软土地基处理-粉喷桩软基加固技术(doc 80页).doc

1、 软土地基处理软土地基处理:粉喷桩软基加固技术的研究粉喷桩软基加固技术的研究 概概 述述 第一节第一节 地基处理的目的及意义地基处理的目的及意义 任何建筑物的荷载最终将传递到地基上，由于上部结果材料强度很高，而地基土 强度很低，压缩性较大，因此通过设置一定结构型式和尺寸的基础才能解决这个矛盾。 基础具有承上启下的作用， 它一方面处于上部结构的荷载及地基反力的共同作用下， 承 受由此产生的内力； 基础底面的反力反过来又作为地基土的荷载， 使地基产生应力和变 形。基础设计时，除了需保证基础结构本身具有足够的刚度和强度外，同时还需选择合 理的基础尺寸和布置方案，使地基的强度和沉降保持在规范允许的范围

2、内。因此，基础 设计又常被称为地基基础设计。 凡是基础直接建在未经加固的天然土层上时， 这种地基 称之为天然地基。若天然地基很软弱，则事先需要经过人工处理后再建造基础者，这种 地基称之为人工地基。 随着国民经济的高速发展，不仅需要选择在地基条件良好的场地从事建设，而且 有时也不得不在地质条件不良的地基上进行修建。 另外， 科学技术的日新月异也使结构 物的荷载日益增大，对变形要求越来越严，因而原来一般可被评价为良好的地基，也可 能在某种特定条件下非进行地基处理不可，因此，地基处理的重要地位也日益明显，已 成为制约工程建设的主要因素，如何选择一种既满足工程要求，又节约投资的设计、施 工和验算方法，

3、已经刻不容缓的呈现在广大的工程技术人员面前。 软土是指近代沉积的软弱土层，由软土是指近代沉积的软弱土层，由 于它低强度，高压缩性和弱透水性，于它低强度，高压缩性和弱透水性， 作为地基，常常成为棘手的工程地作为地基，常常成为棘手的工程地 质问题。软土的成分包括饱含水分质问题。软土的成分包括饱含水分 的软弱粘土和淤泥土，其工程性质的软弱粘土和淤泥土，其工程性质 主要取决与颗粒组成、有机质含量、主要取决与颗粒组成、有机质含量、 土的结构、孔隙比及天然含水量。土的结构、孔隙比及天然含水量。 软土地基的共同特性是：天然含水软土地基的共同特性是：天然含水 量高，最小为量高，最小为 30%40%30%40%

4、，最高可达，最高可达 200%200%；孔隙比大，最小为；孔隙比大，最小为 0.81.20.81.2， 最大达最大达 5 5； 压缩系数大； 渗透系数小，； 压缩系数大； 渗透系数小， 一般小于一般小于 1 110106 6CM/SCM/S；灵敏度高，灵敏度高， 在在 210210 之间，灵敏度高的软土，经之间，灵敏度高的软土，经 扰动后强度便降低很多。软弱地基扰动后强度便降低很多。软弱地基 就是指压缩层主要由淤泥、淤泥质就是指压缩层主要由淤泥、淤泥质 土、充填土、杂填土或其它高压缩土、充填土、杂填土或其它高压缩 性土层构成的地基。它是指基本上性土层构成的地基。它是指基本上 未经受过地形及地质

5、变动，未受过未经受过地形及地质变动，未受过 荷载及地震动力等物理作用或土颗荷载及地震动力等物理作用或土颗 粒间的化学作用的软粘土、有机质粒间的化学作用的软粘土、有机质 土、饱和松砂土和淤泥质土等地层土、饱和松砂土和淤泥质土等地层 构成的地基。构成的地基。 软弱地基的特点决定了在这种地基软弱地基的特点决定了在这种地基 上建造工程，必须进行地基处理。上建造工程，必须进行地基处理。 地基处理的目的就是采取适当的措地基处理的目的就是采取适当的措 施改善地基条件，主要包括：施改善地基条件，主要包括： 1 1 改善剪切特性改善剪切特性 地基的剪切破坏以及在土压力作地基的剪切破坏以及在土压力作 用下的稳定性

6、，取决于地基土的抗用下的稳定性，取决于地基土的抗 剪强度。因此，为了防止剪剪强度。因此，为了防止剪切破坏切破坏 以及减轻土压力，需要采取一定措以及减轻土压力，需要采取一定措 施以增加地基土的抗剪强度。施以增加地基土的抗剪强度。 2 2 改善压缩特性改善压缩特性 主要是采用一定措施以提高地基主要是采用一定措施以提高地基 土的压缩模量，藉以减少地基土的土的压缩模量，藉以减少地基土的 沉降。另外，防止侧向流动（塑性沉降。另外，防止侧向流动（塑性 流动）产生的剪切变形，也是改善流动）产生的剪切变形，也是改善 剪切特性的目的之一。剪切特性的目的之一。 3 3 改善透水特性改善透水特性 由于地下水的运动会

