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1、深层搅拌法深层搅拌法 深层搅拌法深层搅拌法n概 述n加固机理n桩身材料及物理力学性质n复合地基设计计算n施工要点第一节 概述n 深层搅拌法n利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械边钻进边往软土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深部就地将软土和固化剂强制拌和，使软土硬结形成加固体，从而提高地基的强度和增大变形模量。加固体和天然地基形成复合地基，共同承担建筑物的荷载。第一节 概述n从施工工艺上可分为湿法和干法两种 n湿法常称为浆喷搅拌法，将一定配比的水泥浆注人土中搅拌成桩，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
2、年在上海宝山钢铁总厂软基加固中获得成功。该工艺利用水泥浆作固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在加固深度内就地将软土和水泥浆充分拌和，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和足够强度的水泥土的一种地基处理方法。 第一节 概述n干法常称为粉喷搅拌法 n该工艺利用压缩空气通过固化材料供给机的特殊装置，携带着粉体固化材料，经过高压软管和搅拌轴输送到搅拌叶片的喷嘴喷出，借助搅拌叶片旋转，在叶片的背面产生空隙，安装在叶片背面的喷嘴将压缩空气连同粉体固化材料一起喷出，喷出的混合气体在空隙中压力急剧降低，促使固化材料就地粘附在旋转产生空隙的土中，旋转到半周，另一搅拌叶片把土与粉体固化材料搅拌混合在一起，同时，这只叶片
3、背后的喷嘴将混合气体喷出，这样周而复始地搅拌、喷射、提升，与固化材料分离后的空气传递到搅拌轴的周围，上升到地面释放。 第一节 概述n干法和湿法相比较，具有如下特点： n1、干法可以吸收软土地基中的水分，对加固含水量高的软土、极软土以及泥炭化土地基效果更为显著。n2、干法固化剂均匀地分布在土中，不会产生不均匀散乱现象，有利于提高地基土的加固强度。n 3、与浆喷深层搅拌或高压旋喷相比，输入地基土中的固化材料要少得多，无浆液排出，地面无拱起现象。同时固化材料如水泥、生石灰、消石灰等，材料来源广泛，并可使用两种以上的混合材料。因此，对地基土加固适应性强，其适应的工程对象较广。第一节 概述n干法和湿法相
4、比较的特点： n4、固化材料从施工现场的供给机的贮仓一直到喷入地基土中，成为连贯的密闭系统，中途不会发生粉尘外溢、污染环境的现象。n5、湿法水泥配比较直观，材料的量化较容易，有利于质量控制。 适宜形式适宜形式n 作为建筑物或构筑物的地基；n进行大面积地基加固，防止码头岸壁滑动，深基坑开挖支护；n加固道路、桥涵；n作为地下防渗墙，阻止地下水渗透。适用条件n 目前国内水泥土深层搅拌法主要用于加固淤泥、淤泥质土、地基承载力不大于120kPa的粘性土和粉土等地基。 用于处理泥炭土和地下水具有侵蚀性时，应通过试验确定。 主要特点主要特点n 基本不存在挤土效应，对周围地基扰动小；n 可根据不同土质和工程设
5、计要求，合理选择固化剂及配方，应用较为灵活；n 施工无振动，无噪音，污染小，可在市区和建筑物密集地带施工；n 土体加固后，重度基本不变，软弱下卧层不致产生较大附加沉降 ；n 结构型式灵活多样，可根据工程需要，选用块状，柱状、壁状、格栅状。水水泥泥土土 的的 形形成成水泥土搅拌桩的应用水泥土搅拌桩的应用a)柱状布置；b) 壁状布置；c) 格栅状布置；d) 块状布置 地基加固地基加固支护结构支护结构水泥土墙水泥土墙支护结构支护结构水泥土墙水泥土墙支护结构支护结构水泥土墙水泥土墙支护结构支护结构水泥土墙水泥土墙 水泥土搅拌桩的应用水泥土搅拌桩的应用地基加固地基加固第二节第二节 加固机理加固机理n加固
6、原理n其基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程，通过专用机械设备将固化剂灌入需处理的软土地层内，在灌注过程中上下搅拌均匀，使水泥与土发生水解和水化反应，生成水泥水化物并形成凝胶体，将土颗粒或小土团凝结在一起形成一种稳定的结构整体，即水泥骨架作用，同时，水泥在水化过程中生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子进行离子交换作用，生成稳定的钙离子，从而进一步提高土体的强度，达到提高其复合地基承载力的目的。 第二节第二节 加固机理加固机理n分类n按固化剂的不同分为水泥系与石灰系n按灌注材料状态分为湿法与干法 n以水泥作固化剂，配石膏、粉煤灰、木质素磺酸钙等为外掺剂的深层水泥搅拌桩是深层软土地基工程中常用的
