kAAA010水泥土攪拌樁

10水泥土攪拌法國內(nèi)攪拌樁

SMW（SoilMixingWall）工法施工

SMW（SoilMixingWall）工法施工水泥土攪拌法

深層攪拌法是利用水泥（或石灰等）作為固化劑，通過特制的深層攪拌機械，在一定深度范圍內(nèi)把土體與水泥（或其他固化劑）強行拌和固化形成具有水穩(wěn)性和足夠強度的水泥土，制成樁體、塊體和墻體等，并與原地基土共同作用，提高承載力，或提高防水性的一種地基處理技術(shù)。此法20世紀(jì)40年代首創(chuàng)于美國，70年代日本作了進一步發(fā)展，70年代末傳人我國，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于房屋建筑、油罐、堤壩、深基坑、盾構(gòu)法隧道、高速公路軟基處理等工程。水泥攪拌樁干噴——粉噴樁（dryjetmixing(DJM)）濕噴——深層攪拌樁深層攪拌法中常用的固化劑有：

(1)水泥類：普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥。

(2)石灰類：生石灰、消石灰；

(3)瀝青類：地瀝青、瀝青乳劑；

(4)化學(xué)材料類：水玻璃、氯化鈣、尿素樹脂、丙稀酸鹽等。而對于深層攪拌樁最常用的固化劑是水泥。因此，僅對深層水泥攪拌樁的加固原理、計算方法、施工技術(shù)等作一闡述。一、適用范圍

1、適用土質(zhì)深層攪拌法最適合加固飽和軟粘土。國外使用深層攪拌法加固的土質(zhì)有新吹填的超軟土、沼澤地帶的泥炭土、沉積的粉土和淤泥質(zhì)土等。國內(nèi)常用于加固淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土和含水量較高且地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不大于120kPa的粘性土等。以水泥為固化劑加固土體的效果與土的礦物成分有關(guān)。一般認(rèn)為含有較高嶺石、多水高嶺石、蒙脫石等粘土礦物的軟土加固效果較好；而含有伊利石、氯化物和水鋁石英等礦物的粘性土以及有機質(zhì)含量高、酸堿度較低的粘性土加固效果較差。

2、加固深度深層攪拌法的加固深度取決于施工機械的功率。日本海上攪拌加固軟土的深度已達到60m；國內(nèi)目前在陸地的加固深度已達27m，在海上的加固深度為21.8m。3、優(yōu)點（1）就地攪拌，利用原位土（2）不會側(cè)向擠出，對周邊建筑影響?。?）設(shè)計靈活（4）施工無振動、無噪聲、無污染（5）加固后重度不變，不產(chǎn)生附加沉降（6）省材，造價低（7）靈活采用各種形式4、適用工程（1）作為建筑物或構(gòu)筑物的地基、廠房內(nèi)具有地面荷載的地坪、高填方路堤下基層等。（2）進行大面積地基加固。（3）作為地下防滲墻以阻止地下滲透水流。二、加固原理軟土與水泥通過深層攪拌形成水泥土，加固機理基于水泥土的物理化學(xué)反應(yīng)。水泥土的硬化機理與混凝土有所不同，混凝土的硬化作用速度較快，而水泥土中，水泥摻量很?。ㄕ急患庸掏林氐?%～20%），水泥水解和水化反應(yīng)在土的圍繞下進行，土質(zhì)條件對攪拌樁樁身質(zhì)量的影響主要有兩個方面，一是土體的物理力學(xué)性質(zhì)對攪拌樁樁身水泥土攪拌均勻性的影響；二是土體的物理化學(xué)性質(zhì)對樁身水泥土強度增加的影響。因此水泥土硬化速度緩慢且作用復(fù)雜，所以水泥加固土強度增長的過程也比混凝土緩慢。水泥土形成機理水泥土形成機理為：普通硅酸鹽水泥主要由CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3等成分組成。水泥與粘土混合后與土中水產(chǎn)生水化和水解作用，首先生成氫氧化鈣和含水硅酸鈣。兩者能迅速溶解于水，逐漸使土中水飽和形成膠體，使水泥顆粒表面重新露出，再與水發(fā)生反應(yīng)形成水化物。當(dāng)水泥的各種水化物形成后，有的自身繼續(xù)硬化，形成水泥石骨架；有的則與周圍具有一定活性的粘土顆粒發(fā)生反應(yīng)。最終形成水泥土。另外，攪拌質(zhì)量對水泥土的強度影響較大，攪拌越充分、土團粉碎得越細(xì)，水泥在土中得分布越均勻，則水泥土強度越大。攪拌樁加固機理1、水泥的水解和水化反應(yīng)碳酸三鈣硅酸二鈣鋁酸三鈣鐵鋁酸四鈣硫酸鈣(1)硅酸三鈣（3CaO·SiO2）：在水泥中含量最高（約占全重的50％左右），是決定強度的主要因素。2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2(2)硅酸二鈣（2CaO·SiO2）：在水泥中含量較高（約占全重的25％左右），它主要產(chǎn)生后期強度。2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2(3)鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）：占水泥重量的10％，水化速度最快，促進早凝。3CaO·Al2O3+12H2O+Ca(OH)2→3CaO·Al2O3·Ca(OH)2·12H2O(4)鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）：占水泥重量的10％，能促進早期強度。4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O（5）硫酸鈣3CaSO4+3CaO·A12O3+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O水化速度水泥礦物的水化強度2、粘土顆粒與水泥水化物的作用（1）離子交換和團粒化作用軟土作為一個多相散布系，當(dāng)它和水結(jié)合時就表現(xiàn)出一般的膠體特征，例如土中含量最多的二氧化硅遇水后，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鈣離子Ca2+進行當(dāng)量吸附交換，使較小的土顆粒形成較大的土團粒，從而使土體強度提高。水泥水化生成的凝膠粒子的比表面積比原水泥顆粒大1000倍，因而產(chǎn)生很大的表面能，有強烈的吸附活性，能使較大的土團粒進一步結(jié)合起來，形成水泥土的團粒結(jié)構(gòu)，并封閉各土團之間的空隙，形成堅固的聯(lián)結(jié)。從宏觀上來看也就是使水泥土的強度大大提高。（2）凝硬反應(yīng)