7、引起地基出现由于地下水的运动会引起地基出现 一些问题，为此，需要采取一定措一些问题，为此，需要采取一定措 施使地基土变成不透水层或减轻其施使地基土变成不透水层或减轻其 水压力。水压力。 4 4 改善动力特性改善动力特性 地震时饱和松散粉细砂（包括一地震时饱和松散粉细砂（包括一 部分轻亚粘土）将会产生液化。因部分轻亚粘土）将会产生液化。因 此，需要采取一定措施防止地基土此，需要采取一定措施防止地基土 液化，并改善其振动特性以提高地液化，并改善其振动特性以提高地 基的抗震特性基的抗震特性 5 改善特殊土的不良地基特性 主要是指消除或减少黄土的湿陷性和膨胀性等特殊土的不良地基特性。 第二节地基处理的

8、分类和方法第二节地基处理的分类和方法 我国劳动人民在处理地基方面有着我国劳动人民在处理地基方面有着 极其宝贵的丰富经验，据史料记载，极其宝贵的丰富经验，据史料记载， 早在两千年以前就已采用在软土中早在两千年以前就已采用在软土中 夯入碎石等压密土层的夯实法，灰夯入碎石等压密土层的夯实法，灰 土和三合土的换土垫层法也是我国土和三合土的换土垫层法也是我国 的传统建筑技术之一。随着时代的的传统建筑技术之一。随着时代的 发展，地基处理方法也有了长足进发展，地基处理方法也有了长足进 步，按时间分可分为临时处理和永步，按时间分可分为临时处理和永 久处理；按深度分可分为浅层处理久处理；按深度分可分为浅层处理

9、和深层处理；按土性对象分可分为和深层处理；按土性对象分可分为 砂性土处理和粘性土处理，饱和土砂性土处理和粘性土处理，饱和土 处理和非饱和土处理等。许多方法处理和非饱和土处理等。许多方法 尚在不断发展中，基本方法是置换，尚在不断发展中，基本方法是置换， 夯实，挤密，排水，胶结，加筋和夯实，挤密，排水，胶结，加筋和 热学等处理方法。这些方法都是被热学等处理方法。这些方法都是被 实践证明的行之有效的方法。实践证明的行之有效的方法。 近三、四十年来，国外在地基处理近三、四十年来，国外在地基处理 技术方面发展十分迅速，老方法得技术方面发展十分迅速，老方法得 到改进，新方法不断涌现。在到改进，新方法不断涌

10、现。在 6060 年年 代中期，从如何提高土的抗拉强度代中期，从如何提高土的抗拉强度 这一思路中， 发展了土的 “加筋法” ；这一思路中， 发展了土的 “加筋法” ； 从如何有利于土的排水和加速固结从如何有利于土的排水和加速固结 这一基本观点出发，发展了土工织这一基本观点出发，发展了土工织 物、砂井预压和塑料排水板；从如物、砂井预压和塑料排水板；从如 何进行深层压密处理的方法考虑，何进行深层压密处理的方法考虑， 发展了“强夯法”和“振动水冲法”发展了“强夯法”和“振动水冲法” 等。另外，现代工业的发展，对地等。另外，现代工业的发展，对地 基工程提供了强大的生产手段，真基工程提供了强大的生产手段

11、，真 空泵的问世， 建立了 “真空空泵的问世， 建立了 “真空预压法” ，预压法” ， 在压缩空气机的基础上产生了“高在压缩空气机的基础上产生了“高 压喷射注浆法” 。压喷射注浆法” 。 随着地基处理工程实践经验的积随着地基处理工程实践经验的积 累，人们在改造土的工程性质的同累，人们在改造土的工程性质的同 时，不断丰富了对土的特性的认识，时，不断丰富了对土的特性的认识， 从而又推动了地基处理技术和方法从而又推动了地基处理技术和方法 的更新，以前简单的分类方法已经的更新，以前简单的分类方法已经 不能符合时代的要求，按地基处理不能符合时代的要求，按地基处理 的作用机理对地基处理方法进行分的作用机理

12、对地基处理方法进行分 类，能体现各种处理方法的主要特类，能体现各种处理方法的主要特 点，是一种比较妥当的分类方法。点，是一种比较妥当的分类方法。 按地基处理的作用机理分类，各种按地基处理的作用机理分类，各种 处理方法的简介见表处理方法的简介见表： 表表 11各种处理方法的比较各种处理方法的比较 分类 处理方法 原理及作用 实用范围 优点及局限性 浅 层 密 实 法 机械碾压法 挖除浅层软弱土或不 良土，分层碾压或夯 实土，按回填的材料 可分为沙（石）垫层， 碎石垫层，粉煤灰垫 层， 干渣垫层， 土 （灰 土，二灰）垫层等。 它可提高持力层的承 载力，减小沉降量， 消除或部分消除土的 湿陷性和膨

