《水泥土搅拌桩》PPT课件.ppt

第五章水泥土搅拌法主要内容主要内容1概述概述2加固机理加固机理3 3水泥土的物理力学性质水泥土的物理力学性质4 4水泥土的应用水泥土的应用5 5水泥土搅拌桩地基的设计水泥土搅拌桩地基的设计6 6水泥土搅拌桩的施工水泥土搅拌桩的施工一、概一、概 述述1.水泥上搅拌法的概念o水泥上搅拌法是适用于加固饱和粘性土和粉土等地基的一种方法，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，就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，使软土硬结成具有整体件、水稳性和一定强度的水泥加固土水泥土水泥土，从而提高地基土强度和增大变模。o根据固化剂掺入状态的不同，它可分为浆液搅拌浆液搅拌和粉体喷粉体喷射搅拌射搅拌两种。前者是用浆液和地基土搅拌，后者是用粉体或石灰和地基土搅拌。2.水泥固化剂o水泥土搅拌法分为深层搅拌法(简称湿法)和粉体喷搅法(简称干法)。3.适用条件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。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。一般认为用水泥作加固料，对含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好；而对含有伊利石、氯化物和水铝石英等矿物的粘性土以及有机质含量高，pH值较低的粘性土加固效果较差。4.石灰固化剂o石灰固化剂一般适用于粘土颗粒含量大于20%，粉粒及粘粒含量之和大于35%，粘土的塑性指数大于10，液件指数大于0.7，土的pH值为48，有机质含量小于11%,土的天然含水量大于30%的偏酸性的土质加固。5.水泥土搅拌法加固软土其独特优点最大限度地利用了原土；搅拌时施工，对原有建筑物影响很小；根据地基土的不同性质和工程要求，可以合理选择固化剂的类型及其配方，设计灵活；搅拌时无振动、无污染、无噪音，可在市区内和密集建筑群中施工；加固后土体的重度基本不变，不会产生附加沉降；与钢筋混凝土桩基相比，降低成本的幅度较大；可根据上部结构的需要，灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固型式。二、加固机理二、加固机理（一）水泥的水解和水化反应o水泥遇水后，其颗粒表面的矿物很快与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。其中前二种化合物溶于水，使水泥颗粒表面暴露出来，再与水作用，逐渐使溶液达到饱和，新生成物便以胶体析出，悬浮于溶液形成凝胶体。（二）离子交换和团粒化作用o粘土与水结合即表现胶体特征，如土中含量最多的二氧化硅与水形成硅酸胶体，其表面带有Na+或K+，和水泥水化生成的氢氧化钙中的Ca2+进行当量吸附交换。使较小的土颗粒形成较大的土团粒；由于其产生了很大的比表面能，可使较大的土粒进一步联合，形成水泥土团粒结构，并封闭各土团的空隙，形成坚固的联结，从而使土体强度提高。（三）硬凝反应o随着水泥水化反应的深入，深液中析出大量的Ca2+，当其数量超过离子交换需要量后，则在碱性环境中，与组成粘土矿物的二氧化硅和三氧化二铝的一部分或大部分进行化学反应：o逐渐生成了不溶于水的稳定结晶化合物，其在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。（四）碳酸化作用o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：o生成不溶于水的碳酸钙，能使水泥土的强度增长，但速度较慢，幅度较小。o水泥和软土搅拌越充分，混合越均匀，则水泥土强度的离散性越小，宏观的总体强度也越高。三、水泥土的物理力学性质三、水泥土的物理力学性质（一）、水泥土的物理性质（一）、水泥土的物理性质（一）、水泥土的物理性质（一）、水泥土的物理性质1.1.重度重度l水泥土的重度仅比天然软上重度增如0.5%3.0%，也不会产生较大的附加沉降。2.2.相对密度相对密度l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%。3.3.含水量含水量l水泥土的含水量一般比原状土降低0.57%4.4.抗渗性抗渗性l渗透系数K一般在10-710-8cm/s（二）、水泥土的力学性质（二）、水泥土的力学性质1.1.无侧限抗压强度无侧限抗压强度S水泥土的无侧限抗压强度qu在0.34.0MPa之间，比原状土提高几十倍乃至几百倍。2.2.抗拉强度抗拉强度3.3.抗剪强度抗剪强度4.4.变形特性变形特性5.5.压缩系数和压缩模量压缩系数和压缩模量（三）、影响水泥土的无侧限抗压强度的因素（三）、影响水泥土的无侧限抗压强度的因素 影响因素主要有：影响因素主要有：1.水泥掺入比2.水泥标号3.龄期4.含水量5.有机质含量6.外掺剂7.养护条件等1.