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岩土研究院

水泥土搅拌法的发展

338 2022-03-10 16:57:12

水泥土搅拌法是以水泥作为固化剂的主剂,通过特制的搅拌机械边钻进边往软土中喷射浆液或雾状粉体,在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌,使喷入软土中的固化剂与软土充分拌合在一起,由固化剂和软土之间所产生的一系列物理-化学作用,形成的抗压强度比天然土强度高得多,并具有整体性、水稳性的水泥加固土桩柱体,由若干根这类加固土桩柱体和桩间土构成复合地基。另外根据需要,也可将搅拌桩柱体逐根紧密排列构成地下连续墙或作为防水围幕、基坑工程围护挡墙、被动区加固、大体积水泥稳定土等。

搅拌法分为"深层搅拌法"(亦称湿法)和粉体喷搅法(简称干法)。深层搅拌法是使用水泥浆作为固化剂的水泥土搅拌法;粉体喷搅法是以干水泥粉(石灰粉)作为固化剂的水泥土搅拌法。深层搅拌法亦称为浆液搅拌法;粉体喷搅法详称粉体喷射搅拌法。

所谓"深层"搅拌法是相对"浅层"搅拌法而言的。20世纪 20年代,美国及西欧国家在软土地区修建公路和堤坝时,经常采用一种"水泥土"(或石灰土)来作为路基或坝基。这种水泥土(或石灰土)是按照地基加固所需的范围,从地表挖取0.6~1.0m 深的软十,在附近用机械或人工拌人水泥或石灰,然后放回原处压实,这就是最初始的软土的浅层搅拌加固法。这种加固软土的方法,深度一般小于1~3m。后来随着加固技术的发展,浅层搅拌法逐步发展成在含水量高的软土地基中原位进行加固处理,搅拌翼做成复轴,喷嘴一边喷出水泥乳状物等固化材料,一边向下移动,并缓慢向前推进。处理深度一般为3~4m.对干处理深度小于2m 的就称为表层处理。浅层搅拌法是从路基稳定方法中发展而来的,即先在软土中散布石灰或水泥等粉体固结材料,再将其卷人土中混合搅拌;而深层搅拌法用特制的搅拌机械,一般能使加固深度都大于 5m,国外最大加固深度可达 60m。

水泥土搅拌法适用于软土地基的加固。如沿海一带的海滨平原、河口三角洲、湖盆地周雷、山间谷地等沉积的河海相软土,对在这类沉积厚度大、含水量高(一般在 60%~80%,高者达100%~200%)、孔隙比大于1.0、抗剪强度低、压缩性高、渗透性差的软土地区进行建筑时,通常都需要进行地基处理。深层搅拌法是一种有效的地基处理方法,它具有成桩效率高、成本低、施工占地面积小、不使施工现场周围遭受污染,并且施工过程中无振动、无噪音等特点,特别适合于城市中心区及建筑物较为密集的地域施工和加固。对旧城改造的地基加固施工,深层搅拌法是最佳选择方案,尤其对 20m 深度范围内没有理想持力层的软土地基。

9.1.2 发展概况

1824年,英国人阿斯皮琴首先制造出硅酸盐水泥并获得专利;1885年,又在德国提出了用硅酸盐水泥作为注浆材料的专利申请。

1915年,日本在长崎县松岛煤矿竖井开挖工程中采用水泥灌浆进行止水。

1917年,美国开始用水泥拌和粘土作为道路的基层材料;1920年又用石灰拌和粘土作为路基;而建于1945年的得克萨斯高速公路基层的石灰土加固效果至今仍为人们所承认。美国在第二次世界大战后研制成功一种就地搅拌桩(MIP),即从不断回转的螺旋转中空轴的端部向周围已被搅松的土中啧射水泥浆,经叶片的搅拌而形成水泥土桩,桩径0.3~0.4m,长度10~12m

1953年日本清水建设株式会社从美国引进这种施工方法,继而又开发出以螺旋钻机为基本施工机械的 CSL法和 MR-D法(以开发公司名称的首字母命名)。CSL法和 MR-D法都是采用螺旋钻杆上带有特殊形状的搅拌翼片,并通过钻杆供给水泥浆。与十进行强制搅拌而成。

到了60年代,日本和瑞典分别开发研制成功一种用于加固深层软土的方法一—深层搅拌法,可用来处理地下深部的河流冲积软土、湖沼和海底极软的沉积土,以及河道两岸的超软吹填土,甚至新近沉积的淤泥等。一般采用的固化剂均为水泥浆或石灰粉。

1965年日本运输省港湾技术研究所开发生产的DLM法,即将石灰掺入软弱地基中加以原位搅拌,使之固结的深层搅拌工法。施工机械如图9.1.1。DLM法是由两根带有旋转叶片的回转轴及在其中间部位兼作导向柱的固化剂输人管组成,固化剂是从两个搅拌面的交叉部位输入地基中的,通常形成图9.1.1所示的两个圆叠合形状断面的双柱状加固体。1967年,日本港湾技术研究所土工部参照 MIP 工法的特点,开始研制石灰搅拌施工机械。1974年由日本港湾技术研究所等单位又合作开发研制成功水泥搅拌固化法(CMC),用于加固钢铁厂矿石堆放地基。加固深度达 32m。接着,日本各大施工企业接连开发研制加固原理、固化剂接近、机械规格和施工效率各异的深层搅拌机械,例如深层化学搅拌法 DCM(Deep Continuous Method),深层水泥搅拌法DMIC(Deep Mixing Improvement by Cement Stabilizer), 深层水泥固结法 DCCM(Deep Cement ContinuousMixing Method)等。这些施工机械一般具有偶数个搅拌轴(2根、4 根或8根),每个搅拌叶片的直径可达1.25m,一次加固的最大面积可达9.5m²,常在港工建筑中的防波堤、码头岸边及高速公路高填方下的深厚层软土地基加固工程中使用。