13、胀性，防 止土的冻胀及改善土 的抗液化性。 常用于基坑面积 大和开挖土方量 较大的回填土方 工程， 适用于处理 浅层非饱和软弱 土地基， 湿陷性黄 土地基， 膨胀性地 基， 季节性冻土地 基， 素填土和杂填 土地基。 简易可行，但仅限于 浅层处理，一般不大 于 3 米，对湿陷性黄 土地基不大于 5 米。 如遇地下水，对于重 要工程需要附加降低 地下水的措施。 重锤夯实法 适用于地下水位 以上为潮湿的粘 性土， 砂土和湿陷 性黄土， 杂填土和 分层填土地基。 续表续表 11 处理方法 原理及作用 实用范围 优点及局限性 浅 层 密 实 法 平板振动法 挖除浅层软弱土或不 良土，分层碾压或夯 实土

14、，按回填的材料 可分为沙（石）垫层， 碎石垫层，粉煤灰垫 层， 干渣垫层， 土 （灰 土，二灰）垫层等。 它可提高持力层的承 载力，减小沉降量， 消除或部分消除土的 湿陷性和膨胀性，防 止土的冻胀及改善土 的抗液化性。 适用于处理非饱 和性， 无粘性土或 粘粒含量少而透 水性强的杂填土 地基 简易可行，但仅限于 浅层处理，一般不大 于 3 米，对湿陷性黄 土地基不大于 5 米。 如遇地下水，对于重 要工程需要附加降低 地下水的措施。 强夯挤密法 采用边强夯、边填碎 石、边挤淤的方法， 在地基中形成碎石墩 体，从而提高地基承 载力和减小沉降。 适用于厚度较小 的淤泥和淤泥质 土地基。 应通过试

15、验方法确定其适 用性。 爆破法 由于振动使土体产生 液化和变形，达到较 大的密实度，用以提 高地基承载力和减小 沉降。 适用于饱和性砂 或非饱和性但经 灌水后饱和的砂， 粉土和湿陷性黄 土。 深 层 密 实 法 强夯法 利用强大的夯击能， 迫使深层土液化和动 力固结， 使土体密实， 用以提高地基承载力 和减小沉降，消除土 的湿陷性、膨胀性和 液化性。强夯置换是 指对厚度小于 6 米的 软弱土层边夯边填碎 石，形成深度为 36 米，直径为 2 米左右 的碎石柱体，与周围 土体形成复合地基。 适用于碎石土， 砂 土， 素填土， 杂填 土， 低饱和度的粉 土与粘性土， 湿陷 性黄土。 强夯置换法适用

16、 于软粘土。 施工速度快，施工质 量容易得到保证。经 处理后土体性质较为 均匀，造价经济，适 用于大面积场地。 施工时对周围有很大 的振动和噪音，不宜 在闹市区施工，并且 需要整套强夯设备 （重锤，起重机） 。 续表续表 11 分类 处理方法 原理及作用 实用范围 优点及局限性 深 层 密 实 法 挤密法 （碎石、 砂石桩 挤密法） （土，灰土，二 灰桩挤密法） （石灰桩挤密 法） 利用挤密或振动使深 层土密实，并在振动 或挤密过程中回填以 砂，砾石，碎石，土， 灰土， 二灰或石灰等， 形成砂桩，碎石桩， 土桩，灰土桩，二灰 桩，或石灰桩，与桩 间土一起组成复合地 基，从而提高地基承 载力，减

17、少沉降量， 消除或部分消除土的 湿陷性或液化性。 砂（砂石）桩挤 密法，振动水冲 法， 干振碎石桩法 一般适用于杂填 土和松散砂土， 对 软土地基经试验 证明加固有效时 方可使用。土桩， 灰土桩， 二灰桩挤 密性一般适用于 地下水位以上深 度为 510 米的湿 陷性黄土和人工 填土。 石灰桩适应 于软弱的粘性土 和杂填土。 经振冲处理后地基土 性质较为均匀。 排 水 固 结 法 堆载预压法 真空预压法 降水预压法 电渗排水法 通过布置垂直排水 井，改善地基排水条 件，并采取加压，抽 水，抽气和电渗等措 施，以加速地基土的 固结和强度的增长， 提高地基土的稳定 性，并使沉降提前完 成。 适用于处

18、理厚度 较大的饱和粘土 和冲填土地基， 但 对于厚的泥炭层 要慎重对待。 需要有预压时间和荷 载条件及土石方搬运 机械。 对真空预压，预压压 力达 80kpa 还不够 时，可同时加土石方 堆载。真空泵需长时 间抽气，耗电量大。 降水预压法无须堆 载，效果取决于降水 水位的深度，需长时 间，耗电量大。 加 筋 法 加筋土，土锚， 土钉锚板 在人工填土地路堤或 挡墙内铺设土工合成 材料：钢带，钢条， 尼龙或玻璃纤维等作 为拉筋，或在软弱土 层上设置树根桩或碎 石桩等，使这种人工 复合土体可以承受抗 拉、抗压、抗剪和抗 弯作用，用以提高地 基的承载力，减小沉 降量和增加地基稳定 性。 加筋土适用于人