隨水泥水化反應(yīng)的深入，溶液中析出大量的鈣離子，當(dāng)其數(shù)量超過上述離子交換的需要量后，則在堿性的環(huán)境中，能使組成粘土礦物的二氧化硅及三氧化二鋁的一部分或大部分與鈣離子進行化學(xué)反應(yīng)。隨著反應(yīng)的深入，逐漸生成不溶于水的穩(wěn)定的結(jié)晶化合物

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。Ca(OH)2+CO2→CaCO3++H2O水泥水泥水泥系材料三、水泥土的物理力學(xué)性質(zhì)（一）物理性質(zhì)（1）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。土的天然重度γ0（kN/m3）水泥摻入比aw（％）水泥土得重度γ（kN/m3）（γ-γ0）/γ0×100%17.1517.180.5%717.220.7%1017.291.1%1217.381.6%1517.411.8%17.1717.250.6%1517.441.7%2017.441.7%17.1517.31.1%1517.52.3%2517.62.9%土的天然比重水泥摻入比aw（％）水泥土的比重（γ-γ0）/γ0×100%2.70652.7080.1%102.7120.2%152.7361.1%202.7682.3%252.7812.8%（2）比重由于水泥的比重比一般軟土（2.65～2.75）大，故水泥土的比重也比天然土的大。由表可見，盡管水泥摻入比為25％時，水泥土的比重也僅比天然軟土增加3％。（3）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，如表所示試驗結(jié)果，水泥土含水量比原土樣的含水量減少0.5%～7.0%，且隨著水泥摻入比的增加而減小。土樣含水量w0％水泥摻入比aw（％）水灰比水泥土含水量w％含水量減少量w0-w％46.630.541.05.6541.84.8741.94.71041.25.41540.46.22039.47.25050.549.60.4748.91.11047.72.31246.93.11546.13.9（4）滲透性水泥土被用作深基坑開挖和大壩用的防水帳幕、垃圾處理場的防滲處理等工程時，其低滲透性起了重要作用。影響水泥土滲透性的因素與影響水泥土強度的因素相類似。Nagarajetal.和Yamadera在研究原狀土和水泥土（摻入比5％）的滲透性和壓縮性時，得到當(dāng)它們具有孔隙比相同時，盡管壓縮性差別很大，但它們的滲透性相差不大的結(jié)論。Okumura以及Suzuki等通過大量的試驗，得到水泥土的滲透性隨含水量減小而降低，隨水泥用量增大而降低的結(jié)論，并且得到當(dāng)水泥用量達到15％～20％時，水泥土的滲透系數(shù)比原狀土小二到三個數(shù)量級。原狀土滲透系數(shù)k0(cm/s)水泥摻入比aw（％）水泥土滲透系數(shù)k(cm/s)齡期t（d）5.16×10-571.01×10-5107.25×10-6153.97×10-6208.92×10-72.53×10-678.30×10-7104.83×10-7152.09×10-7201.17×10-7（二）力學(xué)性質(zhì)1、無側(cè)限抗壓強度水泥土的無側(cè)限抗壓強度一般為300～4000kPa，即比天然軟土大幾十倍至數(shù)百倍。表2-5為水泥土90d齡期的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果。其變形特征隨強度不同而介于脆性體與彈塑性體之間，水泥土受力開始階段，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系基本上符合虎克定律。當(dāng)外力達到極限強度的70%～80%時，試塊的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系不再繼續(xù)保持直線關(guān)系，當(dāng)外力達到極限強度時，對于強度大于2000kPa的水泥土很快出現(xiàn)脆性破壞，破壞后殘余強度很小，此時的軸向應(yīng)變約為0.8%～1.2%天然土的無側(cè)限抗壓強度fcu0/MPa水泥摻入比aw（％）水泥土的無側(cè)限抗壓強度fcu/MPa齡期t/dfcu/fcu00.03750.266907.270.5609015.1101.1249030.4121.5209041.1152.2709061.3影響因素水泥摻入比經(jīng)過對上海地區(qū)水泥加固飽和軟粘土的無側(cè)限抗壓強度的大量試驗數(shù)據(jù)的分類數(shù)理統(tǒng)計，得到兩者呈冪函數(shù)關(guān)系，其經(jīng)驗方程式為式中