水泥掺入比水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大，当 5%时，由于水泥与土的反应过弱，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%。【例题1】o某工程采用水泥土搅拌法加固，桩径为500mm，水泥用量为55kg/m，土的湿重度为17.0kN/m3，则：1、该工程的水泥掺入量最接近下列哪个值?(A)14.5%(B)15.5%(C)16.5%(D)17.5%2、该工程的水泥掺量最接近下列哪个值?(A)270kg/m3 (B)280kg/m3 (C)290kg/m3 (D)300kg/m3 2.龄期对强度的影响o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:【例题2】l某水泥土配比，某水泥土配比，7d7d龄期的水泥土抗压强度为龄期的水泥土抗压强度为0.8MPa0.8MPa，则其则其28d28d龄期的水泥土强度最接近下列哪个值？其龄期的水泥土强度最接近下列哪个值？其90d90d龄期的水泥土强度最接近下列哪个值？龄期的水泥土强度最接近下列哪个值？(A)1.25MPa (B)1.45MPa (C)1.70MPa(A)1.25MPa (B)1.45MPa (C)1.70MPa(D)2.00MPa (E)2.35MPa(D)2.00MPa (E)2.35MPal某水泥土配比试验，在水泥掺入量为某水泥土配比试验，在水泥掺入量为12%12%时，其时，其90d90d龄龄期的水泥土抗压强度为期的水泥土抗压强度为2.0MPa2.0MPa，在水泥掺入量为，在水泥掺入量为15%15%时，其时，其90d90d龄期的水泥土强度最接近下列哪个值龄期的水泥土强度最接近下列哪个值?(A)2.5MPa (B)3.0MPa (C)3.2MPa (D)3.5MPa(A)2.5MPa (B)3.0MPa (C)3.2MPa (D)3.5MPa 3.水泥标号对强度的影响 o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)%。4.含水量对强度的影响 o水泥土的无侧限抗压强度 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，无侧限抗压强度则从 260kPa增加到 2320kPa。一般情况下，土样含水量每降低 10，则强度可增加(1050)%。5.地基土中有机质含量对强度影响o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。由于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。6.外掺剂对强度的影响o不同的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响。如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，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。o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%，故在加固软土时掺入粉煤灰，不仅可消耗工业废料，还可稍微提高水泥土的强度。7.养护方法o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。o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。四、水泥土的应用四、水泥土的应用1.1.支护结构支护结构 重力式支护结构；止水帷幕；重力式支护结构；止水帷幕；SMWSMW工法工法2.2.地基加固地基加固 提高地基强度；控制沉降；防止液化提高地基强度；控制沉降；防止液化（一）、支护结构（一）、支护结构水泥土墙水泥土墙止水帷幕 SMW工法承 受 荷 载与 防 渗 挡水 结 合 起来,使 之 成为 同 时 具有 受 力 与抗 渗 两 种功 能 的 支护 结 构 的围护墙 导沟开挖导沟开挖 置放导轨置放导轨 SMWSMW钻拌钻拌 置放应力补强材（置放应力补强材（H H型钢）型钢）施工完成施工完成SMW SMW（二）、地基加固a)柱状布置；b)壁状布置；c)格栅状布置；d)块状布置 五、水泥土搅拌桩地基的设计1.1.设计原理设计原理2.2.布桩型式布桩型式3.3.单桩容许承载力单桩容许承载力 4.4.复合地基承载力复合地基承载力5.5.下卧层地基强度验算下卧层地基强度验算6.6.沉降计算沉降计算 （一）、设计原理1.1.桩土共同承载桩土共同承载桩的承载力桩的承载力+桩间土承载力（折减）桩间土承载力（折减）2.2.沉降沉降桩范围的压缩桩范围的压缩+桩端以下土的沉降桩端以下土的沉降（二）、布桩型式o水泥土桩的布置形式对加固效果很有影响，一般根据工程地质特点和上部结构要求可采用柱状、壁状、格栅状、块状以及长短桩相结合等不同加固型式。