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1、4.2.4 水泥土搅拌法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，水泥土搅拌法分为水泥浆搅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
2、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。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。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
3、机理不同，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
4、生成的氢氧化钙、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
5、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
6、体，并有少量水泥水化 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
7、固后的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。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水泥掺量 =(kg/m3)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，
8、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
9、土的相对密度增加0.7%2.5%。4) 渗透系数 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3004000kP
10、a,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。 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a5%时，由于水泥与土的反应过弱，水泥土固化程w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a =12%的强w cuc w度f 的比值f / f 与水泥掺入比a
11、的关系有较好的归一化性质。由回归分析得到：f /f 与cu12cuc cu12w cuccu12a 呈幂函数关系，其关系式如下：wf / f= 41582a1.7695(4.2.4-1)c u c cu12w(相关系数R =0.999，剩余标准差S =0.022，子样数n =7)上式适用的条件是：a = (516)%。w(4.2.4-2)在其它条件相同的前提下两个不同水泥掺入比的水泥土的无侧限抗压强度之比值随水泥掺入比之比 的增大而增大。经回归分析得到两者呈幂函数关系，其经验方程式为：f J f 2 = (a 1 / a J.7736cu1cu2w1 w2(R=0.997, S=0.015,
12、n=14)式中f 1水泥掺入比为a】的无侧限抗压强度；cu 1w 1f 2水泥掺入比为a 2的无侧限抗压强度。cu 2w 2上式适用的条件是：a =(520)%； a /a =0.333.00。ww1 w 2 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，根据试验结果的回归分 析, 得到在其它条件相同时，不同龄期的水泥土无侧限抗压强度间关系大致呈线性关系，这些关系式如下：f =(0.470.63) ff =(0.620.80) fcu 7cu 28cu 14cu 28f =(1.151.46) ff =(1.431.80) fcu 60cu 28cu 9
13、0cu 28f =(2.373.73) ff=(1.732.82) fcu 90cu 7cu 90cu 14上式f 、f 、f 、f 、f 分别为7d、14d、28d、60d和90d龄期的水泥土无侧限抗压强度。 cu 7cu 14cu 28cu 60cu 90当龄期超过3个月后，水泥土的强度增长才减缓。同样，据电子显徽镜观察，水泥和土的硬凝反应约 需3 个月才能充分完成。因此水泥土选用 3个月龄期强度作为水泥土的标准强度较为适宜。一般情况下龄期少于3d的水泥土强度与标准强度间关系其线性较差，离散性较大。回归分析还发现在其它条件相同时，某个龄期(T)的无侧限抗压强度f 与28天龄期的无侧限抗压c
14、uT强度f 的比值f /f 与龄期T的关系具有较好的归一化性质，且大致呈幕函数关系。其关系式如下: cu 28cuTcu 28f / f= 0.2414T0-4197(4.2.43)c u T cu 28( R =0.997 ， S =0.037 ， n =5)上式中龄期的适用范围是(790)天。 在其它条件相同的前提下，两个不同龄期的水泥土的无侧限抗压强度之比随龄期之比的增大而增大。经回归分析得到两者呈幕函数关系，其经验方程式为:f / f= (T / T )0-4182(4.2.44)cu1 cu21 2( R =0.992， S =0.021， n =9)式中f ,龄期为T的无侧限抗压强
15、度；cu11f 2龄期为T2的无侧限抗压强度。cu 22上式适用的条件是：T =(790)天；T /T =0.080.67和T /T =1.5012.85。1 2 1 2综合考虑水泥掺入比与龄期的影响，经回归分析，得到如下经验关系式:f / f = (a / a )18095 - (T / T )0-4119(4.2.45)cu1 cu2w1 w 21 2式中f ,水泥掺入比为a ,龄期为厶的无侧限抗压强度；cu1w11f 水泥掺入比为a龄期为T的无侧限抗压强度。cuw上式成立的条件是：a =(520)%, a /a =0.333.00； T =(790)天。当a = a时，应采用ww 1 ww 1w式(10-10)；当T1 =码时，应采用式(10-2)。 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f约增大(5090)%。cu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)%。 土样含水量对强度的影响水泥土的无侧限抗压强度 f 随着土样含水量的降低而增大，当土的含水量从 157%降低至 47%时，无cu侧限
