地基处理-化学加固法.ppt

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1、地基处理化学加固法,主讲人：崔德山2010年12月23日星期四,包括,一、水泥土搅拌法二、高压喷射注浆法三、灌浆法,一、水泥土搅拌法,水泥土搅拌法是利用水泥（或石灰）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土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水泥加固土，从而提高地基土强度和增大变形模量的地基处理方法。,水泥土搅拌法分为,水泥浆搅拌 粉体喷射搅拌 前者是用水泥浆和地基土搅拌，后者是用水泥粉或石灰粉和地基土搅拌。,水泥土搅拌法适用于,处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及

2、无流动地下水的饱和松散砂土等地基。当地基土的天然含水量小于 30(黄土含水量小于 25)、大于70或地下水的 pH 值小于 4 时不宜采用干法。冬季施工时，应注意负温对处理效果的影响。,水泥浆搅拌法是,美国在第二次世界大战后研制成功的，称之为就地搅拌法（MixedinPlace Pile)。这种方法是从不断回旋的中空轴端部向周围已被搅松的土中喷出水泥浆，经叶片搅拌而形成水泥土桩，桩径 0.30.4m，长度 1012m。,桩径 0.30.4m，长度 1012m。,粉体喷射搅拌法,粉体喷射搅拌法（Dry Jet Mixing Method）由瑞典人 Kjeld Paus于 1967年提出设想，该设

3、想为使用石灰搅拌桩加固 15m 深度范围内软土地基。并于 1971 年现场制成第一根用生石灰和软土搅拌制成的桩。,适用性,由于粉体喷射搅拌法采用粉体作为固化剂，不再向地基注入附加水分，反而能充分吸收周围软土中的水分，因此加固后地基的初期强度高，对含水量高的软土加固效果尤为显著。当水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数大于25 的粘土或地下水具有腐蚀性时以及无工程经验的地区，必须通过现场试验确定其适用性。,上海大学土木工程系地基处理研究所,优点,(1)水泥土搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度地利用了原土；(2)搅拌时无振动、无噪音和无污染，可在市区内和密集建筑群中进

4、行施工；(3)搅拌时不会使地基侧向挤出，所以对周围原有建筑物及地下沟管影响很小；(4)水泥土搅拌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)根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式；,基坑工程围护挡墙,水泥加固土的室内试验表明,有些软土的加固效果较好，而有的不够理想。一般认为含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好而含有伊利石、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机质含量高、酸碱度（pH 值）较低的粘性土加固效果较差。,水泥土的固化原理,一、水泥的水解和水化反应 二、离子交换和团粒

5、化作用 三、水泥的凝结与硬化 四、碳酸化作用,一、水泥的水解和水化反应,当用于处理软土时，由不同的氧化物分别形成了不同的水泥矿物：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。用水泥加固软土时，水泥颗粒表面矿物很快与土中的水发生水解和水化作用。,二、离子交换和团粒化作用,软粘土中粒径小于 0.005mm的颗粒较多，它是一种多相散布体，当它和水结合时，组成胶体分散系，表现出一种胶体特征。如粘土中含量最多的二氧化硅(SiO2)遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带有钠离子(Na+)或钾离子(K+)，它们形成的扩散层较厚，土颗粒距离也较大。它们能和水泥水化生成的氢氧化钙Ca(OH)2中的钙离子(C

6、a2+)进行当量吸附交换，这种离子当量交换，使土颗粒表面吸附的钙离子所形成的扩散层减薄，大量较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度提高。水泥水化后生成的凝胶离子的比表面积约比原水泥颗粒大 1000 倍，因而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团颗粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团之间的空隙，形成坚固的联结。,三、水泥的凝结与硬化,水泥的凝结与硬化是同一个过程的不同阶段。凝结标志着水泥浆失去流动性而具有一定的塑性强度；硬化则表示水泥浆固化所建立的结果具有一定的机械强度的过程。,水泥的水化反应,开始处在碱性的氢氧化钙、硫酸钙的饱和溶液环境中，随着水泥水化反应的深

7、入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交换的需要量时，在碱性环境中，钙离子能使粘土矿物中的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分参与化学反应，并逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物。这些化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。而且由于其结构比较致密，水分不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。,四、碳酸化作用,水泥系固化剂的固化原理,以上为普通硅酸盐水泥的固化原理。如果使用水泥系固化材料，则因为水泥系固化材料中除水泥外尚加入了火山灰材料或无机化合物，其固化原理除了水泥的固化外，火山灰掺料(粉煤灰，高炉水淬炉渣等)及无机化合物(硫酸钙等)通过火山灰反应可以生成各种水化物，如硫酸铝酸