1.1.柱状柱状o每隔一定距离打设一根水泥土桩，形成柱状加固型式，适用于单层工业厂房独立柱基础和多层房屋条形基础下的地基加固，它可充分发挥桩身强度与桩周侧阻力。2.2.壁状壁状o将相邻桩体部分重叠搭接成为壁状加固型式，适用于深基坑开挖时的边坡加固以及建筑物长高比大、刚度小、对不均匀沉降比较敏感的多层房屋条形基础下的地基加固。3.3.格栅状格栅状o它是纵横两个方向的相邻桩体搭接而形成的加固型式。适用于对上部结构单位面积荷载大和对不均匀沉降要求控制严格的建（构）筑物的地基加固。4.4.长短桩相结合长短桩相结合o当地质条件复杂，同一建筑物坐落在两类不同性质的地基土上时，可用3m左右的短桩将相邻长桩连成壁状或格栅状，藉以调整和减小不均匀沉降量。o水泥土桩的强度和刚度是介于柔性桩（砂桩、碎石桩等）和刚性桩（钢管桩、混凝土桩等）间的一种半刚性桩，它所形成的桩体在无侧限情况下可保持直立，在轴向力作用下又有一定的压缩性，但其承载性能又与刚性桩相似，因此在设计时可仅在上部结构基础范围内布桩，不必像柔性桩一样需在基础外设置护桩。（三）、单桩容许承载力 l单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定。初步设计时也可按定。初步设计时也可按（I I式）式），并应同时满，并应同时满足足（IIII式）式）的要求，应使由桩身材料强度确定的要求，应使由桩身材料强度确定的单桩承载力大于（或等于）由桩周土和桩端的单桩承载力大于（或等于）由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力：土的抗力所提供的单桩承载力：(I式)(II式)(四）、复合地基的设计计算 o加固后搅拌桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地加固后搅拌桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，也可按下式计算：基载荷试验确定，也可按下式计算：式中：式中：复合地基容许承载力复合地基容许承载力(kPa)(kPa)；桩间天然地基土容许承载力桩间天然地基土容许承载力(kPa)(kPa)；桩土面积置换率；桩土面积置换率；桩间土承载力折减系数。当桩端为软土时，可桩间土承载力折减系数。当桩端为软土时，可 取；当桩端为硬土时，可取。取；当桩端为硬土时，可取。(五)、下卧层地基强度验算l当搅拌桩处理范围以下存在软弱下卧层时，应按现行国当搅拌桩处理范围以下存在软弱下卧层时，应按现行国家标准家标准建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范GB 50007GB 50007的有关规定的有关规定进行下层承载力验算。进行下层承载力验算。假想实体基础底面压力假想实体基础底面压力(kPa)(kPa)；基础底面积基础底面积(m(m2 2)；假想实体基础的自重假想实体基础的自重(kN)(kN)；假想实体基础侧表面积假想实体基础侧表面积(m(m2 2)；假想实体基础侧表面平均摩阻力假想实体基础侧表面平均摩阻力(kPa)(kPa)；假想实体基础边缘地基土的容许承载力假想实体基础边缘地基土的容许承载力(kPa)(kPa)；假想实体基础底面积假想实体基础底面积(m(m2 2)；假想实体基础底面经修正后的地基容许承载力假想实体基础底面经修正后的地基容许承载力(kPa)(kPa)。(六）、沉降计算水泥土桩复合地基的变形包括：水泥土桩复合地基的变形包括：l搅拌桩复合土层的平均压缩变形搅拌桩复合土层的平均压缩变形S S1 1l桩端下未加固土层的压缩变形桩端下未加固土层的压缩变形S S2 2 1.1.搅拌桩复合土层的压缩变形搅拌桩复合土层的压缩变形S S1 1可按下式计算可按下式计算 P 桩群顶面的模量(kPa)A1假想实体基础的底面积(m2)L 搅拌桩平均压力(kpa)P0桩群底面土的附加压力(kPa)Esp桩群体的压缩模量(kPa)Ep水泥土搅拌桩的压缩模量(kPa)Es 桩间土的压缩桩长(m)p桩群底面以上土的加权平均重度(kN/m3)f 2.2.桩端下未加固土层的压缩变形桩端下未加固土层的压缩变形S S2 2o桩端以下未加固土层的压缩变形可按现行国家标准建筑桩端以下未加固土层的压缩变形可按现行国家标准建筑地基基础设计规范地基基础设计规范GB50007GB50007的有关规定进行计算。的有关规定进行计算。【例题3】l沿海某软土地基拟建一幢六层住宅楼，天然地基土承载力特征值为沿海某软土地基拟建一幢六层住宅楼，天然地基土承载力特征值为70kPa70kPa，采用搅拌桩处理。根据地层分布情况，设计桩长，采用搅拌桩处理。根据地层分布情况，设计桩长10m10m，桩径，桩径0.5m0.5m，正方形布桩，桩距，正方形布桩，桩距1.1m1.1m。依据。