淺析在工程地基處理中深層攪拌法的運用
發布時間：2010-01-14 共1頁
1 前言
深層攪拌法是加固飽和軟粘土地基的一種方法，它是利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌機械，在地基深處就地將軟土和固化劑強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產生的一系列物理化學反應使軟土硬結成具有整體性、水穩性和一定強度的優質地基。深層攪拌法處理地基可增加地基承載力、減小沉降差、提高邊坡穩定性及擋水等。深層攪拌法處理后的地基承載力提高1~1.5倍。
深層攪拌法是相對于淺層攪拌而言，淺層攪拌法主要用于路基，凍漲土和邊坡穩定的處理。深層攪拌分水泥系深層攪拌和石灰系深層攪拌。下面介紹的是水泥系深層攪拌法及其工程應用實例。
國外自二次戰以來開始研制用于深層攪拌樁的深層攪拌機械，到70年代，已廣泛應用深層攪拌法處理地基，我國從70年代末開始進行深層攪拌的室內試驗和攪拌機械的研制工作，1979年在塘沽新港進行機械考核和攪拌工藝試驗，并獲得成功。80年代初推廣使用深層攪拌法，至今在上海、南京、連云港、唐山、昆明及內陸部分地區得到了廣泛應用。我們在某寫字樓（筏基）工程的地基處理中采用了深層攪拌法，取得了良好的技術經濟效果。
2 水泥加固土的原理 快把公路監理工程師站點加入收藏夾吧！
軟土與水泥采用機械攪拌加固的原理是基于水泥土的物理化學反應過程，它與混凝土的硬化機理有所不同。在水泥加固土中，由于水泥的摻量很小（占被加固土重的7%-15%），水泥的水解和水化反應完全是在具有一定活性介質——土的圍繞下進行，硬化速度緩慢且作用較復雜，所以水泥加固土的強度增長過程也比較緩慢。
2.1 水泥的水解和水化作用
硅酸鹽水泥的主要成分是由氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵及三氧化硫組成，而這些氧化物又分別組成了不同的水泥礦物；硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣等。用水泥加固軟土時，水泥顆粒表面的礦物很快與軟土中的水發生水解和水化反應，生成氫氧化鈣、含水硫酸鈣、含水鋁酸鈣和含水鐵酸鈣等化合物。其中，硅酸三鈣在水泥中含量最高（50%左右），是決定強度的主要因素；硅酸二鈣含量較高（25%），主要產生后期強度；鋁酸三鈣占水泥重量10%，水化速度快，能促進早凝；鐵鋁酸四鈣占水泥重量10%，能提高早期強度；硫酸鈣占水泥重量3%，能和鋁酸三鈣一起與水發生反應，生成一種水泥樣菌，對高含水量的軟土強度增加有特殊意義。
2.2 粘土顆粒與水泥水物的作用
離子交換和團化作用。通過離子交換，較小的土顆粒結合可形成較的土團粒；土團粒的進一步結合形成水泥土的團粒結構，并封閉各土團之間的空隙，形成堅固的聯結，也就使水泥土的強度得到提高。
凝硬反應。隨著水泥水化反應的深入，逐漸生成不溶于水的穩定的結晶化合物。這些化合物在水中、空氣中逐漸硬化，增加了水泥土的強度，而且其結構也比較密實，水分不容易侵入，從而使水泥土具有足夠的水穩性。
2.3 碳酸化作用
水泥水化物中的氫氧化鈣，吸收水中和空氣中的二氧化碳發生碳酸化反應生成不溶于水的碳酸鈣。這種反應能提高水泥土的強度，但速度較慢，幅度較小。
