%無側(cè)限抗壓強(qiáng)度時(shí)，水泥土的應(yīng)力與應(yīng)變的比值，稱之為水泥土的變形模量E50。⑤壓縮系數(shù)和壓縮模量水泥土試件的壓縮系數(shù)a1-2約為(2.0～3.5)×10-5kPa-1。，其相應(yīng)的壓縮模量E=(60～100)MPa。⑥水泥土的抗凍性能

水泥土試塊經(jīng)長(zhǎng)期冰凍后的強(qiáng)度與冰凍前的強(qiáng)度相比幾乎沒有增長(zhǎng)。但恢復(fù)正溫后其強(qiáng)度能繼續(xù)提高，凍后正常養(yǎng)護(hù)90天的強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度非常接近，抗凍系數(shù)達(dá)0.9以上。在自然溫度不低于-15℃的條件下，凍脹對(duì)水泥土結(jié)構(gòu)損害甚微。在負(fù)溫時(shí)，由于水泥與粘土之間的反應(yīng)減弱，水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢；恢復(fù)正溫后隨著水泥水化等反應(yīng)的繼續(xù)深入，水泥土的強(qiáng)度可接近標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。因此只要地溫不低于-10℃，就可以進(jìn)行水泥土攪拌法的冬季施工。

4.設(shè)計(jì)計(jì)算⑴水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)前的一般要求①勘察要求確定處理方案前應(yīng)搜集擬處理區(qū)域內(nèi)詳盡的巖土工程資料。尤其是填土層的厚度和組成；軟土層的分布范圍、分層情況；地下水位及pH值；土的含水量、塑性指數(shù)和有機(jī)質(zhì)含量等。②試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)前還應(yīng)進(jìn)行擬處理土的室內(nèi)配比試驗(yàn)。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)擬處理的最弱層軟土的性質(zhì)，選擇合適的固化劑、外摻劑及其摻量，為設(shè)計(jì)提供各種齡期、各種配比的強(qiáng)度參數(shù)。

對(duì)豎向承載的水泥土強(qiáng)度宜取90d齡期試塊的立方體抗壓強(qiáng)度平均值；對(duì)承受水平荷載水泥土樁強(qiáng)度宜取28d齡期試塊的立方體抗壓強(qiáng)度平均值。

③

加固形式選擇攪拌樁可布置成柱狀、壁狀和塊狀三種形式。

a.柱狀：每間隔一定距離打設(shè)一根攪拌樁，即成為柱狀加固形式。適合于單層工業(yè)廠房獨(dú)立柱基礎(chǔ)或多層房屋條形基礎(chǔ)下的地基加固。

b.壁狀：將相鄰攪拌樁部分重疊搭接成壁狀加固形式。適用于基坑開挖時(shí)邊坡加固以及建筑物長(zhǎng)高比較大、剛度較小、對(duì)不均勻沉降比較敏感的多層磚混結(jié)構(gòu)房屋條形基礎(chǔ)的地基加固。

c.塊狀：對(duì)上部結(jié)構(gòu)單位面積荷載大、對(duì)不均勻下沉控制嚴(yán)格的構(gòu)筑物地基進(jìn)行加固時(shí)可采用這種布樁形式。它是縱、橫兩個(gè)相鄰樁搭接而形成的。如在軟土地區(qū)開挖基坑時(shí)，為防止坑底隆起也可采用塊狀加固形式。(2)柱狀水泥土攪拌樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)計(jì)算①固化劑

固化劑宜選用強(qiáng)度等級(jí)為32.5級(jí)及以上的普通硅酸鹽水泥。水泥摻量除塊狀加固時(shí)可用被加固濕土質(zhì)量的7％～12％外，其余宜為12％～20％。濕法的水泥漿水灰比可選用0.45～0.55。外摻劑可根據(jù)工程需要和土質(zhì)條件選用具有早強(qiáng)、緩凝、減水以及節(jié)省水泥等作用的材料，但應(yīng)避免污染環(huán)境。②樁長(zhǎng)水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)，主要是確定攪拌樁的置換率和長(zhǎng)度。豎向承載攪拌樁的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)對(duì)承載力和變形的要求確定，并宜穿透軟弱土層到達(dá)承載力相對(duì)較高的土層。為提高抗滑穩(wěn)定性而設(shè)置的攪拌樁，其樁長(zhǎng)應(yīng)超過危險(xiǎn)滑弧以下2m。濕法的加固深度不宜大于20m，干法的加固深度不宜大于15m。

③

樁徑水泥土攪拌樁的樁徑不應(yīng)小于500mm。④豎向承載水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值豎向承載水泥土攪拌樁復(fù)合地基的承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)單樁或多樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)確定。在初步設(shè)計(jì)時(shí)，也可按下式估算：

⑤

墊層豎向承載攪拌樁復(fù)合地基應(yīng)在基礎(chǔ)和樁之間設(shè)置200～300mm厚褥墊層，其材料可選用中砂、粗砂、級(jí)配砂石等，最大粒徑不宜大于20mm。⑥樁位布置豎向承載攪拌樁的平面布置可根據(jù)上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及對(duì)地基承載力和變形的要求，采用柱狀、壁狀、格柵狀或塊狀等加固型式。樁可只在基礎(chǔ)平面范圍內(nèi)布置，獨(dú)立基礎(chǔ)下的樁數(shù)不宜少于3根。柱狀加固可采用正方形、等邊三角形等布樁型式。