7、桩基形式之一。第二节第二节 加固机理加固机理n水泥土的强度机理主要有两个方面的作用：n水泥的骨架作用：水泥与饱和软粘土搅拌后，发生水泥的水解和水化反应，生成水泥水化物，形成凝胶体-氢氧化钙，将土颗粒或小土团凝结在一起，形成一种稳定的结构整体。 第二节第二节 加固机理加固机理n离子交换作用：水泥在水化过程中，生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子(或钾离子)进行离子交换，生成稳定的钙离子，从而提高土体的强度。 第二节第二节 加固机理加固机理n一、水泥浆喷射深层搅拌加固机理 n水泥土加固软土的物理化学反应n (一)水泥的水解和水化反应n(二)粘土颗粒与水泥水化物的作用n(三)碳酸化作用第二节第二节 加固
8、机理加固机理n(一)水泥的水解水化反应 ：减少了软土中的含水量，增加土粒间的粘结，水泥与土拌合后，水泥中的硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙以及铁铝四钙等矿物与土中水发生水解反应，在水中形成各种硅、铁、铝质的水溶胶，土中的CaSO4大量吸水，水解后形成针状结晶体。 第二节第二节 加固机理加固机理n(一)水泥的水解水化反应 n硅酸三钙：在水泥中含量最高(50)，是决定强度的主要因素。 硅酸二钙：在水泥中含量较高(25%)，它主要产生后期强度。 铝酸三钙：占水泥总量的10左右，水化速度最快，促进早凝。 第二节第二节 加固机理加固机理n(一)水泥的水解水化反应 n铁铝酸四钙：占水泥总量的10作用，能促进早
9、期强度。 硫酸钙：含量3左右，生成“水泥杆菌”状的化合物，能将大量自由水一结晶水形式固定下来，使土中自由水减少。第二节第二节 加固机理加固机理n(二)粘土颗粒与水泥水化物的作用n1.离子交换和团粒化作用 粘土颗粒带负电，吸附阳离子，形成胶体分散体系。表面带有钾离子或钠离子，可与水泥水化反应的钙离子进行离子交换，产生凝聚，形成较大的团粒，提高土体强度。第二节第二节 加固机理加固机理n(二)粘土颗粒与水泥水化物的作用n2.硬凝反应 在碱性环境下，溶液中析出大量的钙离子，与二氧化硅或三氧化铝产生化学反应，生成不溶于水的铝酸钙等结晶水化物。在水中和空气中逐渐硬化，提高水泥强度，使水泥具有足够的水稳定性
10、。第二节第二节 加固机理加固机理n(三)碳酸化作用：水泥水化物中游离的氢氧化钙吸收水中和空气中的二氧化钙，发生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸钙。使地基土的分散度降低，强度和防渗性能增强。第二节第二节 加固机理加固机理n水泥与地基土拌合后经上述的化学反应形成坚硬桩体，同时桩间土也有少量的改善，从而构成桩与土复合地基，提高地基承载力，减少了地基的沉降。 第二节第二节 加固机理加固机理n二、水泥粉喷体喷射深层搅拌加固机理 n采用水泥粉体、生石灰和消石灰等粉体固化剂，粉体固化剂与原状土搅拌混合后，使地基土和固化剂发生一系列物理化学反应，生成稳定的水泥土或石灰土。水泥粉体加固原理同水泥浆体。第二节第二节
11、 加固机理加固机理n三、石灰粉喷体喷射深层搅拌加固机理 n1.石灰的吸水作用n2.石灰的发热n3.石灰的吸水膨胀n4.离子交换作用与土粒的凝聚作用n5.石灰的胶凝作用第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n一、桩身材料 n固化剂、外加剂、水组成的混合料n 固化剂：水泥类、石灰类及沥青类和化学材料类n水泥：硅酸盐、普硅，矿渣、火山灰和石膏。水泥种类需与被加固土质相适应。n石灰：生石灰、消石灰等n外加剂：粉煤灰、木质素磺酸钙、石膏、三乙醇胺、氯化钠、氯化钙和硫酸钠等外掺剂。第三节第三节 桩身材料及桩身材料及物理力学性能物理力学性能n二、物理性质水泥掺入比为水泥掺入量为 第三节第三节 物理力学性能物
12、理力学性能n二、物理性质(1)含水量 水泥土的含水量低于原状土样含水量0.5%7.0% ，并且随水泥掺入比的增加而减小。(2)重度 水泥土的重度比天然软土的重度增加0.5%3.0% ，不会对下卧层产生过大附加荷载，不会产生较大附加沉降。(3)渗透系数 水泥掺入比越大，龄期越长，渗透系数越小。第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质(1)无侧限抗压强度的影响因素(2)抗拉强度(3)抗剪强度(4)变形模量、压缩系数和压缩模量第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质n1)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