19、 工填土的路堤和 挡墙结构。土锚， 土钉， 锚板运用于 土坡稳定。 适用于处理浅层地 基，简便易行，施工 速度较快。 土工合成材料 适用于砂土， 粘性 土和软土。 树根桩 适用于各类土， 可 用于稳定土坡支 拉结构或用于对 既有建筑物的托 换结构。 砂石桩、砂桩、 碎石桩 适用于粘性土， 疏 散砂性土和人工 填土，对于软土， 经试验证明有效 时方可使用。 续表续表 11 分类 处理方法 原理及作用 实用范围 优点及局限性 热 学 法 热加固法 热加固法是通过渗入 热空气和燃烧物，并 依靠热传导将细颗粒 土加热到适当温度 （100oC 以上） 则土的 强度就会增加，而压 缩性随之降低。 适用于非

20、饱和粘 性粉土和湿陷性 黄土。 处理地基深度大，加 固效果明显，污染性 小，但受地理因素和 气候条件的限制。 冻结法 采用液体氮或二氧化 碳膨胀的方法，或采 用普通的制冷设备与 一个闭阀式液压系统 相连接，使冷却液在 内部流动，造成软而 湿的土进行冻结，以 提高土的强度和降低 压缩性。 适用于各类土， 特 别在软弱地质条 件下， 开挖深度大 于 78 米， 以及低 于地下水位的情 况下是一种普便 而有效的施工措 施。 胶 结 法 注浆法 （灌浆法） 通过注入水泥浆液或 化学浆液的措施使土 粒胶结，用于提高地 基承载力，减小沉降 量，增加稳定性，防 止渗漏。 适用于处理岩基， 砂土， 粉土， 淤

21、泥 质粘土，粉质粘 土， 粘土和一般人 工填土， 可加固暗 滨和使用在托换 工程中 施工时水泥浆冒出地 面，流失量大，对流 失的水泥浆应设法予 以利用。 高压喷射 注浆法 将有特殊喷嘴的注浆 管通过钻孔置入到处 理土层的预定深度， 然后将浆液（通常是 水泥浆）以高压冲切 土体，在喷射浆液的 同时，以一定的速度 旋转提升，形成水泥 柱圆柱体，若喷嘴提 升而不旋转，则形成 墙状固结体。加固后 可提升地基承载力， 减少沉降，防止砂土 液化，管涌和基坑隆 起，建成防渗帷幕。 适用于处理淤泥， 淤泥质粘土， 粘性 土，粉土，黄土， 砂土和人工填土 等地基。 当土中含 有较大的大粒径 块石，坚硬粘性 土，

22、 大量植物根茎 或过多有机质时， 应根据现场试验 结果确定运用程 度。 对既有建筑物 可进行托换工程。 水泥搅拌法 分湿法 （深层搅拌法） 和干法（粉体喷射搅 拌法）两种。湿法利 用深层搅拌机将水泥 浆和地基土原位拌 和。干法利用粉喷机 将水泥粉或石灰粉与 地基土原位拌和。搅 拌后形成柱状水泥土 体。提高承载力， 用于处理淤泥， 淤 泥质土， 粉土和含 水量较高且地基 承 载 力 不 大 于 120Kpa 的粘性土 等地基。 当用于处 理泥炭类土或地 下水有侵蚀性宜 通过试验确定适 用程度。 经济效果显著，目前 已经成为我国软土地 基建造 67 层建筑 物、 高等级公路路基、 防渗墙等工程最为

23、经 济合理的处理方法之 一。不能用于含石块 的杂填土。 以上各种地基处理方法都是根椐不同软弱土性质发展起来的。在选择不同的地基 处理方案时需要考虑以下因素：土的类别；处理后土的加固深度；上部结构要求；能提 供的材料；具有地基处理的机械设备；周围环境因素；施工工期要求；施工队伍技术素 质；施工技术条件和经济指标比较等。各种地基处理方法的土质适用情况、加固效果和 最大有效处理深度见表 12： 表表 12各种地基处理方法的土质适用情况、加固效果各种地基处理方法的土质适用情况、加固效果 和最大有效处理深度和最大有效处理深度 分类 序 号 处理方法 土质适用情况 加固效果 常用有 效处理 深度 (米)

24、淤 泥 质 土 人 工 填 土 无 粘 性 土 湿 陷 性 黄 土 粘性土 降 低 压 缩 性 提 高 抗 剪 性 增 加 不 透 水 性 改 善 动 力 特 性 饱和 土 非饱 和土 浅 层 加 固 法 1 换土垫层法 * * * * * * * * 3 2 机械碾压法 * * * * * * 3 3 平板振动法 * * * * * * 1.5 4 重锤夯实法 * * * * * * 1.5 5 土工合成材料法 * * * * * 1.5 深 层 加 固 法 6 强夯法 * * * * * * * 10 7 砂（砂石）桩挤密 法 * * * * * * * 20 8 振动水冲法 * * *