8、钙、钙矾石、碳酸铝酸钙等。这些水化物有助于水泥土的强度增长。,从水泥加固土的机理分析可见,对软土地基深层搅拌加固技术来说，由于机械的切削搅拌作用，实际上不可避免地会留下一些未被粉碎的大小土团。因此在水泥土中不可避免地会产生强度较大的和水稳定性较好的水泥石区和强度较低的土块区。因此可以得出定性的结论：水泥和土之间的强制搅拌越充分，土块被粉碎得越小，水泥分布到土中越均匀，则水泥土结构强度的离散性越小，其宏观的总体强度也越高。,水泥粉体喷射深层搅拌加固机理,用水泥粉体作固化剂加固基本相同，只是用水泥粉体作固化剂水化反应放热直接在地基土中，使水分蒸发和吸收水分的能力提高。,室内外试验,软土地基深层搅拌

9、加固法是基于水泥对软土的作用，而目前这项技术的发展仅经过二十余年，无论从加固机理到设计计算方法或者施工工艺均有不完善的地方，有些还处于半理论半经验的状态，因此应该特别重视水泥土的室内外试验。,水泥土的室内配合比试验,1.试验目的 进行水泥土的室内配比试验是为了达到以下目的：1)了解用水泥加固每一个工程中不同成因软土的可能性；2)了解加固各种软土最合适的水泥品种；3)了解加固某种软土所用水泥的掺入量、水灰比和最佳的外掺剂；4)了解水泥土强度增长的规律，求得龄期与强度的关系。通过这些试验可为深层搅拌法的设计计算和施工工艺提供可靠的参数。,2.试验设备 目前水泥土的室内物理力学性质试验尚未形成统一的

10、操作规程，基本上都是利用现有的土工试验仪器及砂浆混凝土试验仪器，按照土工或砂浆混凝土的试验规程进行试验。,3.土样制备 制备水泥土的土样一般分为两种 1)风干土样：将现场挖掘的原状软土经过风干、碾碎、过筛而制成；2)原状土样：将现场挖掘的天然软土立即封装在双层厚塑料袋内，基本保持天然含水量。,4.固化剂 制备水泥土的水泥可用不同品种（普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥及其他特别水泥）、各种标号的水泥、水泥掺入比可根据要求选用 720等。水泥掺入比w是指水泥重量与被加固的软土重量之比，即,5.外掺剂 为改善水泥土的性能和提高其强度，可选用木质素磺酸钙、天然石膏、三乙醇胺等外掺剂。结合工业废料处

11、理，还可掺入不同比例的粉煤灰。,6.试件的制作和养护 试模内装入一半试料，放在振动台上振动一分钟。再装入其余的试料后振动一分钟。最后将试件表面刮平，盖上塑料布防止蒸发过快。试件成型后，根据水泥土强度决定拆模时间，一般为 12天。拆模后的试件放入标准养护室进行养护，达到规定龄期即可进行各种试验。,二、试验结果,1.水泥土的物理性质 1）重度：由于拌入软土中的水泥浆的容重与软土的容重相近，所以水泥土的容重与天然软土的容重相近。因此加固部分对下部未加固部分不致产生过大的附加荷重。2）比重：由于水泥的比重（3.1）比一般软土的比重（2.652.75）大，故水泥土的比重也比天然土稍大。当水泥掺入比为 1

12、5%20%时，水泥土的比重比软土约增加 4%。,2.水泥土的力学性质 1)无侧限抗压强度及其影响因素 水泥土的无侧限抗压强度一般为 3004000kPa，即比天然软土大几十倍至数百倍。其变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑性体之间。,影响水泥土抗压强度的因素有,水泥掺入比w a5%龄期对强度的影响 水泥土强度随着龄期的增长而增大，一般在龄期超过 28 天后仍有明显增加(图)。当龄期超过三个月后，水泥土的强度增长才减缓。因此选用三个月龄期强度作为水泥土的标准强度较为适宜。,水泥土的强度随水泥标号提高而增加，水泥标号提高 100 号，水泥土的强度 约增大 20%30%。土样含水量对强度的影响 水泥