fcu1——水泥摻入比為aw1的無側(cè)限抗壓強度；fcu2——水泥摻入比為aw2的無側(cè)限抗壓強度；上式的適用條件是：aw=5%～20%。；aw1/aw2=0.33～3.00。

②水泥標(biāo)號水泥土的強度隨水泥標(biāo)號的提高而增加。一般說來，水泥標(biāo)號提高100號，水泥土的強度fcu約增大50%～90%。如要求達到相同強度，水泥標(biāo)號提高100號，可降低水泥摻入比2%～3%。表2-6為水泥標(biāo)號對水泥土的影響試驗結(jié)果[3]。水泥標(biāo)號對水泥土強度的影響（引自劉建軍，1992）表2-6水泥摻入比aw(%)71015水泥標(biāo)號425#525#425#525#425#525#無側(cè)限抗壓強度(90d)fcu(MPa)0.5601.0961.1241.7902.2703.485fcu,525/fcu,4251.951.591.53③水泥種類核工業(yè)部第四勘察院與同濟大學(xué)在同一種淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(w＝36.4％，e＝1.03)中選用同一水泥摻入比(21％)，對32.5級礦渣水泥、32.5級鋼渣水泥、42.5級普通硅酸鹽水泥、52.5級波特蘭水泥作為對比試驗。從圖中可以看出32.5級礦渣水泥和鋼渣水泥的水泥土無側(cè)限抗壓強度fcu要大于后兩者，其原因可能是水泥中的礦渣、鋼渣和粘粒水化反應(yīng)的緣故。④齡期水泥土的強度隨著齡期的增長而提高，一般在齡期超過28d后仍有明顯增長見圖2-12。根據(jù)試驗及上海地區(qū)水泥加固飽和軟粘土的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果的回歸分析，得到在其它條件相同時，不同齡期的水泥土無側(cè)限抗壓強度間關(guān)系大致呈線性關(guān)系見圖2-13，這些關(guān)系如下[26]：fcu7=(0.47～0.63)fcu28

（2-10）fcu14=(0.62～0.80)fcu28(2-11)

fcu60=(1.15～1.46)fcu28(2-12)fcu90=(1.43～1.80)fcu28(2-13)fcu90=(2.37～3.73)fcu7

（2-14)fcu90=(1.73～2.82)fcu14(2-15)上式中fcu7、fcu28、fcu28、fcu28、fcu90分別為7d、14d、28d、60d和90d齡期的水泥土無側(cè)限抗壓強度。當(dāng)齡期超過3個月后，水泥土的強度增長才減緩。同樣，據(jù)電子顯微鏡觀察，水泥和土的硬凝反應(yīng)約需3個月才能充分完成。因此水泥土選用3個月齡期強度作為水泥土的標(biāo)準(zhǔn)強度較為適宜。一般情況下，齡期少于3d的水泥土強度與標(biāo)準(zhǔn)強度間關(guān)系其線性較差，離散性較大。⑥外摻劑不同的外摻劑對水泥土強度有著不同的影響。如木質(zhì)素磺酸鈣對水泥土強度的增長影響不大，主要起減水作用。石膏、三乙醇胺對水泥土強度有增強作用，而其增強效果對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提高水泥土強度和節(jié)約水泥用量。⑦養(yǎng)護溫度國內(nèi)外試驗資料都說明，溫度對短齡期水泥土強度的影響很大，Kawasaki等研究了溫度在10℃～50℃變化時，溫度對水泥含量分別為20％和30％的水泥土加固強度的影響，見圖。從圖中可以看出，溫度高時，水泥與土的反應(yīng)加快，故前期強度增長率大。但是日本的試驗研究也表明，溫度對水泥土強度的影響隨著時間的增長而減小，如圖所示，不同養(yǎng)護溫度下的無側(cè)限抗壓強度與20℃(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室溫度)的無側(cè)限抗壓強度之比值隨著時間的增長而逐漸趨近于1，說明溫度對水泥土后期強度的影響較小。⑧