25、* * * * * 18 9 干振碎石桩法 * * * * * * 6 10 土（灰土，二灰） 桩挤密法 * * * * * * 20 11 石灰桩挤密法 * * * * 20 12 砂井（袋装砂井， 塑料排水板） 预压 法 * * * * 15 13 真空预压法 * * * * 15 14 降水预压法 * * * * 30 15 电渗排水法 * * * * 20 16 注浆法 * * * * * * * * * * 20 17 高压喷射注浆法 * * * * * * * * 20 18 深层搅拌法 * * * * * * 18 19 粉体喷射搅拌法 * * * * * * 12 地质构造情况

26、的复杂性要求在具体地质构造情况的复杂性要求在具体 工程实践中要注重各种处理方法的工程实践中要注重各种处理方法的 加固机理，实用范围，优点及局限加固机理，实用范围，优点及局限 性。真正做性。真正做到因“地”制宜，达到到因“地”制宜，达到 提高地基承载力，减小沉降，保证提高地基承载力，减小沉降，保证 上部建筑物的正常使用的目的。上部建筑物的正常使用的目的。 第三节粉体喷射搅拌法的发展历史、工程特点及其应用第三节粉体喷射搅拌法的发展历史、工程特点及其应用 A) 一 粉体喷射搅拌法的发展历史、现状及工程特点 粉体喷射搅拌法是在软土地基中输粉体喷射搅拌法是在软土地基中输 入粉体加固材料（水泥粉或石灰入粉

27、体加固材料（水泥粉或石灰 粉） ，通过搅拌机械与原位地基土强粉） ，通过搅拌机械与原位地基土强 制性搅拌混合，使地基土和加固材制性搅拌混合，使地基土和加固材 料发生化学反应，在稳定地基土的料发生化学反应，在稳定地基土的 同时提高其强度的方法。同时提高其强度的方法。 1967 年瑞典 KJELD PAUS 提出使用石灰搅拌桩加固 15 米深度范围内软土地基的设想，并于 1971 年现场制成一根用生石灰和软土搅拌制成的桩。次年在瑞典斯德哥尔摩以南约 10 公里的 HUDDING 用石灰粉体搅拌桩作为路堤和深基坑边坡稳定措施。瑞典的 LINDENALIMAT 公司还生 产出专用的成桩机械，柱径可达

28、500mm，最大加固深度 1015 米。目前瑞典所用的石灰搅拌桩已逾 数百万延米。 同一时期， 日本于 1967 年由运输部港湾研究所开始研制石灰搅拌施工机械， 1974 年在软土地 基加固工程中应用，并研制出两种石灰搅拌机械，形成两种施工方法。一类为使用颗粒状生石灰的 深层搅拌法（DLM 法） ，另一类为使用生石灰粉末的粉体喷射搅拌法（DJM 法） 。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 加固后地基的初期强度高，对含水量高的软土，加固效果尤为明显，该技术得到了广泛的应用。 国内由铁道部第四勘测设计院于 1983 年初开始进行粉

29、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 4.5 米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河槽挡土墙和铁路涵洞软土地基加固，均获得良好效果。它为软土地 基加固技术开拓了一种新的方法，并在铁路，工路，市政工程，港口码头，工业和民用建筑等软土 地基加固方面推广使用。 粉体喷射搅拌法自 1986 年经国家鉴定（获科技进步奖）正式应用于工程，并且专项技术规程 的颁布 （ 软土地基深层搅拌加固技术规程 YBJ22591） ， 标志着该技术在设计和施工上趋于成熟。 粉体喷射搅拌法加固地基有如下特点： 1使用的固化材料（干燥状态）

30、可更多吸收软土地基的水分，对加固含水量高的软土地基，效果 更为显著。 2固化材料全面的被喷射到靠搅拌叶片旋转过程中产生的孔隙中，同时又靠土的水分把它粘附到 孔隙内部，随着搅拌叶片的搅拌，使固化剂均匀的分布在土中，不会产生不均匀的散乱现象， 有利于提高地基土加固强度，被加固土的无侧限抗压强度可以提高许多，达几十倍以上，一般 为 5004000Kpa，而且强度增长快，工期短，有利于快速施工。适量的选择固化剂，掺入比， 搅拌方式，置换率等，可达到良好的软基加固效果。 3与高压喷射注浆法和水泥浆深层搅拌法相比，输入地基土中固化材料要少得多，无浆液排出， 无地面隆起现象。 4粉体喷射搅拌法施工可以加固成

31、群桩，也可以交替搭接成壁状，格栅状或块状，使的固化材料 为干燥状态的直径为 0.5mm 以下的粉状体，如水泥，生石灰，也可以掺入矿石渣，干燥砂和粉 煤灰等，材料来源广泛，并可以使用两种以上的混合材料。因此，对地基土加固适应性强，不 同的土质要求都可以找出与之相适应的固化材料。 5就地加固，无弃土，减少土方工程。 6施工无振动，无噪声，无排污，对周围环境无污染，对周边软土无扰动。 7加固费用不高，成桩快。一般日成桩 300400 米，成桩 10 天左右即可进行下一道工序施工，大 大缩短施工周期。 粉体喷射搅拌法（干法）由浆体深粉体喷射搅拌法（干法）由浆体深 层搅拌法（湿法）改进而来。在原层搅拌法