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我国于20世纪 70年代末致力于这项技术的开发并应用于工程实践中。1977 年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院进行了室内试验和机械研制工作。干 1978年底制造出我国第一台 SJB-1型双搅拌轴、中心管输浆的搅拌机械,并由江阴市江阴振冲器厂成批生产(目前 SJB-2型加固深度可达 18m)。1980年初在上海宝钢三座卷管设备基础的软土地基加固工程中首次获得成功。1980年初天津市机械施工公司与交通部一航局科研所,利用日本进口螺旋钻孔机械进行改装,制成单搅拌轴和叶片输浆型搅拌机(GZB-600 型,之后又开发 600 型双轴叶片喷浆搅拌机),1981年在天津造纸厂蒸煮锅改扩建工程中获得成功。尔后,浙江大学和浙江临海市一建公司机械施工处共同研制成功 DS-Ⅱ型单头深层搅拌机,最大加固深度20~22m,桩径φ400~700mm。1984年国内开始由江阴市振冲器厂生产 SJB型成套搅拌机械,加固深度可达25~30m。1985年浙江省建筑设计院在衡州市新建8层大楼工程中应用搅拌法加固人工杂填土地基,扩大了搅拌法适用土质范围。1987年,浙江有色勘察研究院在吸收双轴搅拌机优点的基础上,结合施工实践研制成功了DJB-140型单头搅拌机,并先后在昆明,武汉、江苏、福州、浙江、天津、上海、汕头、新疆、广州等地区应用.效果良好。交通部第一航务工程局1992年开发了我国第一代搅拌船,该机双头拌和,搅拌深度可达 28.1m,叶片直径φ1200mm,间距可调,并设有自动定位系统和施工参数自动监控系统,1994年5月通过了部级鉴定,使我国搅拌技术在某些方面跨入了国际先进行列。

近十年来,搅拌法加固技术发展迅速。目前,按照固化材料的种类可分为水泥系搅拌(喷射水湿浆或雾状水泥粉体)和石灰系搅拌(喷射零状石灰粉体)等∶若按喷射材料的形态可分为浆液搅拌(喷射水泥浆等)和粉体喷射搅拌(喷射零状石灰粉体或水泥粉体、石灰水泥混合粉体等)。

粉体喷射搅拌法(Dry Jet Mixing Method,简称DJM 法)最早由瑞典人Kjeld Paus 于1967 年提出了使用石灰搅拌桩加固 15m 深度范围内软土地基的设想,并于 1971年瑞典 Linden-Alimat公司在现场制成第一根用石灰粉和软土搅拌制成的桩,次年在瑞典岩土工程研究院的试验场地进行了石灰十搅拌桩的载荷试验.1974 年获得粉喷技术专利,并在瑞典首都斯德哥尔摩以内的十公里处的 Hudding采用石灰粉体喷射搅拌桩,使其成为路堤和深基坑的边坡稳定措施。瑞典 Linden-Alimat 公司还生产专用的成桩施工机械,桩径可达 500mm.最大加固深度可达 10~15m,目前,瑞典所使用的石灰搅拌桩可达数百万延米。

由于粉体喷射搅拌法采用粉体作为固化剂,不再向地基中注入附加水分,反而能充分吸收周围软土中的水分,因此加周后地基的初期强度高,对含水量高的软加固效果尤为显冠著。由于施工中无噪音、无振动、无污染,对周围环境和建筑物无不良影响,该技术在国外得到广泛应用。我国铁道部第四勘测设计院于 1983年初开始进行粉体喷射搅拌法加固软土的试验研究,并于1984 年在广东省云浮硫铁矿铁路专用线上单孔4.5mn 盖板箱涵软土地基加固工程中使用,后来相继在武昌和连云港用于下水道沟槽挡土墙和铁路涵洞软基加固,均获得良好效果。国内使用的搅拌机是1987年铁四院和上海探矿机械厂共同开发的单头 GPP-5型桩机,桩径φ500mm,桩长 8m,经过几年的实践和改进,上海探矿机械厂、铁道部武汉工程机械研究所等厂家纷纷生产了步履式单头粉喷搅拌机 GPP 型和 PH 型等,桩长可达 14~20m,桩径φ500nm。之后铁四院与空军雷达学院共同开发的 GS-1型气固两相粉体流量计,使计量监控有了发展,它为软土地基加固技术开拓了一种新的方法,可在铁路、公路、市政工程、港口码头、工业与民用建筑等软土地基加固方面推广使用。

铁道部科学研究院1988年研制成功的 DDG-2 型工程钻机,配以泥浆泵和粉喷机等可以进行浅层水泥浆搅拌和粉喷搅拌,加固深度6m,成孔直径 200mm,可做 60°的斜搅,主要用于整治路基和基床病害。