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1、水泥土搅拌桩法,5.6.1 概述,5.6.2 加固机理,5.6.5 水泥土搅拌桩的设计,5.6.3 水泥土搅拌桩的特点,5.6.4 水泥土搅拌桩的施工,5.6.1 概述1.定义:水泥土搅拌桩法是以水泥等材料作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，将固化剂(浆体或粉体)和地基土强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体的地基处理方法。2.适用于：正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土地基。3.分类：水泥土搅桩拌法分为深层搅拌法(简称湿法)和粉体喷搅法(简称干法)。,深层搅拌法：利用水泥（或石灰）作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在一定
2、的深度范围内把地基土与水泥（或其他固化剂）强行搅拌，固化后形成具有水稳定性和足够强度的水泥土，制成桩体、块体和墙体等加固体，并与地基土共同作用，提高地基的承载力，改善地基变形特性的一种地基处理方法，称为深层搅拌法，简称为CDM法。,深层搅拌法的发展历史：20世纪40年代首创于美国，国内于1977年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院研制，1978年生产出第一台深层搅拌机，并于1980年在上海宝山钢铁总厂软基加固中获得成功。,深基坑围护水泥搅拌桩机,深层搅拌桩施工现场,支护结构水泥土墙,支护结构水泥土墙,支护结构水泥土墙,支护结构水泥土墙,3.1 水泥土 的 形成,水泥土搅拌桩的应用地基加
3、固,a)柱状布置；b)壁状布置；c)格栅状布置；d)块状布置,建筑物的地基加固，常采用桩型水泥土加固体，荷载不大时，可用单轴单桩体，较大时用双轴桩体，平面上按基础的形状均匀布置；如基础面积大，对地基均匀沉降要求高，应按格室形或墙体型布置水泥土加固体。,地基加固,粉体喷射搅拌法（DJM）：简称为粉喷（干喷）法，这是在软土地基中，通过粉喷机械把加固材料（石灰或水泥）的粉料，用气体喷射到地基中并与土搅拌混合，使粉喷料与地基土发生化学作用，形成具有一定强度、水稳定性的加固体，应用于地基加固。,注：当地基土的天然含水率小于30%(黄土含水率小于25%)、大于70%或地下水的pH 值小于4 时不宜采用干法
4、。4.应用：水泥土搅拌桩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。,5.6.2 加固机理,水泥土搅拌法加固机理包括对天然地基土的加固硬化机理(微观机理)和形成复合地基以加固地基土、提高地基土强度、减少沉降量的机理(宏观机理)。1.水泥土硬化机理(微观机理)当水泥浆与土搅拌后，水泥颗粒表面的矿物很快与黏土中的水发生水解和水化反应，在颗粒间形成各种水化物。这些水化物有的继续硬化，形成水泥石骨料，有的则与周围具有一定活性的黏土颗粒发生反应。通过离子交换和团粒化作用使较小的土颗粒形成较大的土团粒；通过硬凝反应，逐渐生成不溶于水的稳定的结
5、晶化合物，从而使土的强度提高。,此外，水泥水化物中的游离Ca(OH)2能吸收水中和空气中的CO2，发生碳酸化反应，生成不溶于水的CaCO3，这种碳酸化反应也能使水泥土增加强度。通过以上反应，使软土硬结成具有一定整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土。,2.复合地基加固机理(宏观机理)通过特制的施工机械，在土中形成一定直径的桩体，与桩间土形成复合地基承担基础传来的荷载，可提高地基承载力和改善地基变形特性。有时，当地基土较软弱、地基承载力和变形要求较高时，也采用壁式加固，形成纵横交错的水泥土墙，形成格栅形复合地基。甚至直接将拟加固范围内土体全部进行处理，形成块式加固实体。,5.6.3 水泥土搅拌桩的