32、（湿法）改进而来。在原 地基承载力高时，湿法施工比干法地基承载力高时，湿法施工比干法 施工搅拌搅拌效果理想。若采用干施工搅拌搅拌效果理想。若采用干 法施工，搅拌后形成的水泥土均匀法施工，搅拌后形成的水泥土均匀 性相对较差。另外，当天然地基土性相对较差。另外，当天然地基土 的含水量较低时，干法搅拌满足不的含水量较低时，干法搅拌满足不 了水泥水化了水泥水化反应的水量要求，从而反应的水量要求，从而 达不到理想的效果。达不到理想的效果。 B) 二 粉体喷射搅拌法在路基设计中的应用 粉体喷射搅拌法作为软土地基处理粉体喷射搅拌法作为软土地基处理 的一种方法，由于其加固工期短，的一种方法，由于其加固工期短，

33、 见效快，就地处理，最大限度利用见效快，就地处理，最大限度利用 原土，无污染，加固后地基整体性、原土，无污染，加固后地基整体性、 水稳定性及强度都有大幅度的提水稳定性及强度都有大幅度的提 高，目前已得到越来越多的应用。高，目前已得到越来越多的应用。 在我国，粉喷桩加固软弱土层已经在我国，粉喷桩加固软弱土层已经 被广泛的用于铁路、高等级公路、被广泛的用于铁路、高等级公路、 市政工程、工业与民用建筑、港口市政工程、工业与民用建筑、港口 码头等工程的地基加固，并取得了码头等工程的地基加固，并取得了 较好的技术经济效果和社会效果。较好的技术经济效果和社会效果。 尤其对高速公路的建设而言，路线尤其对高速

34、公路的建设而言，路线 所经区域的不良地质主要为软土地所经区域的不良地质主要为软土地 基，路堤的沉降，桥头的沉降和小基，路堤的沉降，桥头的沉降和小 型构造物的不型构造物的不均匀沉降，常常是工均匀沉降，常常是工 程设计人员面临的主要难题，这些程设计人员面临的主要难题，这些 问题解决的好坏与否，不仅直接关问题解决的好坏与否，不仅直接关 系到高速公路建设成败的关键，也系到高速公路建设成败的关键，也 是控制工期、关系工程造价的重要是控制工期、关系工程造价的重要 环节。为了确保路面的使用质量，环节。为了确保路面的使用质量， 在充分考虑各种软土路段路基的处在充分考虑各种软土路段路基的处 理方案时，不少工程采

35、用粉喷桩对理方案时，不少工程采用粉喷桩对 软土路基的高填土部分和桥头部位软土路基的高填土部分和桥头部位 进行处理。国内外工程实践表明，进行处理。国内外工程实践表明， 经过加固后的土体压缩性明显减经过加固后的土体压缩性明显减 小，抗侧向变形能力有所提高，明小，抗侧向变形能力有所提高，明 显防止软土对桥台桩基的侧向挤密显防止软土对桥台桩基的侧向挤密 作用。又因水泥土的固化时间较短，作用。又因水泥土的固化时间较短， 在争取时间的过程中不失为一种有在争取时间的过程中不失为一种有 效的软基处理方法。在施工期紧的效的软基处理方法。在施工期紧的 情况下，遇到桥台施工与桥台后填情况下，遇到桥台施工与桥台后填

36、土安排的矛盾时土安排的矛盾时，不少中高填土部，不少中高填土部 位采用粉喷桩加固方案。位采用粉喷桩加固方案。 第四节问题的提出和本文主要研究内容第四节问题的提出和本文主要研究内容 一问题的提出 1粉体喷射搅拌法常被应用于建筑物地基、高速公路路基等加固工程中，其机理是基于水泥 对土的加固作用。然而这项技术的发展历史仅仅为几十年，对其加固机理的认识还不充分，设计理 论和方法还不不成熟，有些还处于半理论半经验的状态。粉喷桩的一般设计原则为桩径 50cm，粉 剂为 425#水泥干粉，掺量为天然土重的 15%，桩间距约为 12 米左右，呈正三角或正方形布置，施 工采取全程复搅复喷等措施。鉴于各类软基成因复

37、杂，性质千差万别，含水量有多寡，软土成分、 有机质、酸碱度各异；同一设计方案并不能满足普遍工程的特殊性，同时设计参数的确定，对具体 工程而言并不是最优的。如何在了解工程地质构造和各类土的物理力学特性的基础上，设计出在符 合规范规定的安全系数的情况下，又满足上部结构物对强度和沉降的要求的最优设计方案，将具有 重大的工程意义和显著的经济效益。 2工程实践表明，粉体喷射深层搅拌法的施工工艺、施工机械尚待进一步完善；搅拌桩的检 测方法及手段长期悬而未解；目前尚无统一的粉喷桩质量检测方法和验收标准。粉体喷射深层搅拌 加固技术发展至今，加之工程管理的疏漏，操作人员素质的参差不齐，技术应用的某种失度，确实