13、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体之间。n影响水泥土的无侧限抗压强度的因素有：水泥掺入比、水泥标号、龄期、含水量、有机质含量、外掺剂、养护条件及土性等。 第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质n1)无侧限抗压强度及其影响因素 水泥掺入比对强度的影响 龄期对强度的影响 水泥标号对强度的影响 土样含水量对强度的影响 土样中有机质含量对强度影响 外掺剂对强度的影响 养护方法第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质n水泥掺入比对强度的影响n水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大。n当5%时，水泥与土的反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散
14、性也较大，故在实际施工中，选用的水泥掺入比必须大于7%。第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质n龄期对强度的影响水泥土的强度随着龄期的增长而提高，一般在龄期超过28d后仍有明显增长。n水泥标号对强度的影响水泥土的强度随水泥标号的提高而增加。水泥标号提高100号，水泥土的强度fcu约增大(5090)%。如要求达到相同强度，水泥标号提高100号，可降低水泥掺入比(23)%。 第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质n土样含水量对强度的影响 水泥土的无侧限抗压强度随着土样含水量的降低而增大。一般情况下，土样含水量每降低10，则强度可增加(1050)%。（粉喷
15、桩含水量过低强度下降） 第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质n土样中有机质含量对强度影响n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大得多。有机质使土体具有较大的水溶性和塑性，较大的膨胀性和低渗透性，并使土具有酸性，这些因素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。 第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质n外掺剂对强度的影响n不同的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响。木质素磺酸钙对水泥土强度的增长影响不大，主要起减水作用。石膏、三乙醇胺对水泥土强度有增强作用，而其增强效果对不同土样和不同水泥掺入比又有所不同
16、，所以选择合适的外掺剂可提高水泥土强度和节约水泥用量。第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质n外掺剂对强度的影响n一般早强剂可选用三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠或水玻璃等材料，其掺入量宜分别取水泥重量的0.05%、2%、0.5%和2%；减水剂可选用木质素磺酸钙，其掺入量宜取水泥重量的0.2%；石膏兼有缓凝和早强的双重作用，其掺入量宜取水泥重量的2%。第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质n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。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%。第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质n养护方法n养护方法对水泥土的强度影响主要表现在养护环境的湿度和温度。n国内外试验资料都说明，养护方法对短龄期水泥土强度的影响很大，随着时间的增长，不同养护方法下的水泥土无侧限抗压强度趋于一致，说明养护方法对水泥土后期强度的影响较小。 第三节第三节 物理力学性能物理力学性能n三、水泥土的力学性质n2)抗拉强度水泥土的抗拉强度随无侧限抗压强度的增长而提高。 n3)抗剪强
