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岩土研究院

水泥土桩复合地基发展概况

347 2022-04-13 15:42:45

本章所介绍的水泥土桩泛指用机械或人工将土与水泥或水泥系材料混合所形成的圆柱形水泥土体。分为深层搅拌水泥土桩和夯实水泥土桩,由高压喷射混合所形成的旋喷桩将在第八章中论述。

深层搅拌水泥土桩是利用水派或水泥系材料为固化剂,通过特制的深层搅拌机械,在地基深处就地将原位土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌,形成水泥土圆柱体。由于固化剂和其它掺合料与土之间产生一系列物理化学反应,使圆柱桩体具有一定强度,桩周土得到部分改善,组成具有整体性、水稳性和一定强度的复合地基,也可作成连续的地下水泥土壁墙和水泥土块体以承受荷载或隔水。

夯实水泥土桩则是利用机械成孔(挤土、不挤土)或人工挖孔,然后将土(碴)和水泥拌合,夯入孔中所形成的桩。这种桩所用的土(碴)含水量可以得到控制,加之夯实所形成的高密实度,因此桩体具有较高强度(3~5MPa)用能节约水泥。在机械挤土成孔或夯填桩料时,对可挤密的桩间土具有明显的加强效果。

二、发 展 概况

自1824年英国人阿斯皮琴首先制造出硅酸盐水泥并取得专利以来,利用水泥灌浆止水,利用水泥和土拌合作为道路基层已得到应用,但主要是作土的浅层处理。

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钻中空轴的端部向周围已被搅松的士中喷出水泥浆。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杜从美国引进这种方法,继而又开发出以螺旋钻机为基本施工机械的 CSL法、MR一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,与土进行强制搅拌。

除了 MIP类螺旋钻施工法以外。在日本还有由海底地基稳定处理法发展而成的DLM 类施工法,由污泥拌合处理机派毕的具有连续施工特性的 HCM类施工法。以及喷射粉体的搅拌法——DJM 法。以上凡固化料用水泥浆液者统称 CDM 法(Cement Deep Mxing Method)。

所谓 DLM法,是1965年日本运输省港湾技术研究所开发的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。1974年由于大面积软土加固工程的需要,由日本港湾技术研究所、川崎钢铁厂等对石灰搅拌机械进行改造。合作研制开发成功水泥搅拌固化法(CMC),用于加固钢铁厂矿石堆场地基,加固深度达 32m。此外还有类似的 DCM法、POCM法等。

DLM施工法,如其名称中所指明的那样,是一种以生石灰为固化剂的施工法,施工机械如图3-10-1所示,由两根带有旋转翼片的回转轴及在其中间部位兼作导向柱的固化剂输入管组成,固化剂是从两个搅拌面的交叉部位输人地基中的,通常形成如图所示的两个圆叠合形状断面的双柱状加固体。

施工顺序是∶首先在预定的位置安装好机械,转动搅拌翼片,使其边切土边靠自重下沉。待搅拌翼片下沉到预定深度时开始压入固化剂,同时边提升搅拌轴边回转,使固化剂与地基土充分拌匀,形成柱状加固体。根据需要,也可将加固柱体搭接排列,形成壁状或块状加固体。

其它的 DLM类施工机械,是 DLM机械的改进型,几乎均采用水泥浆作固化剂。这些施工机械虽然各有特色,但基本结构都和 DLM 机械相同,都由支柱和偶数根搅拌轴(2、4、6、8根)组成。

采用改进型觉拌机时,因需输送浆状固化剂,输浆管应沿着支柱钢管安装。同时搅拌翼片要分段安装,可分为1~4层,每层翼片约2~3枚。图3-10-2是 POCM施工法2号机搅拌部分的示意图,沿着两根支柱外侧装有8 根搅拌轴。采用两其式搅拌翼片,安装成三层。本图或图 3-10-1 所示的搅拌掌片都分层安装,如图所示,当固化剂从最上面的搅拌翼片的上方输出时,加固柱底部因无固化剂而形成未加固的区域。为解决这个间题。除了沿支柱安装的输浆管外、还可通过搅拌轴输送水泥浆;也可在搅拌轴下部装设活接头。通过它将水泥浆送到名搅拌轴中,再经搅拌轴的输浆口灌入地基中。

