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岩土研究院

钢渣桩加固的一般要求

347 2022-04-13 10:28:30

钢渣桩是由日本的烟博昭等人率先开发研制的一种以转炉钢渣为桩体主要材料的柔性材料桩,是利用机械成孔后填人作为固化剂的转炉钢渣并加以压实后形成的桩体。钢渣桩利用制桩过程中对桩周土的振密、挤压和桩体材料的吸水、膨胀以及与桩周土的离子交换、凝硬反应等作用,改善桩周土体的物理力学性质,并与桩周土一起共同构成复合地基。达到加固地基的目的。经钢渣桩加固地基承载力通常可提高 100%。压缩模量可提高40%左右。

由于钢渣桩在加固地基的同时,不仅消化了大量的工业废料,节省了投资,而且保护了环境,减少了污染和对耕地的占用,因此,钢渣桩在环保要求日益提高、物质资源日益匮乏的今天,具有极大的推广价值。

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水化初期,间隔较大的水化钢渣粒子放射出纤维状的水化硅酸钙,由于其晶粒大小相当于胶体尺寸而具有凝胶体的特性,又称为水化硅酸钙凝胶体。随着水化的深入,许多小的水化粒子相互接触并把结晶度较完整的水化物缠绕在一起,形成互相联锁的网状结构,桩体逐渐形成强度;当水化发展到一定程度后,每个水化粒子放射出的水化物凝胶的区域相互交织,网络状粒子连成一体。并将厚实的氢氧化钙晶体包裹在一起,桩身形成了一定的强度。

由于钢渣中具有的水硬性矿物总和仅占 45%一55%。而目所含的水化能力拉曝的CgS晶体(含有MgO和ALO1的固溶体)一般发育较大,活性较低,含量也较少,因而水化速率和能力比硅酸盐水泥低,尤其是早期强度更低。为改善钢渣桩的性能,如掺以 10%左右的硅酸盐水泥,则可使各龄期的钢渣强度均取得显著提高,见表3-9-2。

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由于钢渣材料的水化反应吸收了桩周土体中大量的水分,在桩体水化强度不断形成的同时,桩周土的物理力学性能也得到改善。

2.膨胀挤密作用

钢渣材料填入桩孔后、土中水和部分土体进入桩体,与钢渣发生了一系列水化反应,生成了水化产物,使固相体积增大。桩体发生膨胀。对周围土体产生挤压。由于桩周土中大量水分子被钢渣材料水化反应消耗,土体饱和度大大降低,桩体的膨胀使土的孔隙减小、体积压缩,桩周土的密实程度显著提高。上海铁道大学的现场实测表明,以管径275mm或325mmn的钢管打入的钢渣桩,膨胀后可达450~600mm的直径。桩间土孔隙比可减少0.2~0.6,挤密效果十分显著。

3.离子交换和凝硬反应

桩外围的钢渣材料水化生成的氢氧化钙中的钙离子Ca*+能与土中含量较多的带有钠离子 Na*或钾离子K*的硅酸胶体微粒进行当量吸附交换,使较小的土颗粒形成较大的土团粒;由于钢渣水化生成的凝胶粒子具有很大的表面能,能进一步使土团粒结合起来。并封闭各土团之间的空隙。形成坚固联结,从而使桩与土的结合层的强度大大提高。

当结合层中的钙离子含量超过上述离子交换的需要后,在碱性的环境中,粘土矿物中的二氧化硅和三氧化二铝可与钙离子化合,逐渐生成不容于水的稳定结晶化合物,如水化硅酸钙、水化铝酸钙及钙黄长石水化物等,使桩与桩周土结合层处的强度进一步提高,形成了类似桩体的硬壳,相应增大了桩的承载面积。

4.碳化作用

水化产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化反应,生成不溶于水的碳酸钙,也可使桩体的强度有所增加。

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5.桩体作用

钢渣填料经水化、凝硬、碳化等一系列物理—化学反应后,形成粘结在一起的连续性、均匀性、直立性较好的桩体。由于钢渣桩的桩身模量较桩周改良后的土体模量大。在荷载作用下。为了保持桩体和桩间土之间的变形协调,基础传给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩身上,在桩身出现应力集中。据已有的现场实测资料,桩土应力比约在2~5左右,略高于粘性土中碎石桩的桩土应力比,与石灰桩较为接近。

6.成孔挤密作用

钢渣桩施工是由振动钢管下沉,使桩间土产生挤压和排土而成孔的,其挤密效果与土质、上覆压力及地下水状况等密切相关。一般地基土的渗透系数愈大,打桩效果愈好;挤密效果地下水位以上比地下水位以下好。但对灵敏度软高的饱和软粘土,成桩过程中非但不能挤密桩间土,还会破坏土的结构,造成土体强度降低。

7.排水效应

根据日本的有关资料,转炉销渣的渗透系数约为 10-4~10-3cm/s,比软土渗透系数大 100~1000倍,与细砂相当。在软土层中设置钢渣桩。可使软土中的水平排水路径大大缩短,加速软土的排水固结,具有类似砂井的作用。

(二)钢渣桩的适用范围

钢渣桩适用于素填土、杂填土、一般粘性土和软粘土上多层建筑(七层以下砖石结构。六层以下框架结构)和一般工业厂房的地基加固。对干触变性的饱和软十地基,因成桩过程会对土体结构造成极大的破坏,造成土体强度的大幅降低,应谨慎使用。

(三)钢渣桩复合地基的设计要,点1.桩的布置形式

钢渣桩的平面布置形式应根据地基土的性质、地下有无暗浜、空洞、上部荷载的情况,疏密有致的布置;满堂加固时可采用正方形或正三角形布桩;条形基础下也可将钢渣桩布置成格式或壁式,在荷载大的部位加密,襟边下渐疏。

为减少软土侧向变形引起的沉降,在基础外边缘不大于1.5倍桩径处应布置2~3 圈保护桩。

2.桩距

钢渣桩的桩距一般情况下可取2~3倍的成桩直径并控制在 1.2~1.5m左右。当地基受沉降控制时,可以式(3-9-1)估算

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