⑦

沉降計(jì)算水泥土攪拌樁復(fù)合地基的變形s包括復(fù)合土層的平均壓縮變形s1與樁端下未加固土層的壓縮變形s2：復(fù)合土層壓縮變形s1可按下式計(jì)算：例7-2某軟土地基fak=70kPa，采用攪拌樁處理地基，樁徑0.5m，樁長(zhǎng)10m，等邊三角形布樁，樁距1.5m，樁周摩阻力特征值qs=15kPa，樁端阻力特征值qp=60kPa，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcu=1.5MPa，試求復(fù)合地基承載力特征值（η=0.3，α=0.5，β=0.85）。例7-3某廠房地基為淤泥，采用攪拌樁加固，攪拌樁復(fù)合土層頂面和底面附加壓力分別為80kPa和15kPa，土的Es=2.5MPa，樁體Ep=90MPa，樁直徑為0.5m，樁間距為1.2m，正三角形布置，試計(jì)算攪拌樁復(fù)合土層的壓縮變形。(3)壁狀水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)計(jì)算壁狀加固體是由相鄰攪拌樁搭接而成，采用這種形式形成的水泥土擋墻可用于防止碼頭滑動(dòng)、保護(hù)深基坑邊坡的穩(wěn)定等工程中。水泥土擋墻計(jì)算主要包括抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、整體穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗?jié)B驗(yàn)算、抗隆起驗(yàn)算等內(nèi)容。

①

土壓力計(jì)算墻后主動(dòng)土壓力計(jì)算：墻前被動(dòng)土壓力計(jì)算：②抗傾覆驗(yàn)算水泥土擋墻抗傾覆穩(wěn)定性按下式驗(yàn)算：

④整體穩(wěn)定性驗(yàn)算水泥土擋墻與地基整體滑動(dòng)時(shí)，一般按通過墻底的圓弧滑動(dòng)面驗(yàn)算。當(dāng)墻底以下有軟弱夾層時(shí)，按實(shí)際可能發(fā)生的非圓弧滑動(dòng)面驗(yàn)算。計(jì)算時(shí)采用圓弧滑動(dòng)簡(jiǎn)單條分法確定，整體穩(wěn)定安全系數(shù)采用總應(yīng)力法計(jì)算：

⑤

抗?jié)B流穩(wěn)定性驗(yàn)算當(dāng)?shù)叵滤畯幕滓韵孪蚧觾?nèi)滲流時(shí)，若其水力坡降大于滲流出口處土顆粒的臨界水力坡降，將產(chǎn)生基底滲流失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)上部為不透水層，坑底下某深度處有承壓水層（圖7-17）時(shí)，基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性可按下式驗(yàn)算：⑥

抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算

在軟弱的粘土層內(nèi)，由于基坑開挖卸載作用，導(dǎo)致墻后土體及基坑土體向基坑內(nèi)移動(dòng)，促使坑底向上隆起，出現(xiàn)塑性流動(dòng)和涌土現(xiàn)象。因此，應(yīng)驗(yàn)算坑底土抗隆起穩(wěn)定性。支護(hù)樁、墻端以下土體向上隆起，可按下式計(jì)算（圖7-18）：

5.施工方法

(1)施工機(jī)具深層攪拌機(jī)械按固化劑的狀態(tài)不同分為漿液深層攪拌機(jī)和粉體噴射深層攪拌機(jī)，根據(jù)攪拌軸數(shù)分為單軸和多軸深層攪拌機(jī)。

(2)施工前準(zhǔn)備①場(chǎng)地準(zhǔn)備水泥土攪拌法施工現(xiàn)場(chǎng)事先應(yīng)予平整，必須清除地上和地下的障礙物。②工藝性試樁水泥土攪拌樁施工前應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行工藝性試樁，數(shù)量不得少于2根。

③

設(shè)備檢查調(diào)試

1)漿液深層攪拌施工前應(yīng)確定灰漿泵輸漿量、灰漿經(jīng)輸漿管到達(dá)攪拌機(jī)噴漿口的時(shí)間和起吊設(shè)備提升速度等施工參數(shù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求通過工藝性成樁試驗(yàn)確定施工工藝。

2)噴粉施工前應(yīng)仔細(xì)檢查攪拌機(jī)械、供粉泵、送氣(粉)管路、接頭和閥門的密封性、可靠性。運(yùn)氣(粉)管路的長(zhǎng)度不宜大于60m。

(3)施工步驟水泥土攪拌法的施工步驟由于濕法和干法的施工設(shè)備不同而略有差異。其主要步驟應(yīng)為：①攪拌機(jī)械就位、調(diào)平，施工中應(yīng)保持?jǐn)嚢铏C(jī)底盤的水平和導(dǎo)向架的豎直，攪拌樁的垂直度偏差不得超過1％，樁位的偏差不得大于50mm，成樁直徑和樁長(zhǎng)不得小于設(shè)計(jì)值。②預(yù)攪下沉至設(shè)計(jì)加固深度；③邊噴漿(粉)、邊攪拌提升直至預(yù)定的停漿(灰)面；④重復(fù)攪拌下沉至設(shè)計(jì)加固深度；⑤根據(jù)設(shè)計(jì)要求