13、土的无侧限抗压强度随着土样含水量的降低而增大，当含水量从 157%降低为47%时，强度则从 260kPa增加到 2320kPa。土样中有机质含量对强度的影响,外掺剂对强度的影响 不同的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响，例如木质素磺酸钙对水泥土强度增长影响不大，主要起减水作用。粉煤灰对强度的影响 掺加粉煤灰的水泥土，其强度一般都比不掺粉煤灰的有所增长，如图。不同水泥掺入比的水泥土，当掺入与水泥等量的粉煤灰后，强度均比不掺粉煤灰的提高 10%。,2.水泥土的力学性质,2)抗拉强度3)抗剪强度4)变形模量5)压缩系数和压缩模量,深层搅拌桩的现场载荷试验,一、试验目的 1.根据水泥土室内配合比试验求得

14、的最佳配方，进行现场成桩工艺试验；2.在相同的水泥掺入比条件下，推求室内试块与现场桩身强度的关系；3.比较不同桩长与不同桩身强度的单桩承载力；4.确定桩土共同作用的复合地基承载力。,二、试验方法 1.在桩身不同部位切取试件，运回实验室内分割成与室内试块同样尺寸的现场试件，在相同龄期时比较室内外试块强度之间的关系。2.单桩与复合地基的承载力试验，一般可采用荷重平台和千斤顶分级加载，用百分表测量桩身沉降量。3.为了解复合地基的反力分布、桩土应力分担比，可在荷载板下不同部位埋设土压力盒。,三、试验结果 1.可选用二次喷浆搅拌的成桩工艺，使水泥浆同软土能均匀地拌合，并可保证到达最佳的水泥掺入比。2.由

15、搅拌桩和软土所组成的复合地基的承载力是由桩与桩间土共同承担的，当桩长为10m，加固置换率为 36的搅拌桩地基容许承载力可达 150kPa，比天然软土地基的容许承载力提高 11.5 倍。,设计计算,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。尤其是填土层的厚度和组成；软土层的分布范围、分层情况；地下水位及 pH 值；土的含水量、塑性指数和有机质含量等。设计前还应进行拟处理土的室内配比试验。为设计提供各种龄期、各种配比的强度参数。对竖向承载的水泥土桩强度宜取 90d 龄期试块的立方体抗压强度平均值；对承受水平荷载的水泥土桩强度宜取 28d 龄期试块的立方体抗压强度平均值。,(1)固化剂 宜

16、选用强度等级为 32.5 级及以上的普通硅酸盐水泥。水泥掺量除块状加固时可用被加固湿土质量的712外，其余宜为1220。(2)桩长 湿法的加固深度不宜大于 20m，干法的加固深度不宜大于 15m。(3)桩径 水泥土搅拌桩常用桩径为 500mm。,(4)承载力 湖北省地方标准建筑地基基础技术规范DB 42/2422003 中规定，水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值不宜大于 180kPa，桩径 500mm 的水泥土搅拌桩单桩承载力特征值不大于120kN。(5)垫层(6)布桩(7)沉降计算,施工,确保加固深度范围内土体的任何一点均能经过 20 次以上的搅拌。竖向承载搅拌桩施工时，停浆（灰）面应高于桩顶

17、设计标高 300500mm。在开挖基坑时，应浆搅拌桩顶端施工质量较差的桩段用人工挖除。(1)搅拌机械就位、调平；(2)预搅下沉至设计加固深度；(3)边喷浆（粉）、边搅拌提升直至；(4)重复搅拌下沉至设计加固深度；(5)喷浆（粉）或仅搅拌提升直至预定面；(6)关闭搅拌机械。分为湿法和干法,质量检验,施工质量检验 1 桩位。2 桩顶、桩底高程3 桩身垂直度4 桩身水泥掺量5 水泥标号6 搅拌头上提喷浆（或喷粉）的速度7 外掺剂的选用8 浆液水灰比9 水泥浆液搅拌均匀性10 喷粉搅拌的均匀性11成桩后 3d内，可用轻型动力触探检查桩身的均匀性12成桩 7d 后，采用浅部开挖桩头，目测检查搅拌的均匀性

18、，量测成桩直径。,工程实例,一、工程概况 广州市某粮食仓库长 30m，宽 16m，单层承重墙结构，拱形屋面。条形基础宽度 1.5m，埋深0.9m。设计要求基础下地基承载力达到100kPa，而地坪下的地基承载力要求达到40kPa。拟建场地表层为 1.5m 厚的杂填土，其下即为厚度 30m、含水量高达 70、地基承载力仅30kPa、压缩模量为 1.45MPa 的淤泥层。地基土不能满足上部结构的要求，需经人工加固。经多种地基加固方案的比较，根据现场的施工条件，决定采用喷粉搅拌法加固淤泥土层。,二、设计 根据现场施工机械条件和土质条件，软土地基的加固深度选定为 9m。所以计算桩长为：L=9.00.9=

