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1、第六章 水泥土搅拌法6.1 概述水泥土搅拌法是用于加固饱和粘性土地基的一种新方法。它是利用水泥（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，从而提高地基强度和增大变形模量。根据施工方法的不同，水泥土搅 拌法分为；拌和粉体喷射搅拌两种。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。水泥土搅拌法分为深层搅拌法（以下简称湿法）和粉体喷搅法（以下简称干法）。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、
2、素填土、粘性土以及无流动地 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。冬期施工时，应注意负温对处理效果的影响。 湿法的加固深度不宜大于20m；干法不宜大于15m。水泥土搅拌桩的桩径不应小于500mm。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，而含有伊里石、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）较低的粘性土的加固效果较差。6.2 加固机理水泥加固土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同，
3、混凝土的硬化 主要是在粗填 充料（比表面不大、活性很弱的介质）中进行水解和水化作用，所以凝结速度较快。而在水泥 加固土中，由于水泥掺量很小，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质一土的 围绕下进行，所以水泥加固土的强度增长过程比混凝土为缓慢。（1）水泥的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥主要是氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三 氧化二铁及三氧化硫等组成，由这些不同的氧化物分别组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，水泥颗粒表面的矿物很 快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸 钙等化合物。所生成的
4、氢氧化钙、含水硅酸钙能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与 水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后，水分子虽继续深入颗 粒内部，但新生成物已不能再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。（2）土颗粒与水泥水化物的作用 当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成 水泥石骨架; 有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。1）离子交换和团粒化作用 粘土和水结合时就表现出一种胶体特征，如土中含量最多的 二氧化硅遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带有阴离子Na+或钾离子K+,它们能和水泥水化 生成的氢氧化钙中钙离子Ca+进行当量吸附交换，使较小的
5、土颗粒形成较大的土团粒，从而使 土体强度提高。水泥水化生成的凝胶粒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，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭各 土团的空隙，形成坚固的联结，从宏观上看也就使水泥土的强度大大提高。2）硬凝反应 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子 交换的需要量后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大 部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物，增大了水泥土的强度，从扫描电子显微镜观察中可见，拌入水泥 7 天时，土颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有
6、 少量水泥水化物结晶的萌芽。一个月后水泥土中生成大量纤维状结晶，并不断延伸充填到颗 粒间的孔隙中，形成网状构造。到五个月时，纤维状结晶辐射问外伸展，产生分叉，并相互 连结形成空间网状结构，水泥的形状和土颗粒的形状已不能分辨出来。（3）碳酸化作用 水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳 酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应也能使水泥土增加强度，但增长的速度较慢， 幅度也较小。从水泥土的加固机理分析，由于搅拌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。在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象，而土团间的大孔隙基 本上已被水泥颗粒填满。所以，加固后的
7、水泥土中形成一些水泥较多的微区，而在大小土团 内部则没有水泥。只有经过较长的时间，土团内的土颗粒在水泥水解产物渗透作用下，才逐 渐改变其性质。因此在水泥土中不可避免地会产生强度较大和水稳性较好的水泥石区和强度 较低的土块区。两者在空间相互交替，从而形成一种独特的水泥土结构。可见，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 体强度也最高。【例题 6-1】下列哪些地基土适合于采用水泥土搅拌法加固?（A）淤泥 （B）淤泥质土 （C）粉土 （D）泥炭土 （E）饱和黄土 （F）粘性土【正确答案】A B C E F【解】根据建筑地基处理技术规范（JGJ7
