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岩土研究院

粉体喷射搅拌法的原理

335 2022-03-29 10:09:29

粉体喷射搅拌法是在软土地基中输入粉粒体加固材料,通过和原位地基土强制性的搅拌混合,使地基土和加固材料发生化学反应,在稳定地基土的同时提高其强度的方法。

1.施工原理

由空气输送的加固材料,向着通过搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷出。并随着搅拌叶片的旋转均匀散布在整个空隙轨迹面内,进而和原位地基土搅拌并混合在一起。和加固材料分离后的空气就沿着搅拌轴,由轴与土的缝隙处排出地面。

2.固结原理

粉体喷射搅拌法使用的固化剂除石灰、水泥之外,还有石膏及矿渣等。也可使用粉煤灰等作为掺加料。但是在目前实际工程中使用的主要是石灰和水泥,它们与软土拌合后通过固结反应等形成稳定的石灰土。以下着重介绍石灰土的固结反应。

(1〕石灰的吸水、发热、膨胀作用

在软弱地基中加入生石灰,它便和土中的水分发生化学反应,形成熟石灰。在这一反应中,有相当于生石灰重量32%的水分被吸收。

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形成熟石灰时,每一摩尔产生 15.6kcal的热量,通过1kg的 CaO的水化作用,发出280kcal热量。这种热量又促进了水分的蒸发,从而使相当于生石灰重量 47%的水分蒸发掉。也就是说,形成熟石灰时土中总共减少了相当于生石灰重量 79%的水分。另外,由生石灰变为熟石灰的过程中,石灰体积彰胀一至二倍,促进了周围土的固结。

(2)离子交换作用与土微粒的凝聚作用

刚变为燕石灰后,它处于绝对干燥状态,有很强的吸水能力。这种吸水作用持续到与周围土平衡为止,进一步降低了周围土的含水量。在这种状态下,化学反应式如下;

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利用石灰固化处理地基的作用,分为形成熟石灰快速反应的前半过程与形成熟石灰以后缓慢的后半过程。

地基土掺加一定数量的生石灰后,所产生的高温和高 pH 值〈可超过 12),促进了土中的化学反应。

3.拌人石灰后软土物理力学性质的变化

为了研究不同类型软土的石灰加固效果,铁道部第四勘测设计院曾先后选择了我国南方两处有机质含量较高,及中南地区一处有机质含量一般的软土。事先按不同的含水量,不同的加固料及播人量和不同的养护龄期制成试件。进行各种物理力学性试验,以寻找灰土的最佳加固效果及最佳配比。大量试验结果表明∶

(1)加灰后软土的液性指数I,随着含灰量的增加呈线性递减。当制备含水量小于50%时,加灰后的液性指数I,很快小于零,而使土从原来的流塑状态进入半固态或固态,提高了土的强度(见图3-3-25)。

(2)在一定的稳定压力下,灰土的压缩量随着石灰粉含量的增加呈线性递减(见图3-3-26)。

从图中可以看出,当加灰量为15%,稳定压力为AP=300kPa时,其压缩量减少近三倍。

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(3)加灰以后软土的压缩系数a,减小,侧限变形模量 E。增大,见表3-3-20。

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(4)加灰后软土的无侧限抗压强度变化

软土经过加固后。其强度一般用无侧限抗压强度来表示。取自腰古云浮硫铁矿专用线的试样表明。其原状土的无侧限抗压强度为 27kPa。加入生石灰并掺加少量石营后,

灰土的无侧限抗压强度明显提高。不同龄期下其无侧限抗压强度 q.见表3-3-21。

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Brand(1981),Erans 和 Bell(1981),Sera等人(1983)以及其他专家分别证明。加入生石灰通常能增加软粘土的透水性。然而,,Terashi 和Tanaka(1983)曾观察到对海相粘土增加石灰含量,透水性减小。当采用水泥加固时,这种减小是显著的。

铁道部第四勘测设计院从广东省肇庆取原状土样分析,粘土颗粒含量为49.63%,掺入15%的生石灰粉后,其粘土颗粒含量降低至 18.98%。证明软粘土加人生石灰后使颗粒粗化,增加了土的渗透性。石灰柱在不同类型的粘土中起到排水作用,并能提高沉降速率,这种情况在斯堪的纳维亚半岛最为常见(Broms)。