6、特点,(1)在地基加固过程中无振动、无噪声、对周围环境无污染，对软土无侧向挤压，对邻近建筑物影响很小；(2)可根据上部结构需要灵活采用柱状、壁状、格栅状和块状等多种加固形状；(3)可有效提高地基强度(当水泥掺量为8%和10%时，加固体强度分别为0.24MPa和0.65MPa，而天然软土地基强度仅0.006MPa)；(4)施工机具比较简单，施工期较短，造价低廉，效益显著。,5.6.4 水泥土搅拌桩的施工,（一）粉体喷射搅拌法(粉喷桩法),1.施工方法：通过专用的施工机械，将搅拌钻头下沉到预计孔底后，用压缩空气将固化剂（生石灰或水泥粉体材料）以雾状喷入加固部位的地基土，凭借钻头和叶片旋转使粉体加固
7、料与软土原位搅拌混合，自下而上边搅拌边喷粉，直到设计停灰标高。为保证质量，可再次将搅拌头下沉至孔底，重复搅拌。2.施工作业顺序（见下页）,粉体喷射搅拌施工作业顺序,a）搅拌机对准桩位；b）下钻；c）钻进结束 d）提升喷射搅拌 e）提升结束,3.优、缺点 优点：以粉体作为主要加固料，不需向地基注入水分，因此加固后地基土初期强度高，可以根据不同土的特性、含水量、设计要求合理选择加固材料及配合比，对于含水量较大的软土，加固效果更为显著；施工时不需高压设备，安全可靠，如严格遵守操作规程，可避免对周围环境产生污染、振动等不良影响。缺点：是于目前施工工艺的限制，加固深度不能过深，一般为8-15m。,（二）
8、深层水泥搅拌法,1.施工方法：用回转的搅拌叶将压入软土内的水泥浆与周围软土强制拌和形成水泥加固体。搅拌机由电动机、中心管、输浆管、搅拌轴和搅拌头组成，并有灰浆搅拌机、灰浆泵等配套设备。我国生产的搅拌机现有单搅头和双搅头两种，加固深度达30m形成的桩柱体直径60cm-80cm。2.施工过程（见下页）,深层搅拌法施工过程,3.优点 与粉体喷射搅拌法相比有其独特的优点：1.加固深度加深；2.由于将固化剂和原地基软土就地搅拌，因而最大限度利用了原土；3.搅拌时不会侧向挤土，环境效应较小。,5.6.5 水泥土搅拌桩的设计,1.对地质勘察的要求 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，包括：(
9、1)填土层的厚度和组成；(2)软土层的分布范围、分层情况；(3)地下水位及酸碱度(pH 值)；(4)土的含水率、塑性指数和有机质含量等。2.布桩型式的选择 布桩型式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、格栅状或块状等不同形式。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、等边三角形等布桩形式。,3.桩长和桩径的确定 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；干法的加固深度不宜大于15m
10、。水泥土搅拌桩的桩径不应小于500mm。4.地基承载力特征值 仅介绍建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）推荐的方法。,水泥土复合地基承载力特征值可按下式计算：,桩间土承载力折减系数，可取0.5-0.9；,式中：fspk、fsk分别为复合地基、桩间土承载 力特征值（kPa）；Ap 水泥土桩的截面面积；m-复合地基的面积置换率；,Ra 水泥土桩的单桩体竖向承载力特征值；有现场载荷试验确定，或取下两式计算结果的较小值；,与设计的水泥土配比相同的立方体试块(边长70.7mm 或50mm)在室内测定的无侧限抗压强度平均值(kPa)；,桩端土的天然地基承载力特征值(kPa)，按建筑地基基础设计规范
11、(GB 50072002)规定确定；,桩周土的摩阻力特征值。对淤泥可取47kPa；对淤泥质土可取612kPa；对软塑状态的黏性土可取1015kPa；对可塑状态的黏性土可取1218kPa；,折减系数，可取0.40.6；,桩身强度折减系数，干法可取0.200.30；湿法可取0.250.33。,桩周长；,5.7 高压喷射注浆法,5.7.1 高压喷射注浆法概况,5.7.2 高压喷射注浆法概念及适用性,5.7.6 设计要点,5.7.3 高压喷射注浆法的分类,5.7.4 高压喷射注浆法的特征,5.7.5 加固机理,5.7 高压喷射注浆法,5.7.1 高压喷射注浆法概况 高压喷射注浆法在20世纪60年代末期
