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深层搅拌桩支护详解

312 2021-08-19 09:24:57

深层搅拌桩是加固软土地基的一种新方法,它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂,通过深层搅拌机械,将软土和固化剂 (浆液或粉体)强制搅拌,利用固化剂和软土之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桩体。

二次大战后,美国首先研制了水泥就地搅拌桩(MIP),桩径 0.3~0.4m,长度10~12m。 50 年代引入日本,1974 年由日本港湾技术研究所等合作研制成功水泥搅拌固化法(CMC法)。1977 年国内由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院开始进行深层搅拌法的室内试验和机械研制工作。1978 年制造出国内第一台 SIR—1 型双轴搅拌机。1980 年天津市机械施工公司等首先改制成单轴深层搅拌机。1983 年铁道部第四勘测设计院等开始进行粉体喷射搅拌法加固的试验研究。1990 年日本大玻防水建设社研制开发了一种新的搅拌施工工艺 RR 工法,施工时搅拌头上下、左右、旋转翻滚成桩,一次成桩单元桩体直径达 2m。

深层搅拌法最适宜于各种成因的饱和软粘七,包括淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土等。加固深度从数米至 50~60m,国内最大深度可达 15~18m。一般认为含有高岭石、多水高岭石与蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好; 含有伊里石、氯化物等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。

上海地区 5~7m 开挖深度的基坑,其挡土结构过去多采用钢板桩。由于钢板桩打桩、拔桩时,施工噪声大、振动大、对土体扰动大,施工时产生较大的变形,隔水性能差,周围建筑物及地下管线会引起较大的沉降与位移。

我国宝钢工程在 80 年代初开始应用搅拌桩代替钢板桩作支护结构获得成功。国内多采用格栅形式,即重力坝式挡墙。这种支挡结构不透水,不设支撑,使基坑能在敞开的条件下开挖,而使用的材料仅水泥而已,因此具有较好的经济效益,深受欢迎。近几年来被广泛用于 5~7m 深基坑围护结构。


水泥土的加固机理与特性

水泥土的加固机理

水泥加固土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同。混凝土的硬化主要是水泥在粗细填充料中进行水解和水化作用,所以凝结速度较快。在水泥加固土时,由于水泥的掺量很小(仅占被加固土重的 7%~15%),水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质——土的围绕下进行,所以硬化速度缓慢且作用复杂,因此水泥加固土的强度增长过程也比混凝土缓慢。

水泥土加固基本原理是水泥与土经搅拌后发生一系列的化学反应而逐步硬化,其主要反应有∶

(1)水泥的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥主要由氧化钙、二氧化硅等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、含水铝酸钙等化合物,

(2)粘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发应。

(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。

水泥土加固的反应过程如图 3-1 所示。由水泥加固土的机理可见,由于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现象,土团之间的大孔隙基本上被水泥颗粒填满。所以加固后的水泥土中形成在大小土团中没有水泥,其周围则水泥较多的情况。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,水泥土中不可避免地会有强度较大和水稳定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。可以定性地讲,水泥和土之间的强制搅拌越充分,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越高。

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表 3-1 为取自不同地区的淤泥,有机质各组份对水泥土的无侧限抗压强度的影响,其中以有机碳和富里酸含量的影响较为明显。有机碳与富里酸含量愈高,则水泥土的强度愈低。有机质会延缓水泥的水化反应进程或使水化产物解体,破坏水泥土结构的形成,影响水泥土强度增长。在有机质含量高的土中,应慎用水泥搅拌法,必要时得增加水泥掺合比或选用早强型的外掺剂。

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粉煤灰对强度的影响

掺加粉煤灰的水泥土,其强度一般比不掺粉煤灰的有所增长,如图 3-7 所示。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%,因此采用深层搅拌法加固软土时掺入粉煤灰,不仅可利用工业废料,还可稍微提高水泥土的强度。

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外掺剂对强度的影响

常用的外掺剂有木质素磺酸钙、石膏、碳酸钠、氯化钙、三乙醇胺等。根据工程需要可选用早强、缓凝及减水等性能的外掺剂。

不同的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响,例如木质素磺酸钙对水泥强度增长影响不大,主要起减水作用。因为水泥浆的水灰比对水泥土的强度有很大影响,由于软土中的含水量已很高,水灰比不应大于 0.5~0.6,水泥浆的稠度须满足泵送要求,故水泥浆中必须掺加减水剂,例如木质素磺酸钙。一般掺量为小泥用量的 0.2%,当增至 0.25%时,减水效果无明显变化。

早强剂可选用三乙醇胺、氯化钙、碳酸钠或水玻璃等,其掺量宜分别为水泥重量的 0.05%、2%、0.5%及 2%。

石膏兼有缓凝和早强作用,它与水泥水化物反应生成的钙矾石结晶,能大量吸附软土中的自由水分,因此对水泥土有增强作用。此外,在水泥硬化过程中,还具有一定的缓凝作用,所以又有利于搅拌施工,一般掺入量为水泥用量的 2%。