pH值

研究表明，水泥在pH值較高的條件下，有利于土壤顆粒中的硅酸鹽和鋁酸鹽的溶解性，加快了水化反應(yīng)的進行。但是當(dāng)加固土的pH<12.6時，水化反應(yīng)的主要生成物水化硅酸三鈣會產(chǎn)生逆向反應(yīng)見式2-17,這樣大大降低水泥土的強度[29]。

3CaO·2SiO2·xH2O→3CaO·2SiO2·xH2O+Ca(OH)2(C3S2HX)(Hydratedgel)⑨粘粒含量

MasaakiGotoh研究了土性即含水量、pH值、燒失量、粘粒含量對水泥土強度的影響，得到了粘粒含量越高，其加固強度越低。Woo認(rèn)為土的塑限增大或者粘粒含量增大，水泥的加固效果也越差。圖為某一水泥摻量時，細(xì)粒土含量對抗壓強度的影響。2、抗拉強度3、抗剪強度4、變形模量5、壓縮系數(shù)和壓縮模量（三）水泥土抗凍性能四、設(shè)計計算（一）水泥土攪拌樁設(shè)計要求1、對地質(zhì)勘察的要求2、加固形式的選擇（柱狀、壁狀、塊狀）3、加固范圍的確定四、設(shè)計計算（二）水泥土攪拌樁的計算1、樁狀加固地基（1）單樁承載力的設(shè)計計算（2）復(fù)合地基承載力計算四、設(shè)計計算（二）水泥土攪拌樁的計算1、樁狀加固地基（1）單樁承載力的設(shè)計計算（2）復(fù)合地基承載力計算攪拌樁總數(shù)和置換率計算：討論水泥土的配比設(shè)計。

1、水泥土的配比設(shè)計水泥系固化劑主要為不同品種、不同標(biāo)號的普通硅酸接水泥、礦碴水泥和火山灰水泥以及為加固特殊土類而摻入的活性材料，石膏和堿性添加劑配制而成的特種水泥。對一船含水量不大的淤泥質(zhì)粘土，常用標(biāo)號為425～525的普通硅酸鹽水泥，它的活性較好，早期和后期的強度較穩(wěn)定。礦碴水泥制成的水泥土，強度較前者高，但不穩(wěn)定，需視土的具體成分，適當(dāng)添加外加劑，才能取得良好的效果。對含水量較高、有機質(zhì)含量較大或特殊成分的土類則采用特殊配方的特種水泥。外加劑一般為：石膏、二乙醇胺、氯化鈉，硫酸鈉等早強劑和木質(zhì)素磺酸鈣等減水劑。主要的作用是增加水泥土的早強、緩凝和減水，促進水泥土強度的進一步提高。增強劑為粉煤灰和磷石膏等，配置適量的增強劑可明顯提高水泥土的強度。對于含有機質(zhì)的土類，摻入20％左右水泥量的磷石膏，可明顯地提高水泥土的強度。水泥系固化劑、外加劑和增強劑三者按一定配比和地基土有機的配合才能形成一定強度和變形性質(zhì)的水泥土。它的強度大小變化的規(guī)律與以下影響因素有關(guān)：

(1)水泥摻合量：以摻入比表示：式中

－每立方土中摻加的水泥量，kg/m3；

－地基土的天然密度，kg/m3。＜5％時，對于提高地基土的強度不明顯；＞5％時，其強度開始逐漸增大。工程上常用的約為7～20%，對特殊土＞15％。對粘性土＝100～300kg/m3；對砂類土＝(150～350)％；＝250～500kg/m3。水泥土的無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻入比的增大而增大，當(dāng)對含水量較大或有機質(zhì)含量較高的土(2)齡期：水泥土的無側(cè)限抗壓強度隨著齡期的增長而增大，齡期28天的強度僅達到最大強度的75％；90天后其強度增大率逐漸變緩。所以，以齡期90天的強度作為標(biāo)淮強度較為適宜。