12、创始于日本，它是将高压水泥浆通过钻杆由水平方向的喷嘴喷出，形成喷射流，以此切削土体并与土拌和形成水泥土加固体的地基处理方法。我国于1975年首先在铁道部门进行单管法的试验和应用，1977年原冶金部建筑研究总院在宝钢工程中首次应用三重管法喷射注浆获得成功，1986年该院又开发成功高压喷射注浆的新工艺干喷法。,经过多年的实践和发展，高压喷射注浆法已成为我国常用的一种施工方法，这种地基处理方法已分别列入我国两个标准：建筑地基基础工程施工质量验收规范(GB 502022002)和建筑地基处理技术规范(JGJ 791999)中。,1.概念 它是利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以20MP
13、a左右的高压将加固用浆液(一般为水泥浆)从喷嘴喷射出冲击土层，土层在高压喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下；与浆液搅拌混合，浆液凝固后，便在土中形成一个固结体。,5.7.2 高压喷射注浆法概念及适用性,2.适用性：高压喷射注浆法适用于砂类土、粘性土、湿陷性黄土、淤泥和人工填土等多种土类，加固直径(厚度)为0.5m1.5m，固结体抗压强度(325号水泥三个月龄期)加固软土为(5-10)MPa，加固砂类土为(10-20)MPa。对于砾石粒径过大，含腐殖质过多的土加固效果较差；对地下水流较大，对水泥有严重腐蚀的地基土也不宜采用。,5.7.3 高压喷射注浆法的分类,1.根据喷射流的移动方式：高压喷射
14、注浆法可分为旋转喷射(简称旋喷)、定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)三种类别。高压喷射注浆法所形成的加固体形状与喷射流的移动方式有关。,旋喷法施工时：喷嘴一边喷射一边提升并旋转，加固体呈圆柱状或圆盘状。定喷法施工时：喷嘴一边喷射一边提升，喷射的方向固定不变，加固体呈板状或壁状。摆喷法施工时：喷嘴一边喷射一边提升，喷射的方向呈较小角度来回摆动，加固体呈较厚墙状。,2.根据注浆管的类型：高压喷射注浆法又可分为单管法、双管法、三管法和多管法等四种施工方法。单管法的特点是用单层注浆管喷射，只喷射水泥浆液一种介质。由于喷射流在土中衰减快，破碎土的射程较短，成桩直径较小，一般为0.30.8m。双管
15、法的特点是用双层注浆管喷射，喷射高压水泥浆液和压缩空气，或喷射高压水泥浆液和高压水两种介质，成桩直径1.0m 左右。,多管法的特点是用多重管喷射，喷射超高压力水射流，切削破坏四周的土体，经高压水冲击下来的土和石成为泥浆后，立即用真空泵从多重管中抽出。装在喷嘴附近的超声波传感器及时测出空间的直径和形状，最后根据工程要求选用浆液、砂浆、砾石等材料进行填充。成桩直径可达4m。,三管法的特点是用三层注浆管喷射，喷射高压水流与气流复合喷射流，喷射高压水、压缩空气及高压水泥浆液三种介质由于高压水流和气流的作用，使地基中一部分土粒随着水、气排出地面，高压水泥浆流随之填充空隙。成桩直径较大，一般有1.02.0
16、m，但成桩强度较低。,5.7.4 高压喷射注浆法的特征,(1)适用范围较广。可用于既有建筑和新建建筑的地基加固，深基坑、地铁等工程的土层加固或防水。(2)适用土层较多。适用范围从淤泥、淤泥质土到碎石土，均有良好的加固效果。(3)施工简便灵活。设备较简单、轻便，机械化程度高，全套设备紧凑，体积小，机动性强，占地少，能在狭窄场地施工；操作容易，管理方便，速度快，效率高，用途广泛，成本低。(4)可控制加固体的形状和加固范围。(5)耐久性好，可用于永久性工程中。(6)环保效果好。用于已有建筑物地基加固而不扰动附近土体，施工噪声低，振动小。,1.加固机理：1）高压喷射流对土体的破坏作用 破坏土体的结构强
17、度的最主要因素是喷射动压，为了取得更大的破坏力，需要增加平均流速，也就是需要增加旋喷压力，一般要求高压脉冲泵的工作压力在20MPa以上，这样就使射流象刚体一样，冲击破坏土体，使土与浆液搅拌混合，凝固成圆柱状的固结体。,5.7.5 加固机理及其性质,喷射流在终期区域，能量衰减很大，不能直接冲击土体使土颗粒剥落，但能对有效射程的边界土产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的空隙里，使固结体与四周土紧密相依，不产生脱离现象。,2）水泥与土的固结机理 水泥与水拌合后，首先产生铝酸三钙水化物和氢氧化钙，它们可溶于水中，但溶解度不高，很快就达到饱和，这种化学反应连续不断地进行，就析出一种