8、9-2002）第11.1.1条和第11.1.2条，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、粘性土以及无流动 地下水的饱和松散砂土等地基。水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数 Ip 大于 p25 的粘土、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。【例题 6-2】下列哪些地基土适合于采用水泥土搅拌法加固?（A）素填土（B）无流动地下水的饱和松散砂土（C）有机质土（D）塑性指数小于25的粘土（E）含高岭石的粘性土（F）含伊里石的粘性土【正确答案】 A B E【解】根据建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）第11.1.1条和
9、第11.1.2 条,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、粘性土以及无流动 地下水的饱和松散砂土等地基。水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数 Ip 大于p25 的粘土、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。 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，而含有伊里石、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）较低的粘性土的加固效果较差。【例题 6-3】下列哪些地基土适合于采用粉体喷搅法加固?（A）素填土（
10、B）含水量小于30%的土（C）含水量大于30%的土（D）含水量小于70%的土（E）含水量大于70%的土【正确答案】 A C D【解】根据建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）第11.1.1条和第11.1.2 条,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。冬期施工时，应注意负温对处理效果的影 响。【例题 6-4】水泥土搅拌桩的加固机理有哪些?（A）水泥的水解（B）水泥的水化（C） 土颗粒与水泥水化物的作用（D
11、）碳酸化作用【正确答案】 A B C D【解】水泥土搅拌桩的加固机理为：（1）水泥的水解和水化反应 （2）土颗粒与水泥水化物的作用 (3)碳酸化作用【例题 6-5】水泥土搅拌法形成的水泥土加固体，可以有以下作用：(A)竖向承载的复合地基(B)基坑工程围护挡墙(C)基坑工程被动区加固(D)基坑工 程防渗帷幕(E)大体积水泥稳定土 (F)竖向承载的桩基【正确答案】 A B C D E【解】根据建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)第11.1.3条，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。【例题 6-6】作为建筑
12、地基竖向承载加固时，水泥土搅拌桩的加固型式可采用哪些? 作为 基坑围护结构时，水泥土搅拌桩可选用怎样的加固型式?(A)柱状(B)壁状(C)格栅状(D)块状【正确答案】 (A) (B C)【解】作为建筑地基竖向承载加固时，水泥土搅拌桩的加固型式可采用柱状，与桩间土 形成复合地基；作为基坑围护结构时，水泥土搅拌桩可选用壁状或格栅状的加固型式，既可 以挡土又可以止水。【例题 6-7】承受竖向荷载的水泥土桩，其水泥土强度应取多少天龄期试块的无侧限抗压 强度? 承受水平荷载的水泥土桩，应取多少天龄期试块的无侧限抗压强度?(A)21 天 (B)28 天 (C)60 天 (D)90 天【正确答案】 (D)
13、(B) 【解】根据水泥土室内试验结果，水泥土的强度随龄期的增长而增大,在龄期超过28 天后, 强度仍有明显增长,故对承重搅拌桩试块国内外都取90天龄期为标准龄期 对起支护作用承受 水平荷载的搅拌桩，水泥土强度标准取28 天龄期为标准龄期。 当龄期超过三个月后,水泥土 强度增长缓慢。180天的水泥土强度为90 天的1.25倍,而180天后水泥土强度增长仍未终止。6.3 水泥加固土工程性能水泥掺入比 a 为wX100%掺加的水泥重量a 二w 被加固软土的湿重量掺加的水泥重量被加固土的体积(1) 水泥土的物理性质1) 含水量 水泥土在硬凝过程中，由于水泥水化等反应，使部分自由水以结晶水的形式 固定下
14、来，故水泥土的含水量略低于原土样的含水量，水泥土含水量比原土样含水量减少 0.5%7.0%，且随着水泥掺入比的增加而减小。2) 重度 由于拌入软土中的水泥浆的重度与软土的重度相近，所以水泥土的重度与天然 软土的重度相差不大，水泥土的重度仅比天然软上重度增如0.5%3.0%，所以采用水泥土搅 拌法加固厚层软土地基时，其加固部分对于下部未加固部分不致产生过大的附加荷重，也不 会产生较大的附加沉降。3) 相对密度 由于水泥的相对密度为3.1，比一般软土的相对密度2.652.75为大，故 水泥土的相对密度比天然软土的相对密度稍大。水泥土相对密度比天然软土的相对密度增加 0.7%2.5%。4) 渗透系数
15、 水泥土的渗透系数随水泥掺入比的增大和养护龄期的增长而减小，一般可 达10-510-8cm/s数量级。对于上海地区的淤泥质粘土，垂直向渗透系数也能达到10-8cm/s数 量级，但这层土常局部夹有薄层粉砂，水平向渗透系数往往高于垂直向渗透系数，一般为 10-4cm/s 数量级。因此，水泥加固淤泥质粘土能减小原天然土层的水平向渗透系数，而对垂直 向渗透性的改善，效果不显著。水泥土减小了天然软土的水平向渗透性，这对深基坑施工是 有利的，可利用它作为防渗帷幕。(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
16、特征随强度不同而介于脆性体与弹塑体之间。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。下面根据试验结果来分析影响水泥土抗压强度的一些 主要因素。(a)水泥掺入比a对强度的影响w水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大，当 a 5%时，由于水泥与土的反应过弱，w 水泥土固化程度低，强度离散性也较大，故在水泥土搅拌法的实际施工中，选用的水泥掺入 比必须大于 7%。根据试验结果分析，发现当其它条件相同时，某水泥掺入比 a 的强度 f 与水泥掺入比 w cuca =12%的强度f 的比值f /f 与水泥掺入比a的关系有较好的归一化性质。由回归分 wcu12cuc c
