深层搅拌加固法在软土地基处理中的应用-建筑设计论文

深层搅拌加固法在软土地基处理中的应用
石泽银
摘要：当天然地基不能满足建筑物对地基的要求时, 需要进行地基处理,形成人工地基,以保证建筑物的安全与正常使用。本文简要介绍水泥土搅拌桩的概念、机理及优点、设计要点, 施工工艺技术。
关键词：软土地基参数设计施工工艺
1、水泥搅拌桩的概述
复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强,或被置换,或在天然地基中设置加筋材料所组成的人工地基。总之,凡是在软土地基中用各种手段加入增强体,使增强体与天然地基共同组成以提高地基强度和降低土体压缩性为目的的人工地基, 统称为复合地基。使用水泥浆作为固化剂的深层搅拌桩称为深层水泥搅拌桩。水泥搅拌桩的基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程，它与混凝土硬化机理不同，由于水泥掺量少，水泥是在具有一定活性介质———土的围绕下进行反应，硬化速度较慢，且作用复杂，水泥水解和水化生成各种水化合物后，有的又发生离子交换和团粒化作用以及凝硬反应，使水泥土土体强度大大提高。
水泥土搅拌桩是利用水泥等材料作为固化剂, 通过特制的搅拌机械, 就地将软土和固化剂强制搅拌, 使软土硬结成具有整体性、水稳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, 该技术适用于的淤泥质土、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等软土地基加固处理。水泥土搅拌法是深层搅拌法的一种施工方法, 包括水泥浆搅拌法(简称湿法) 和粉体喷射搅拌法(简称干法)。
深层水泥搅拌桩与其他施工方法相比较, 具有施工工期短、无公害、成本低等特点。这种施工方法在施工过程中无振动、无噪音、无地面隆起、不排污、不污染环境,对相邻建筑物不产生有害影响,具有较好的综合经济效益和社会效益。
2、加固原理、作用、影响因素及优点
2．1 深层搅拌加固法的原理
水泥深层搅拌加固法是以水泥作为主剂,再辅以相应的各种外掺剂组成固化剂,使用特制的SJB-1或SJB-2型深层搅拌机械,在地下深部就地将软土(淤泥质土) 和固化剂强制搅拌,通过软土和固化剂之间的置换、团粒化、硬凝、碳酸化等一系列物理——化学反应,使软土地基变成具有足够的强度和变形模量以及遇水稳定的、能适应上部结构对地基的各种要求的优质复合地基。
2．2 深层搅拌加固法的作用
(1) 桩体作用。深层搅拌桩桩体比周围土体的刚度大,在荷载作用下等量变形时,地基中的应力将按材料模量进行分布,因此,桩体应力比桩间土上的应力大,这样就使得复合地基承载力比原地基有所提高,沉降量有所减小。
(2) 垫层作用。深层搅拌桩与桩间土形成复合层。这一复合土层的力学特性优于天然土体,起着换土、均匀应力、增大应力扩散角的作用。在桩体没有完全贯穿整个软弱土层的地基中,垫层的作用尤为明显。
(3) 挤密作用。深层搅拌桩中的水泥具有吸水、发热、膨胀作用,对桩周围的土可起到挤密效果。
(4) 加筋作用。深层搅拌桩还可以用来提高土体的抗剪强度,增加土坡的抗滑能力。
2．3 深层搅拌加固法的优点
(1) 加固效果良好。经深层搅拌加固后的水泥土强度可达1000～2000kPa (即100～200t/m2) 。当水泥土搅拌桩与周围软土形成复合地基后,上层部位承受的荷载可通过刚性很大的复合地基将应力可以扩散到很大范围的残积土层上,地基沉降即可减少很多。
(2) 加固后的地基可以立即承受上部荷重。经深层搅拌加固后的地基,自然养护15～30d即可承受上部荷载,因此特别适宜像跑道这样的长条状加固工程的流水施工。
(3) 施工速度快。每台深层搅拌机械可打设搅拌桩250延m/ d。假如地基处理共布置搅拌桩22000根(桩径按015m计算,桩长按8m计算,共计1716×104延m) ,工期按75 d计,仅需配备10 台深层搅拌机即可完成全部加固施工。
(4) 材料运输量小。按(3) 中具体搅拌桩的数字计算,完成(3) 中的地基处理的深层搅拌桩仅需运入8800t水泥,按75d计,仅需运入118t/d左右的水泥,对临时道路的要求低。
(5) 施工不受气候影响。深层搅拌施工不受雨天影响(台风、暴雨除外) ,在多雨地区施工不受影响。
(6) 可充分利用原软土,无挖弃软土问题。水泥搅拌桩是在原有软土层上施工,不用挖弃原有软土。此举不用弃置滚动状态的淤泥而占用大量土地,对周围环境影响小。
(7) 造价较低。当水泥价格为360元/t时,施工每个深层搅拌桩(桩长按8m计,按50kg/m水泥计) 的水泥费用为132元。
2．4 影响因素:
（1）水泥掺入比的影响。当其他条件相同时,在同一土层中水泥土的强度随水泥掺入比的增加而增加。但因场地土质与施工条件的差异,水泥掺入比的提高与水泥土强度的增加并非成正比。实际工程中水泥掺入比一般使用7%~15%为宜。
掺入比aw用下式表示:aw=(掺入的水泥量÷被加固的粘土重量)×100%
(2)水泥土龄期的影响。水泥土的强度随龄期增加而增大,一般情况下水泥土强度7d时可达标准强度的30%~50%,30d可达标准强度的60%~70%,龄期3个月后,水泥土的标准强度基本达到要求。因此,工程上取龄期3个月的强度作为水泥搅拌桩的标准强度。
（3）水泥标号的影响。水泥土的强度随水泥标号增加而增加,一般当水泥标号每增加100#,水泥土的无侧限抗压强度可提高20%~30%。
（4）外掺剂的影响。针对具体工程,选用合适的外掺剂(如粉煤灰等),即可以改善水泥土的性能,又可以提高其强度。
（5）含水率的影响当水泥土配方相同时,其强度随土样的天然含水率的降低而增大。
（6）有机质含量的影响水泥土的强度随土样中有机质含量的增高而降低。
（7）其他因素的影响。此外,地基土及地下水的成分对水泥土的强度也有着不同程度的影响。因此,在深层搅拌复合地基设计和施工中,应充分考虑上述因素的影响。
3、水泥搅拌桩的参数设计
水泥搅拌桩复合地基主要由桩身、桩间土和褥垫层共同组成。水泥搅拌桩技术在运用之前主要要先确定水泥掺入量，桩径、桩长、加固范围、褥垫层等内容。
水泥掺入量：水泥掺入量为拟加固土体重量的15%。水泥搅拌桩固化剂建议采用强度等级为32.5级及以上的普通硅酸盐水泥。
桩径：根据《建筑地基处理技术法规》JGJ79-2002以及成桩施工机械等因素确定，工程水泥搅拌桩直径采用500mm为宜。
桩长：同样根据《法规》，水泥搅拌桩的长度宜穿透软弱土层道道承载力相对较高的土层。工程水泥搅拌桩有效桩长不小于9m。
加固范围：根据《法规》，水泥搅拌桩可只在基础平面范围内布桩。
工程基础采用钢筋混凝土条形基础，水泥搅拌桩在条形基础宽度范围内布桩。褥垫层：根据《法规》，水泥搅拌桩复合地基应用在基础和桩之间设置褥垫层。褥垫层厚度取300mm，其材料选用中粗砂。