38、有加固失败，工程失事的情况发生，致使深层搅拌这一具有明显优势的加固技术在国内的发展受到 了限制。对粉喷桩这种隐蔽工程而言，如何准确、有效、快速的检测其施工质量，一方面为建设单 位的现场质量的控制提供依据，另一方面便于及时的检查和发现施工过程中出现的问题，解决施工 质量状况令人疑虑状况，有必要提供一种行之有效的检测方法，来充分发挥粉喷桩加固地基经济、 有效、节省工时等多种优点。 3提高地基承载力和减小压缩层的沉降量是地基处理的主要目的。由于工程结构物对地基的 要求，随型式、规模及重要性而异，对软弱地基的判断标准也难有一个统一的正确的定义。因此， 沉降量的合理估算，是地基加固方案设计的一个重要依据

39、。沉降量估算的小，将会影响上部建筑物 的正常使用乃至破坏，造成不必要的损失；沉降量估算过大，将直接导致工程造价提高，投资增加， 经济效益低下。如何在种类繁多的各种沉降计算方法中选择一种适合工程应用、原理易于理解、计 算结果合理、方法简单易行的实用计算方法，对工程技术人员而言，将具有直接的工程实践意义。 鉴于以上原因，本文以在建的省“九五”重点工程南京至马鞍山高速公路的软基加固工程 为依托，结合河海大学结构研究所与南京公路建设处合作的南京市重点建设工程南京至高淳高等 级公路二期工程，对粉喷桩加固路基方案的设计、桩基现场质量控制及粉喷桩复合地基沉降的计算 进行了初步研究，以期加深前期经验，积累资料

40、成果，指导工程实践，达到修正和完善现有工程设 计、现场检测和沉降计算方法的目的。 二本文主要研究内容 水泥土抗压强度的影响因素分析 为了经济合理地确定深层搅拌法加为了经济合理地确定深层搅拌法加 固地基土的技术方案，确定与地基固地基土的技术方案，确定与地基 土加固相适应的水泥品种、标号和土加固相适应的水泥品种、标号和 水泥掺入比，同时也是为地基加固水泥掺入比，同时也是为地基加固 设计提供必不设计提供必不可少的试验资料，预可少的试验资料，预 先进行了各种不同方案的水泥土室先进行了各种不同方案的水泥土室 内配比试验。目的在于探索用水泥内配比试验。目的在于探索用水泥 土加固各种成因软土的适宜性，了土加

41、固各种成因软土的适宜性，了 解加固水泥的掺入比、含水量、龄解加固水泥的掺入比、含水量、龄 期、外掺剂等对水泥土强度的影响，期、外掺剂等对水泥土强度的影响， 求得波速、掺入比、含水量、干密求得波速、掺入比、含水量、干密 度、龄期和标贯击数与强度的关系，度、龄期和标贯击数与强度的关系， 从而为设计、计算和施工提供可靠从而为设计、计算和施工提供可靠 的参数。的参数。 现场桩基质量检测 本文首先根据波速、标贯与抗压强度的相关性分析揭示的彼此之间的客观关系，对反射波动 测法、钻孔取芯和标准贯入试验的方法应用于现场桩基检测的可行性进行了论证，并结合本次工 程实践，对反射波动测法、钻孔取芯和标准贯入试验的方

42、法应用于现场桩基检测的合理性进行评 价。目的在于寻求一种与工程实际相适应，操作简便易行，结果合理可靠的方法，从而更好的对 现场施工进行质量监控。 地基沉降计算方法分析 对高速公路软土路基的处理而言，沉降量的估算是决定软基是否需要处理及处理效果如何的 重要步骤，合理的计算沉降量将具有非比寻常的重要意义。本文结合试验和原观分析，对复合地基 沉降的各种计算方法进行了对比分析和估价，决定采取数值和简化两种计算手段。数值计算采用非 线性有限元方法，土体假定为邓肯张模型，以比奥固结理论为基础，考虑侧向变形和渗流对沉降 的影响，将桩土作为整体划分网格，取网格节点上孔隙压力和竖向、水平向位移为基本未知量， 在

43、填土作用下根据土体劲度和渗透性建立方程，解得孔压和位移随时间的变化。简化计算主要采用 等效模量当层法和 MindlinBoussinesq 联合求解法计算沉降， 并根据有限元计算或现场实测结果进 行修正。本文目的在于通过以上尝试，选择一种适宜本地区简易而又较合理、易于为工程技术人员 接受的的沉降计算方法。 第二章第二章 室内配比试验中水泥土强度影响因素室内配比试验中水泥土强度影响因素 分析分析 粉体喷射深层搅拌法处理软土地基主要是通过水泥与软土经过一系列物理化学反 应， 对软土结构进行改变来提高地基承载力和减小沉降量来实现加固目的。 粉喷桩加固 软土地基的效果，主要取决于加固土的性质、水泥掺入