3 工程實例
3.1工程概況
某寫字樓建筑面積近一萬平方米，層數九層，結構型式為框架結構，柱網尺寸為6.3m×7.2m（縱向）、6.3m×3.6m（縱向）、2.4m×7.2m（縱向）、2.4m×3.6m（縱向），所處場地為瀏陽河沖積平原、地表土層為1.9m~2.0m厚的人工填土，以下為第四紀沉積層，地層從上到下分別為：第①層粉土，濕至很濕，疏松到稍密，承載力標準值fk=115KPa ，壓縮模量平均值Es=11（MPa）、層厚3.9~4.0m；第②層粘土夾粉土，飽和，軟塑至可塑狀，承載力標準值fk=110KPa ，壓縮模量平均值Es=7.0（MPa）、層厚2.3~3.7m；第③層粉土，很濕，中密，承載力標準值fk=120（MPa），壓縮模量平均值Es =15.42（MPa ），層厚1.0~1.3m；第④層粘土飽和，可塑至硬塑狀，承載力標準值fk=120KPa ，壓縮模量平均值Es=6.5（MP a），層厚3.5~3.8m；第5層粘土，飽和，硬塑狀，承載力標準值fk=140KPa ，平均壓縮模量Es=7.5（MPa ），本層揭示最厚度4.2m.場地地下水屬孔隙潛水類型，地下隱定水位14.5m，但由于粘性土的隔水作用。上部土體已達飽和狀態。經檢測，地下水無侵蝕性。
3.2 加固方案的比較
灌注樁。因場地土呈軟塑~流塑狀態，成孔很困難，需要有較高施工技術水平來保證施工質量，且造價高、工期長。
（2）碎石樁。工期短，施工簡單，造價低；因受場地條件的限制而不能采用。
（3）預制樁。能較好地滿足所需要的承載力，但工期長，施工噪音影響周圍居民的正常生活；其造價經測算約54萬元。
（4）深層攪拌樁。施工速度快，工期短，施工方便，能較好地保證施工質量，造價約23萬元，僅是預制樁的42.6%.
經方案比較，決定選用深層攪拌樁處理地基。地基處理后的承載力標準值F=250KP .
3.2 深層攪拌樁的施工
3.2.1 室內試驗
軟土地基深層攪拌加固法是基于水泥對軟土的加固作用，而目前這項技術無論設計計算方法，還是施工工藝都不太成熟，因此，應特別重視水泥土的室內外試驗。試驗步驟：1）為保證試驗準確性，將現場挖掘的天然軟土立即封裝在雙層厚塑料袋內，基本保持天然含水量；2）根據施工要求的試驗程序、配方，分別稱量土、水泥、外摻劑和水，放在容器內攪拌均勻，按要求進行振動，制成試塊后，蓋上塑料布，防止水份蒸發過快，并按要求進行養護。本工程經過室內試驗得出如下結論，水泥土的容重比原狀土僅增加2.7%，因此，其加固部分對于下部未加固部分不會產生過的附加荷重，水泥土的無側限抗壓強度為2.12MP ，于設計要求的F =2.0MP 的要求，滿足設計要求。
3.2.2 施工要求
目前，對深層攪拌法加固質量的檢驗缺少簡便可靠的辦法，因此，我們要求施工單位嚴格按照建筑地基處理技術規范有關要求進行施工，并提出以下要求：（1）每根樁均應確保均勻和足額的噴灰量，送灰時要密切注意電子稱計量變化，如發現噴灰量不足，應及時采取復噴或補噴等措施，每根樁應保證送灰連續、均勻、不得間斷；（2）考慮到與基礎接觸部分的攪拌樁頂部受力較，因此，要求對樁頂1.5m范圍內復攪、復噴。因設計時考慮樁端承載力，因此，應確保樁端質量，除應復攪、復噴外，鉆頭至樁底時，應原位旋轉1~2分鐘，以便葉片對土的壓實及水泥的充分拌和，并以慢檔提升0.5~1.0m.