4、施工工艺控制
4．1施工场地的选择和平整水泥搅拌桩技术主要适合处理正常固结的淤泥与淤泥质土，素填土、泥性土，泥炭土，有机质土和含水较高地基承载力标准值不大于120kpa 的粘性土、粉土等软土地基。
4．2 对搅拌机械在施工前的检验水泥搅拌机施工机械在所有钻机开机之前应组织检查验收合格后方可开钻，特别注意水泥搅拌桩管道是否有堵塞现象；水泥搅拌机施工机械必须保持好良好的稳定性能；检查水泥搅拌机施工前配电脑记录仪器和打印设备是否安装就序，以免不能随时了解和控制水泥浆用量及喷浆均匀程度，从而引起地基质量不合要求。
4．3 试桩根据施工现场的实际情况，在现场需要进行软基处理的范围内，在地表，中间和桩底位置各取出若干土质，进行比较。选取土质最差材料用作施工配合材料，一般选取3-5 组用作配合比的试验，在配合比试验时用各种土质与几种分量的水泥制成水泥、土混合料，制作成圆柱型试件后进行室内标准养护。
选用的水泥要经过检验合格才可使用，水泥用P032.5 级及以上的普通硅酸盐水泥为好，严禁使用矿渣水泥或火山灰水泥，水灰比宜采用0.45~0.50，另可加少量的石膏粉和减水剂，用量分别为水泥用量0.5%~1%为合适，以保证搅拌桩的质量。在施工比配合完成后进行工艺性试桩，工艺性试桩可以采用二喷四搅的搅拌施工工艺，即第一次正循环钻进至设计深度后打开高压注浆泵，接着反循环提钻井喷水泥浆液，直至提升到工作基准面以下0.5米，第二次重复搅拌下钻井喷水泥浆至设计深度，最后反循环提钻至地表面。复搅的目的是使水泥浆和土体充分搅拌均匀。
4．4制浆打桩
用小木桩定好制桩点，调平钻机，保持钻杆垂直度小于或等于1%。启动搅拌钻机，控制好钻进速度，钻进速度不应大于1.2m/min；穿越粘土层时，钻进速度不应大于0.8m/min，在钻进50m 后，开动空压机喷压缩空气，以防止钻进时堵塞喷浆口，同时可以借助压缩空气减少负载扭矩，使钻进顺利。制浆时，应按每根桩的需要，一次配足浆液，以保证每根桩的掺合比的稳定性和浆量充足，每根桩的正常成桩时间不应少于40min.喷浆压力不小于0.5mpa。

结束语：
水泥搅拌桩施工属于隐蔽工程，如施工质量不好，一旦被路堤等构筑物所覆盖，便构成隐患且不好检查及补救。因此，紧抓施工的各环节，严格施工过程的管理非常重要。施工质量的控制更是一项细致的技术工作。水泥搅拌桩施工质量的优劣直接关系到地基加固的成效，从而进一步关系到上部主体结构的稳定性，因此，对搅拌桩施工质量必须作到事前控制、事中控制和事后检测，进行严格监理控制。

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