18、胶质物体。这种胶质物体有一部分混在水中悬浮，后来就包围在水泥微粒的表面，形成一层胶凝薄膜。所生成的硅酸二钙水化物几乎不溶于水，只能以无定形体的胶质包围在水泥微粒的表层，另,一部分渗入水中。由水泥各种成分所生成的胶凝膜，逐渐发展起来成为胶凝体，此时表现为水泥的初凝状态，开始有胶粘的性质。此后，水泥各成分在不缺水、不干涸的情况下，继续不断地按上述水化程序发展、增强和扩大。,加固机理,就地形成：混合浆液=水泥浆(粉)+饱和软土,团粒结构：二氧化硅(土)铝(硅)酸钙盐结晶化合物:致密,充分搅拌,水硬性胶凝材料,与周围土体反应+自身水泥石骨架,胶凝颗粒悬浮液,水泥土,未被粉碎的大小土团,水稳定性整体性一
19、定强度,2.影响水泥土强度的主要因素：水泥系深层搅拌法所形成的固化土称为水泥土（水泥加固土），影响水泥土强度的主要因素有：1）水泥掺入比,水泥土的无侧限抗压强度随水泥掺入比的增大而增大。当aw5%时，由于水泥与土的固化反应过弱，对于提高地基土的强度效果不明显。工程上常用的aw约为725%。,水泥土的强度增长率在不同的掺入量区域、不同的龄期时段内是不相同的，而且原状土不同，水泥土的强度增长率也不同。,2）龄期 水泥土的无侧限抗压强度随着龄期的增长而增大，其强度增长规律不同于混凝土，一般在T28d后强度仍有较大增长。直到90d后其强度增长率逐渐变缓。所以，以龄期90天作为标准强度。,3）地基土的含
20、水量 当水泥掺入比相同时，水泥土的无侧限抗压强度随着含水量的降低而增大。含水量的降低使水泥土的密实性得到增强，从而提高了强度。4）水泥标号 水泥土的强度随水泥标号的提高而增大。在水泥掺入比相同的条件下，水泥标号每提高100号，水泥土的无侧限抗压强度约增大2030。,5）添加剂 不同的添加剂对水泥土强度有着不同的影响，选用合适的添加剂可以提高水泥土强度或节省水泥用量。在水泥系深层搅拌法中，常选用木质素磺酸钙、石膏和三乙醇胺等添加剂。添加剂对水泥土强度的影响程度可通过试验来确定。,6）土中的有机质含量 由于有机质使土壤具有较大的水容量和塑性，较大的膨胀性和低渗透性，并使土壤具有酸性，这些因素都会阻
21、碍水泥水化反应的进行，影响水泥土的固化，从而降低水泥土的强度。因此，有机质含量的增高将会明显地降低水泥土的强度。,5.7.6 设计要点,1.加固体强度和范围 高压喷射注浆形成的加固体强度和范围，应通过现场试验确定。当无现场试验资料时，可参照相似土质条件的工程经验估计。2.桩的平面布置 竖向承载旋喷桩的平面布置可根据上部结构和基础特点确定。独立基础下的桩数一般不应少于4根。3.褥垫层设置 竖向承载旋喷桩复合地基宜在基础和桩顶之间设置褥垫层，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30mm。,4.地基承载力 竖向承载旋喷桩复合地基承载力特征值应通过现场复
22、合地基荷载试验确定。当无试验资料时，按照前一节中算水泥土复合地基承载力特征值的公式来计算。,第3章 水泥土墙支护 4.1构造规定,一JGJ120-99水泥土墙有关构造规定：1格珊布置时，置换率0.8（淤泥）、0.7（淤泥质土）、0.6（一般粘性土和砂土）；格珊长宽比2。2水泥土桩搭接宽度按照挡土和截水要求确定，考虑截水要求时，搭接宽度150mm；不考虑截水要求时，搭接宽度100mm；3变形不能满足要求时，采用基坑内侧土体加固、或水泥土墙插筋加混凝土面板几家大墙体深度和宽度等措施；4采取切割搭接法施工，在前桩未固化时进行搭接桩的施工；施工开始和结束的头尾搭接，应采取加强措施，消除搭接勾缝。5施工
23、前进行成桩工艺、水泥掺入量或水泥浆配合比试验，确定工艺和配比；浆喷深层搅拌桩水泥掺入量为被加固土体重量的1518%，粉喷深层搅拌桩水泥掺入量为被加固土体重量的1316%；6高压喷射注浆施工前进行试喷，确定不同土层旋喷固结体的最小直径、高压喷射注浆施工技术参数等；水灰比宜为11.5。旋喷固结体的搭接宽度150mm、摆喷固结体的搭接宽度150mm、定喷固结体的搭接宽度200mm。7桩位偏差50mm，垂直度偏差0.5%；插筋应在桩体施工后及时进行，插筋材料、长度、出露长度根据计算和构造要求确定。,壁式水泥土挡土墙,格珊式水泥土挡土墙,常见水泥土墙截面形式,4.1构造规定,8水泥土桩施工后一周内开挖和