依据建筑地基处理技术规范建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)(JGJ79-2002)，这种布桩形式复合地基承载力特征值，这种布桩形式复合地基承载力特征值f fspsp最接近于下最接近于下列那一个数值列那一个数值?l已知：桩周土的平均摩擦力已知：桩周土的平均摩擦力=15kPa=15kPa，桩端天然地基土承载力特征值，桩端天然地基土承载力特征值q qp p=60kPa=60kPa，桩端天然地基土的承载力折减系数，桩端天然地基土的承载力折减系数取取0.50.5，桩间土承载，桩间土承载力折减系数取力折减系数取=0.85=0.85，水泥搅拌桩试块的无侧限抗压强度平均值，水泥搅拌桩试块的无侧限抗压强度平均值取取1.5MPa1.5MPa，强度折减系数取，强度折减系数取=0.3)=0.3)l(A)105kPa (B)123kPa (C)146kPa (D)150kPa(A)105kPa (B)123kPa (C)146kPa (D)150kPa【例题4】某工程采用水泥土搅拌桩处理地基，桩径为500mm，桩长为6m，间距为1.2m的正方形布置，桩间土压缩模量为3.5MPa，搅拌桩桩身强度为1.5MPa，则搅拌桩复合土层的压缩模量最接近下列哪个值?(A)19.5MPa (B)21.5MPa (C)23.5MPa (D)27.5MPa【例题5】l某多层住宅建筑，地上6层，采用筏板基础，带半地下室，筏板基础长60m，宽12m，基础埋深为地表下2.5m，地下水位在地表下1.5m。筏基底板以下拟建场地的地层情况及土层物理力学指标如下表所示。荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值为120kPa，荷载效应准永久组合时，基础底面处的附加压力p0为85kPa。序号序号土层名称土层名称厚度厚度(m)(m)含水量含水量(%(%)孔隙比孔隙比Ip压缩模量压缩模量(MPa)(MPa)(kPa)(kPa)(0 0)承载力承载力特征值特征值(kPa)(kPa)1 1粉质粘土粉质粘土1.0m1.0m35350.950.9515155.05.0101015151001002 2淤泥质土淤泥质土8-12m8-12m65651.451.4518182.22.29 95 560603 3粉质粘土粉质粘土4-8m4-8m32320.750.7511118.98.9151520201301304 4砂质粉土砂质粉土大于大于10m10m30300.70.75 511.011.08 82525160160水泥土搅拌桩基本设计参数：l设桩长l=8m，桩径500mm。l设计采用正方形布桩，桩距1.2m，置换率m0.136，桩间土承载力折减系数，按建筑地基处理技术规范规定：“当桩端未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.50.9，”，取0.5。l桩身材料强度等级：取水泥掺量15，试验测出的kPa。l桩身强度折减系数取0.3。【问题】1.水泥土搅拌桩单桩承载力特征值最接近下列哪个值?(A)100kN (B)105kN (C)106kN (D)110kN (E)117kN2.水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值最接近下列哪个值?(A)98.8kPa (B)120kPa (C)125kPa (D)135kPa3.沉降计算点a的沉降最接近下列哪个值?(A)55.5mm (B)102.0mm (C)119.2mm4.沉降计算点b的沉降最接近下列哪个值?(A)55.5mm (B)102.0mm (C)119.2mm5.沉降计算点c的沉降最接近下列哪个值?(A)55.5mm (B)102.0mm (C)119.2mm六、水泥土搅拌桩的施工六、水泥土搅拌桩的施工o施工机械o施工工艺 o水泥掺量及外加剂o水泥土墙施工要点（一）、施工机械（一）、施工机械 主机主机一般的施工工艺流程（一次喷浆、二次搅拌）一般的施工工艺流程（一次喷浆、二次搅拌）（二）、施工工艺（二）、施工工艺就位就位预搅下沉预搅下沉（制备水泥浆）（制备水泥浆）提升喷浆搅拌提升喷浆搅拌 沉钻复搅沉钻复搅 重重复复提提升升搅搅拌拌(三）、水泥掺量及外加剂三）、水泥掺量及外加剂1.1.水泥掺量水泥掺量l水泥掺入比（单位体积搅拌桩中水泥与土的重量比），一般为1216%水灰比1：11：0.52.2.外加剂外加剂外 掺 剂作 用掺量（%）碳 酸 钠早 强0.2 0.4氯 化 钙早 强2 5三乙醇胺早 强0.05 0.2木质素磺酸钙减水、可泵0.2 0.5粉 煤 灰填充、早强50 80（四）水泥土搅拌桩施工要点（四）水泥土搅拌桩施工要点（1 1）复搅工艺）复搅工艺 确保搅拌均匀，必要时采用确保搅拌均匀，必要时采用“二喷三搅二喷三搅”工工艺艺 （干法工艺为一次搅拌，因而不均匀）。（干法工艺为一次搅拌，因而不均匀）。（2 2）提升速度与喷浆速度）提升速度与喷浆速度 提升搅拌速度不宜大于提升搅拌速度不宜大于0.5m/min0.5m/min；提升速度与喷浆速度应协调，以保证延桩提升速度与喷浆速度应协调，以保证延桩 身全长喷浆均匀。身全长喷浆均匀。