19、8.1m喷粉搅拌桩机的钻头直径选用 500mm地坪处理要求较低，按 1.5m2.0m 间距布桩，面积置换率 为 0.07。F=52kPa40kPa,已满足地坪设计要求。,三、施工情况,喷粉搅拌桩的施工采用 GPP-5 型粉体搅拌机械。条形基础部分的处理固化剂采用 32.5号普通硅酸盐水泥，掺入比 18,即每延米喷水泥粉 60kg。地坪处理部分采用石灰粉体搅拌法，掺入比 15，即每延米喷入石灰粉 50kg。施工钻进根据不同土质采用不同的转速，对上部杂填土的钻进速度为 0.45m/min；而对淤泥层为1.47m/min。钻进中最大风压0.2MPa，最大风量100m3/h。本工程共施工水泥粉搅拌桩

20、137 根，计 1233 延米；施工石灰粉搅拌桩 163 根，计 1232延米。工期半个月。工程费用 10 万元。,四、加固效果检验 为了对粉体搅拌法处理深厚层淤泥的效果进行检验，在施工完毕后进行了桩头开挖检查，进行了现场单桩及复合地基荷载试验、桩体标准贯入试验以及桩间土取样试验。桩头开挖共 30 余根，桩体成形完整，桩身坚硬，强度超过设计要求，桩间土质也得到了明显的改善。单桩载荷试验采用 500 mm的压板置于桩顶；单桩复合地基采用 1.05m1.05m方形压板，板下铺设 2cm的砂垫层，桩位于压板正中央。,二、高压喷射注浆法,高压喷射注浆法(Jet Grouting)是用高压水泥浆通过钻杆

21、由水平方向的喷嘴喷出，形成喷射流，以此切割土体并与土拌和形成水泥土加固体的地基处理方法。我国简称为高喷法或旋喷法。,XP-20系列低架旋喷钻机是江苏省无锡探矿机械总厂根据市场需要开发的适合高压旋喷和锚固工程施工工艺的两用钻机。它广泛运用于铁路、公路、建筑、水利、电力等行业，主要用于对地基的加固、防渗堵水、对已有承载桩进行维护等用途,XP-30系列高架旋喷钻机是江苏省无锡探矿机械总厂根据市场需要开发的适合高压旋喷和锚固工程施工工艺的两用钻机。钻机主要用途：1、可以适合定喷、摆喷、旋喷等施工工艺；单重、双重、三重旋喷等各种施工要求。2、可用于各类软地基加固、高层建筑地下室的防渗处理、大江大河堤坝的

22、整治、铁路公路桥墩的加固等。,穿黄工程II-B标北岸竖井高压旋喷土体加固,20 世纪60 年代末期，中西涉博士提出一种全新的施工法高压喷射注浆法。1972 年铁道部科学研究院率先开发高压喷射注浆法。1975 年，我国冶金、水电、煤炭、建工等部门和部分高等院校，也相继进行了试验和施工。至今，高压喷射注浆法已成功应用于已有建筑和新建工程的地基处理、深基坑地下工程的支挡和护底、构造地下防水帷幕防止砂土液化、增大土的摩擦力和粘聚力以及防止基础冲刷等方面。,高压喷射注浆法,就是利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻进至土层预定深度后，以 2040MPa 压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层。一部

23、分细颗粒随浆液或水冒出地面，其余土粒在射流的冲击力、离心力和重力等的作用下，与浆液搅拌混合。浆液凝固后，便在土层中形成一个固结体。,分类,高压喷射注浆法所形成的固结体的形态与高压喷射流的作用方向、移动轨迹和持续喷射时间有密切关系。一般分为旋转喷射（旋喷）、定向喷射（定喷）和摆动喷射（摆喷）三种。,高压喷射注浆法的工艺类型,高压喷射注浆法的特征,（1）适用范围广（2）施工简便（3）可控制固结体形状（4）可垂直、倾斜和水平喷射（5）耐久性较好（6）料源广阔（7）设备简单,高压喷射注浆法的适用范围,（1）土质条件适用范围 主要适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土

24、和碎石土等地基。对土中含有较多的大粒径块石、植物根茎或过多的有机质时，应根据现场试验确定其适用范围，对地下水流速度大、浆液无法凝固、永久冻土及对水泥有严重腐蚀性的地基不宜采用。,加固地基的机理,（1）高压喷射流对土体的破坏作用（2）水（浆）、气同轴喷射流对土的破坏作用（3）水泥与土的固结机理,加固土的基本性状,（1）直径或长度 旋喷固结体的直径大小与土的种类和密实程度有较密切的关系。对粘性土地基加固，单管旋喷注浆加固体直径一般为 0.30.8m；三管旋喷注浆加固体直径可达 0.71.8m；双管旋喷注浆加固体直径介于以上两者之间。多重管旋喷直径为 2.04.0m。定喷和摆喷的有效长度约为旋喷桩直