24、取芯检查成桩质量，不符合要求调整工艺；在设计开挖龄期钻心方法检查墙体完整性，数量不少于桩总数的2%，且不少于5根，并根据设计要求取样进行单轴抗压强度等试验。包括：抗倾覆、滑动、整体稳定、抗渗、墙体应力、位移等,倾覆破坏：墙体宽度、深度不足；地面堆载过大、车辆频繁行使等可引起。,地基整体破坏：基坑开挖深度大，基底土质软弱时，地面堆载过大、车辆频繁行使等可引起地基土与挡土墙一起滑动。伴随地面大量下陷、坑底隆起、主体桩基础位移等。,墙趾外移破坏：墙体插入深度不足，坑底土质太软或流砂、管涌等削弱，可引起。,另外：墙体应力破坏：拉裂或压屈,4.2水泥土墙支护设计,包括：抗倾覆、滑动、整体稳定、抗渗、墙体
25、应力、位移等一经验数据：宽度b=（0.60.8）h；插入深度hd=（0.81.2）h二JGJ120-99水泥土墙整体稳定性验算,确定入土深度hd：圆弧简单条分法确定入土深度；入土深度同时要满足抗渗要求。当按照整体稳定性要求和抗渗要求确定的入土深度小于0.4h时，取0.4h。,1、抗滑移,2、抗倾覆,3、地基承载力验算,4、抗隆起,5、抗管涌,即hd,即hd,地表如果有均布超载，将超载折算成土柱高度q/简单处理：基坑深度h=基坑实际开挖深度+折算土柱高度q/对于坑底土质较差的非均质土基坑，为偏于安全和简单，另外，坑底土在稳定分析时贡献较大，因此，可按照坑底较差的软土参数计算。,当计算的嵌固深度小
26、于0.3h时，取0.3h,此表数据的基坑整体稳定安全系数K取1.3，如果要求K更高，按类似方法可查：黄强，建筑基坑支护技术应用手册，中国建筑工业出版社，1999，P196216,4.2水泥土墙支护设计,三JGJ120-99水泥土墙抗渗验算：hd1.2o(h-hwa)四JGJ120-99水泥土墙墙体厚度b验算：一定要在入土深度确定之后进行；当计算宽度小于0,4h时，取0.4h。同时还要满足墙体应力验算要求，不满足时，加大墙体宽度。,注意：JGJ120-99土压力模式是坑底以上为三角形、坑底以下为矩形模式；这种模式可能不符合沿海软土地区水泥土挡土墙土压力测试结果和室内模型试验结果。按照郎金公式或静
27、止土压力计算土压力可能更符合软土水泥土墙土压力模式。因此，手算时，最好按照重力式挡土墙模型和当地土压力模式，先根据经验确定墙体尺寸和其他参数，然后再进行整体稳定性、抗倾覆、抗滑动、隆起、墙体应力、渗透稳定等核算，满足要求时说明经验墙体设计参数满足要求；否则，调整各参数，再核算，直至都满足要求。,水泥土厚度按抗倾覆条件确定,坑底为砂土和碎石土,hwa),倾覆力矩乘系数,重力力矩浮力力矩,讨论：向上的浮力为倾覆力，是否也应该乘以一个系数1.20？,b,坑底为粘性土和粉土,不考虑水的影响自己推导公式,4.2水泥土墙支护设计,五JGJ120-99水泥土墙墙体应力验算：不满足要求时应加大墙体宽度。,4.
28、3水泥土墙位移控制措施,一墙体加墩或墙体起拱：基坑边长较大时，采用墙体加墩或墙体起拱1间隔布置：每隔1020m设置一个长度35m，宽度12m的加强格珊墩。2集中布置：基坑长边集中布置一个加强墩；设计时，不计其有利作用，水泥土墙宽度仍按照未加墩考虑。,4.3水泥土墙位移控制措施,二墙顶插筋压顶：墙顶插入毛竹、钢管。插入形式通常有：1插筋：插入长度2m左右的12的钢筋，每隔桩一根，将其在桩顶与压顶面板钢筋绑扎连接；2水泥土墙后或者墙前，插入毛竹或钢管，毛竹插入坑底深度不小于1m；毛竹直径不小于40mm；毛竹插入困难，常用钢管代替，效果更好。,4.3水泥土墙位移控制措施,三坑底加固：注浆、搅拌桩（+桩间压密注浆）加固坑底。较小基坑可满堂布置；较大基坑可墙前坑底加固。加固深度（0.51.0）hd；加固宽度（0.40.8）hd。加固区段可以是局部，也可以是全部基坑。具体视坑底土质条件、周边环境、经济性决定。,即hd,四复合支护：常用：1土钉+搅拌桩；2搅拌桩+微型桩3搅拌桩+（预应力）锚杆,