44、量的多寡、桩长和桩间距的大小 等因素。就目前的粉喷桩工程设计而言，其加固方案基本上是千篇一律，很难做到与工 程实际相结合，使得粉喷桩加固地基经济效益明显的作用未能充分发挥。因此，我们进 行室内配比试验的目的， 就是模拟粉喷桩的现场加固过程， 反映出加固过程中的决定性 因素，然后结合具体工程软弱土层的物理力学特性，寻求最优加固方案。在室内配比方 案中， 如何确定影响水泥土的因素和影响因素中的主要因素， 第一步要搞清楚水泥土的 加固机理。 因此， 本文首先从对水泥土加固机理的研究出发， 试图揭示软土改性的机理。 第一节第一节 水泥土加固机理分析水泥土加固机理分析 水泥加固土的物理化学反应过程和混凝

45、土硬化机理不同。混凝土的硬化主要是在 粗填充料的比表面积不大，活性很弱的介质中进行水解水化作用，所以凝结速度较快。 而在水泥加固土中， 由于水泥掺量很小， 水泥的水化水解反应完全是在具有一定活性的 介质土的围绕下进行的，因此水泥加固土的强度增长过程比混凝土较为缓慢。 软土工程性状差的物质多为粘性矿物成分（如蒙脱石，伊利石，高岭石等） ，这类 次生矿物构成的土粒极细， 比表面积大， 且多呈片状， 性质活泼， 有较强的吸附水能力， 改善粘土矿物性质就可以改善软土的物理力学性质。 C) 一水泥的水解水化反应 普通的硅酸盐水泥主要是氧化钙，二氧化硅，三氧化二铝，三氧化二铁，三氧化 硫等组成，掺入的水泥

46、与软土中的水发生水解和水化反应，在软土中形成水泥石骨架。 主要反应如下： 2（3CaOSiO2）+6H2O3CaO2SiO23H2O+3Ca（OH）2； 2（2CaOSiO2）+4H2O3CaO2SiO23H2O+Ca（OH）2； 3CaOAl2O3+6H2O3CaOAl2O36H2O； 4CaOAl2O3 Fe2O3+ 2Ca（OH）2+10H2O3CaOAl2O36H2O+3CaOFe2O36H2O； 3CaSO4+3CaOAl2O3+32H2OCaOAl2O33CaSO432H2O; 生成物主要为氢氧化钙，含水硅酸钙，含水铝酸钙，含水铁酸钙和水泥杆菌等化 合物。 所生成的氢氧化钙， 含水

47、硅酸钙能迅速溶于水中， 使水泥颗粒表面重新暴露出来， 再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后，水分子虽继 续渗入颗粒内部，但新生成物不能再继续溶解，只能以胶体析出，悬浮在溶液中。根据 电子显微镜的观察， 水泥杆菌最初以杆状结晶形式在比较短的时间内析出， 其生成量随 水泥掺入量的多寡和龄期的长短而异。由 X 射线衍射分析，这种反应迅速，最后把 大量自由水以结晶水的形式固定下来。 这对于含水量高的软土强度增长有特殊意义， 可 使土中自由水的减少量约为水泥杆菌生成重量的 46%。当然，硫酸钙的掺量不能太多， 否则这种水泥杆菌针状结晶会使水泥发生膨胀而遭到破坏。所以，使用合适

48、，在某种特 定的条件下，可利用这种膨胀势来使加固土发生膨胀、挤密作用来增加地基加固效果。 D) 二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，有的则与周 围具有一定活性的粘土颗发生反应。 1） 离子交换和团粒化作用 粘土和水结合时就表现一定的胶体特性，如土中二氧化碳遇水后，形成胶体微粒， 其表面带有钠离子或钾离子， 它们能和水泥水化生成的氢氧化钙中钙离子 Ca+进行当量 吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体的强度提高。水泥水化生成 的凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗粒大 1000 倍，因而产生很大的表面能，有强烈的 吸附活性，能使较大的

49、土团粒进一步结合，形成水泥土的团粒结构，并封闭各团粒的孔 隙，形成坚固的联结。从宏观上看也能使水泥土的强度大大提高。 2） 硬凝反应 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交换需 要量后， 在碱性环境中， 能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分 与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，增大水泥土强度。 SiO2+ Ca（OH）2+nH2O3CaOSiO2(nH)H2O; Al2O3+ Ca（OH）2+nH2OCaOAl2O3(n+1)H2O; 从电子显微镜扫描的观察可见，拌入水泥 7 天时，土颗粒周围充满了水泥凝胶体， 并有少量水泥水化物结晶萌芽；一个月后，水泥土生成大量纤维状结晶，并不断延伸充 填到颗粒间的孔隙中，形成网状构造；到五个月后，纤维状结晶辐射向外伸展，产生分 叉，相互结合形成网状结构，土颗粒的性状已经不能分辨。 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， 发生碳酸化作用， 生成不溶于水的碳酸钙，