(3)水泥標(biāo)號對水泥土強度的影響水泥土的抗壓強度隨水泥標(biāo)號的提高而增加，水泥標(biāo)號每提高100號，水泥土的強度約增大20%～30%。(4)地基土的含水量和有機質(zhì)含量：隨著地基土含水量增大，攪拌后水泥土的無側(cè)限抗壓強度逐漸降低，甚至不硬化。土中有機質(zhì)含量的增大，水泥土的無側(cè)限抗壓強度明顯降低或不能制成硬化的水泥土。所以，對于這類土需添加減水劑和增強劑，選擇適當(dāng)?shù)乃嗯浜媳?，并通過現(xiàn)場試驗確定。(5)外摻劑對強度的影響：不同的外摻劑對水泥土強度有著不同的影響，例如木質(zhì)素璜酸鈣對水泥土強度增長影響不大，主要起減水作用。石膏、三乙醇胺對水泥土強度有增強作用，而其增強效果對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度或節(jié)省水泥用量。(6)粉煤灰對水泥土強度的影響：粉煤灰濕一種工業(yè)廢料，具有一定的活性，摻加粉煤灰的水泥土，其強度一般都比不摻粉煤灰的有所增長。不同水泥摻入比，當(dāng)摻入與水泥等量的粉煤灰后，強度均比不摻粉煤灰的提高10%，因此采用深層攪拌法加固軟土?xí)r摻入粉煤灰，不僅可消耗工業(yè)廢料，還可以提高水泥土的強度。(7)攪拌的條件和環(huán)境的影響：室內(nèi)試驗和現(xiàn)場攪拌的條件和環(huán)境不同，所以，在同一配比條件下，兩者所得的無側(cè)限抗壓強度的大小也是不同的，前者稱為試驗強度qul后者為設(shè)計中采用的標(biāo)準(zhǔn)強度quck，兩者的關(guān)系，按一般經(jīng)驗為：五、施工技術(shù)選擇合適的施工工藝對于保證水泥土的設(shè)計強度具有較大的重要性。如果工藝不合適，往往造成只攪拌不噴漿；只轉(zhuǎn)動不攪拌、土體呈同心圓轉(zhuǎn)動等現(xiàn)象，其后果是泥漿、泥塊、水泥漿分離不混和，上下不均，強度不勻、總強度極低。因此，對不同深度、不同土類的攪拌樁應(yīng)分別采用不同的工藝和流程。主要的問題選用適合的攪拌機功率，攪拌頭的類型，攪拌的流程。對于打人深度在10～15m左右的攪拌樁，攪拌的功率可用35～45kW和一般攪拌頭即可。對于深度達到20m的攪拌樁、且又要求水泥土具有較高的強度，攪拌機的功率相應(yīng)要增大到55～60kW，攪拌頭的直徑和噴漿壓力也要相應(yīng)增大。1、攪拌機械2、施工順序施工注意事項見p252。六、施工質(zhì)量控制和檢驗（一）施工質(zhì)量控制

1.保證樁體的垂直度為使攪拌樁基本垂直于地面，要特別注意深層攪拌機的平整度和導(dǎo)向架對地面的垂直度，應(yīng)控制機械的垂直度偏斜不超過1%。

2.保證樁位準(zhǔn)確度布樁位置與設(shè)計誤差不得大于2cm，而成樁樁位偏差不應(yīng)超過5cm。

3.水泥應(yīng)符合要求對于噴漿攪拌工藝所使用的水泥漿要嚴(yán)格按設(shè)計的配合比拌制，制備好的水泥漿不得有離析現(xiàn)象，停置時間不宜過長。為防止水泥漿發(fā)生離析，應(yīng)將水泥漿留在灰漿拌制機中進行不斷攪動，直至送漿前才緩慢倒入集料斗中。對停置時間超過2小時的水泥漿應(yīng)降低標(biāo)號使用。對于粉噴攪拌樁所使用的水泥粉要嚴(yán)格控制入貯灰罐的含水量，嚴(yán)禁受潮結(jié)塊。不同水泥不得混用。4.確保攪拌施工的均勻性

(1)攪拌機械預(yù)攪下沉?xí)r應(yīng)使土體充分?jǐn)囁?。對遇到硬土，攪拌機下沉速度過慢時，對于噴漿攪拌可采用沖水下沉，但在噴漿提升前必須將輸漿管中的存水排凈。

(2)嚴(yán)格按設(shè)計確定的參數(shù)控制水泥漿(粉)的噴出量和攪拌提升速度。水泥的供應(yīng)量必須連續(xù)；一旦因故中斷，必須將攪拌頭下沉到停漿(粉)面以下0