4 結語
寫字樓投入使用一年多，經觀測基礎沉降基本穩定，總沉降量為5.9cm，完全滿足使用要求，從施工情況看，在含水量較高的軟土地區， 深層攪拌法處理地基比較適合，且施工簡單，經濟合理，效益好。
深層攪拌法是加固飽和軟粘土地基的一種方法，它是利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌機械，在地基深處就地將軟土和固化劑強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產生的一系列物理化學反應使軟土硬結成具有整體性、水穩性和一定強度的優質地基。深層攪拌法處理地基可增加地基承載力、減小沉降差、提高邊坡穩定性及擋水等。深層攪拌法處理后的地基承載力提高1~1.5倍。
深層攪拌法是相對于淺層攪拌而言，淺層攪拌法主要用于路基，凍漲土和邊坡穩定的處理。深層攪拌分水泥系深層攪拌和石灰系深層攪拌。下面介紹的是水泥系深層攪拌法及其工程應用實例。
國外自二次戰以來開始研制用于深層攪拌樁的深層攪拌機械，到70年代，已廣泛應用深層攪拌法處理地基，我國從70年代末開始進行深層攪拌的室內試驗和攪拌機械的研制工作，1979年在塘沽新港進行機械考核和攪拌工藝試驗，并獲得成功。80年代初推廣使用深層攪拌法，至今在上海、南京、連云港、唐山、昆明及內陸部分地區得到了廣泛應用。我們在某寫字樓（筏基）工程的地基處理中采用了深層攪拌法，取得了良好的技術經濟效果。
2 水泥加固土的原理 快把公路監理工程師站點加入收藏夾吧！
軟土與水泥采用機械攪拌加固的原理是基于水泥土的物理化學反應過程，它與混凝土的硬化機理有所不同。在水泥加固土中，由于水泥的摻量很小（占被加固土重的7%-15%），水泥的水解和水化反應完全是在具有一定活性介質——土的圍繞下進行，硬化速度緩慢且作用較復雜，所以水泥加固土的強度增長過程也比較緩慢。
2.1 水泥的水解和水化作用
硅酸鹽水泥的主要成分是由氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵及三氧化硫組成，而這些氧化物又分別組成了不同的水泥礦物；硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣等。用水泥加固軟土時，水泥顆粒表面的礦物很快與軟土中的水發生水解和水化反應，生成氫氧化鈣、含水硫酸鈣、含水鋁酸鈣和含水鐵酸鈣等化合物。其中，硅酸三鈣在水泥中含量最高（50%左右），是決定強度的主要因素；硅酸二鈣含量較高（25%），主要產生后期強度；鋁酸三鈣占水泥重量10%，水化速度快，能促進早凝；鐵鋁酸四鈣占水泥重量10%，能提高早期強度；硫酸鈣占水泥重量3%，能和鋁酸三鈣一起與水發生反應，生成一種水泥樣菌，對高含水量的軟土強度增加有特殊意義。
2.2 粘土顆粒與水泥水物的作用
離子交換和團化作用。通過離子交換，較小的土顆粒結合可形成較的土團粒；土團粒的進一步結合形成水泥土的團粒結構，并封閉各土團之間的空隙，形成堅固的聯結，也就使水泥土的強度得到提高。
凝硬反應。隨著水泥水化反應的深入，逐漸生成不溶于水的穩定的結晶化合物。這些化合物在水中、空氣中逐漸硬化，增加了水泥土的強度，而且其結構也比較密實，水分不容易侵入，從而使水泥土具有足夠的水穩性。
2.3 碳酸化作用
水泥水化物中的氫氧化鈣，吸收水中和空氣中的二氧化碳發生碳酸化反應生成不溶于水的碳酸鈣。這種反應能提高水泥土的強度，但速度較慢，幅度較小。
3 工程實例
3.1工程概況