25、径的 1.01.5 倍。,（2）固结体形状 按喷嘴的运动规律不同而形成均匀圆柱状、非均匀圆柱状、圆盘状、板墙状、扇形壁状等，同时因土质和工艺不同而有所差异。（3）重量 固结体内部土粒少并含有一定数量的气泡，因此，固结体的重量较轻，轻于或接近于原状土的密度。,（4）渗透系数 固结体内虽有一定的孔隙，但这些孔隙并不贯通，而且固结体有一层较致密的硬壳，其渗透系数达 106cm/s或更小，故具有一定的防渗性能。（5）强度 土体经过喷射后，土粒重新排列，水泥含量大。由于一般外侧土颗粒直径大、数量多，浆液成分也多，因此在横断面上中心强度低，外侧强度高，与土交接的边缘处有一圈坚硬的外壳。,（6）耐久性 固结

26、体的化学稳定性较好，有较强的抗冻和抗干湿循环作用的能力。（7）单桩承载力 旋喷柱状固结体有较高的强度，外形凸凹不平，有较大的承载力，固结体直径越大，承载力越高。,设计计算,设计计算,一、室内配方与现场喷射试验 二、设计程序 三、固结体尺寸 四、固结体强度 五、承载力计算 六、地基变形计算 七、防渗堵水设计八、浆量计算 九、浆液材料与配方,施工,一、施工程序（1）钻机就位（2）钻孔（3）插管（4）喷射作业（5）冲洗（6）移动机具,质量检验,1 检验内容包括：固结体的整体性和均匀性；固结体的有效直径；固结体的垂直度；固结体的强度特性（包括桩的轴向压力、水平力、抗酸碱性、抗冻性和抗渗性等）；固结体的

27、溶蚀和耐久性能。,检验过程,（1）开挖检验 待浆液凝固具有一定强度后，即可开挖检查固结体垂直度和固结形状。（2）钻孔取芯 在已旋喷好的固结体中钻取岩芯，并将岩芯做成标准试件进行室内物理和力学性能的试验。根据工程的要求亦可在现场进行钻孔，作压力注水和抽水两种渗透试验，测定其抗渗能力。（3）标准贯入试验 在旋喷固结体的中部可进行标准贯入试验。（4）静荷载试验静荷载试验分垂直和水平载荷试验两种。,工程实例,一、工程概况 威海某高层建筑，距海约 200m，是一座高 60m的宾馆，地上 17 层，地下 1 层共18 层，呈三角形布置，底部为箱形基础，全部采用现浇剪力墙结构。占地面积 1100m2，总重

28、24100t。由于地处滨海滩涂，天然地基承载力仅为 110130kPa，预估沉降量 700mm，超过设计规范允许值，经分析研究后采用高压喷射注浆法进行地基加固。,二、地质条件,地下水埋深较浅为 0.61.1m。pH 值为6.9，水力坡度为（3.03.5）。设计时对建筑物地基的要求是：加固后地基承载力要求达到 250kPa；差异沉降不大于0.5；垂直荷载通过箱形基础均匀传至基底，不考虑弯矩；不考虑水平推力。,三、旋喷桩设计,计算参数,（3）复合地基沉降量计算,对旋喷桩复合地基沉降量进行计算，可按桩长范围内复合土层以及下卧层地基变形值计算。沉降量计算值为 1.62cm。在旋喷桩复合地基设计完成后，

29、施工过程中发现部分水泥质量不理想和少数旋喷桩头有较大的凹陷，为此对设计作了修改和补充。取消了箱形基础底部的中砂层为应力调节层，对中砂加喷补强桩，增加了以保证旋喷质量为目的的中心桩、静压注浆。,四、旋喷桩施工工艺,（五）质量检验,在施工初期、中期和完工后，进行了数次多种方法的质量检验。主要情况如下：（1）旁压试验结果表明，旋喷桩桩间土体因受到旋喷桩加固作用的影响，其旁压模量和旁压极限压力均有所提高。（2）浅层开挖出的旋喷桩径在 0.60.8m 之间。（3）钻探取芯和标准贯入试验是结合进行的。结果表明，旋喷桩是连续的和强度较高的桩体。（4）在建筑物上布设了近 50 个沉降观测点，沉降量仅为 813mm。,