HCM类施工法,是日本北川铁工所。受日本通产省技术研究基金资助、于 1975 年研究成功的海底软弱地基稳定处理法(Hedoro Contnuous Mirxing Method)的一系列施工方法法,包括 DCM法(Deep Contixuous Method),DeMIC法(Deep Mixing Improvement byCement Stalbilizer)和DOCM法(Deep Cerment Cantinuus Mbing Method))等三种施工法。

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这类施工方法,见图3-10-3,搅拌翼片边回转边上下移动,慢速前进,在一定的活动范围内连续进行加固。固化剂以水泥浆为主,采用加压送入搅拌轴的输送方式。水泥浆经搅拌轴从搅拌翼片背面的几个喷出口喷撒出来。

其施工顺序是∶先将搅拌翼片降落到预定位置的海底表面,启动搅拌翼片边回转,边喷出一定量的水泥浆,并以一定速度向前推进,直到搅拌翼片下降到设计深度,最后按一定的速度提升到海底表面。如此进行,直至完成全部加固范围。

搅拌翼片的运动轨迹,如图3-10-3中所描述的 W字型轨迹,它是由伺时进行的垂直上下和水平移动形成的。通过调整水平方向的移动速度,可提高同一地方混合搅拌的效果。

本方法也可进行和陆上机械那样的柱列状的加固。

日本的 CDM法还开发了伸缩式和连结式可变搅拌轴,以降低机架高度,增加搅拌深度。其水上搅拌船搅拌深度达水面下70m,海底下 50m,8头一次搅拌面积6.91m²,每小时搅拌能力达 90m²以上。

粉体喷射搅拌法(DJM)法,作为日本建设省综合开发计划中有关"地基加固新技术开发"的一部分,以建设省土木研究所(施工技术研究室)和日本建设机械化协会(建设机械化研究所)为中心,在1977年至 1979年所开发的专项技术,由于开发了在土中分离加固材料与空气以及排出空气的技术,使工法达到了实用化。DIM 法采用了压缩空气连续通过钻杆向土中喷射水泥粉的技术,其搅拌喷射头如图3-10-4。

搅拌机有单轴和双轴,标准搅拌直径 1000mm,深度达33m。

除日本外,美国、西欧、东南亚地区也广泛采用了CDM法。苏联在 1970年研究功一种淤泥水泥土桩,用于港湾建设工程中。淤泥含水量高达100%-120%,但掺加10~15%的水泥后,半年龄期强度可达 3MPa,较钢筋混凝土桩的造价低40%。

国内由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院于1977年开始进行深层搅拌法的室内试验和机械研制工作。1978年末,试制成功国内第一台 SJB一工型双搅拌抽、中心管输浆、陆上型的深层搅拌机及其配套设备,加固深度 10~12m。1979年在塘沽新港开始进行机械考核和搅拌工艺试验。1980年初上海宝山钢铁总厂的三座卷管设备基础,采用了深层搅拌处理软土地基,获得了成功。同年 11月由冶金部主持通过了"饱和软粘土深层搅拌加固技术"鉴定,开始了推广应用。目前的 SJB-Ⅱ型机加固深度可达15~18m,同时开发了单轴粉浆两用机 SJB—22D,SJB—37D。

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1980 年初天津市机械施工公司与交通部—航局科研所等单位合作、利用日本进口螺旋钻孔机。改装制成单搅拌轴、叶片输浆型深层搅拌机(GZB一600型,最近又开发了600 型双轴叶片喷浆搅拌机)。尔后,浙江大学和浙江临海市一建公司机械施工处共同研究成功 DSJ—Ⅱ型单头深层搅拌机,最大加固深度 20~22m,桩径 400~700mm。江阴振冲器厂正在试制大功率单轴搅拌机,加固深度 25~30m。交通部第一航务工程局1992年开发了我国第一代深层水泥搅拌船,该机双头拌和,搅拌深度 28.1m,叶片直径φ1200mm,间距可调,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,使我国深层搅拌技术的某些方面跨入国际先进行列。

1983年铁道部第四勘测设计院开始进行粉体喷射(石灰粉)搅拌法的试验研究,1984年在广东省云浮硫酸铁矿铁路专用线盖板箱涵软土地基加固工程中应用。使用的深层搅拌机是铁道部第四勘测设计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φ500mm。铁道部第四设计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。这些粉喷机目前多数采用水泥粉喷射,喷射生石灰粉者很少。

铁道部科学研究院 1988年研制成功 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 200tnm,可作 60°的斜搅,主要用于整治路基及道床病害。机型轻便,有望扩大使用。

90年代初期中国建筑科学院地基所开发成功夯实水泥土桩,并投入工程应用。