某寫字樓建筑面積近一萬平方米，層數九層，結構型式為框架結構，柱網尺寸為6.3m×7.2m（縱向）、6.3m×3.6m（縱向）、2.4m×7.2m（縱向）、2.4m×3.6m（縱向），所處場地為瀏陽河沖積平原、地表土層為1.9m~2.0m厚的人工填土，以下為第四紀沉積層，地層從上到下分別為：第①層粉土，濕至很濕，疏松到稍密，承載力標準值fk=115KPa ，壓縮模量平均值Es=11（MPa）、層厚3.9~4.0m；第②層粘土夾粉土，飽和，軟塑至可塑狀，承載力標準值fk=110KPa ，壓縮模量平均值Es=7.0（MPa）、層厚2.3~3.7m；第③層粉土，很濕，中密，承載力標準值fk=120（MPa），壓縮模量平均值Es =15.42（MPa ），層厚1.0~1.3m；第④層粘土飽和，可塑至硬塑狀，承載力標準值fk=120KPa ，壓縮模量平均值Es=6.5（MP a），層厚3.5~3.8m；第5層粘土，飽和，硬塑狀，承載力標準值fk=140KPa ，平均壓縮模量Es=7.5（MPa ），本層揭示最厚度4.2m.場地地下水屬孔隙潛水類型，地下隱定水位14.5m，但由于粘性土的隔水作用。上部土體已達飽和狀態。經檢測，地下水無侵蝕性。
3.2 加固方案的比較
灌注樁。因場地土呈軟塑~流塑狀態，成孔很困難，需要有較高施工技術水平來保證施工質量，且造價高、工期長。
（2）碎石樁。工期短，施工簡單，造價低；因受場地條件的限制而不能采用。
（3）預制樁。能較好地滿足所需要的承載力，但工期長，施工噪音影響周圍居民的正常生活；其造價經測算約54萬元。
（4）深層攪拌樁。施工速度快，工期短，施工方便，能較好地保證施工質量，造價約23萬元，僅是預制樁的42.6%.
經方案比較，決定選用深層攪拌樁處理地基。地基處理后的承載力標準值F=250KP .
3.2 深層攪拌樁的施工
3.2.1 室內試驗
軟土地基深層攪拌加固法是基于水泥對軟土的加固作用，而目前這項技術無論設計計算方法，還是施工工藝都不太成熟，因此，應特別重視水泥土的室內外試驗。試驗步驟：1）為保證試驗準確性，將現場挖掘的天然軟土立即封裝在雙層厚塑料袋內，基本保持天然含水量；2）根據施工要求的試驗程序、配方，分別稱量土、水泥、外摻劑和水，放在容器內攪拌均勻，按要求進行振動，制成試塊后，蓋上塑料布，防止水份蒸發過快，并按要求進行養護。本工程經過室內試驗得出如下結論，水泥土的容重比原狀土僅增加2.7%，因此，其加固部分對于下部未加固部分不會產生過的附加荷重，水泥土的無側限抗壓強度為2.12MP ，于設計要求的F =2.0MP 的要求，滿足設計要求。
3.2.2 施工要求
目前，對深層攪拌法加固質量的檢驗缺少簡便可靠的辦法，因此，我們要求施工單位嚴格按照建筑地基處理技術規范有關要求進行施工，并提出以下要求：（1）每根樁均應確保均勻和足額的噴灰量，送灰時要密切注意電子稱計量變化，如發現噴灰量不足，應及時采取復噴或補噴等措施，每根樁應保證送灰連續、均勻、不得間斷；（2）考慮到與基礎接觸部分的攪拌樁頂部受力較，因此，要求對樁頂1.5m范圍內復攪、復噴。因設計時考慮樁端承載力，因此，應確保樁端質量，除應復攪、復噴外，鉆頭至樁底時，應原位旋轉1~2分鐘，以便葉片對土的壓實及水泥的充分拌和，并以慢檔提升0.5~1.0m.
4 結語
寫字樓投入使用一年多，經觀測基礎沉降基本穩定，總沉降量為5.9cm，完全滿足使用要求，從施工情況看，在含水量較高的軟土地區， 深層攪拌法處理地基比較適合，且施工簡單，經濟合理，效益好。
