水泥土的一般性质和搅拌桩常识

水泥土的一般性质和搅拌桩常识

一、水泥土加固的机理

水泥与土和适量的水混合后，会发生一系列的物理和化学反应，总体来讲，作用缓慢，过程复杂。主要包括以下三个方面的反应：

1．水泥的水解和水化反应。

这一反应离不开水，如果天然土的含水量过低而又采用干法（喷粉）施工，不但施工难度大，而且水泥不能得到充分的水解和水化反应，势必会影响水泥土的加固效果。

2．粘土颗粒与水泥水化物的作用

包括凝硬作用和离子交换作用。

这一反应过程也取决于水泥水化反应的程度，与适当的含水量有关。

3．碳酸化作用

从水泥加固土的作用机理分析来看，水泥加固土的强度主要来自于水泥水化物的胶结作用。

从施工工艺来看，水泥搅拌桩中不可避免会存在原状土块和水泥团块，其大小与强制搅拌的程度有关。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，则水泥土的结构强度离散性就越小，其宏观的总体强度也就越高。

二、水泥加固土的性质

1．物理性质

⑴重度：与天然软土的重度相近（≈17.5kN/m3）。其加固部分对于下部未加固部分不至于产生过大的附加荷重，也不会发生较大的附加沉降。

⑵比重：

水泥：3.1

一般软土: 2.65—2.75

水泥土：当掺入比为15%—20%时，比软土增加4%。

2．水泥土的力学性质

⑴水泥土的抗压强度及其影响因素

水泥土的无侧限抗压强度一般为0.3—4Mpa，比天然软土大几十至数百倍。由于其本身的非均质性，所以它不是纯弹性体，而是一种弹塑性体，其应力—应变关系为非线性关系。

影响水泥土抗压强度的因素主要有以下几个方面：

①水泥掺入比（w）

水泥掺入比w通常指水泥重量与被加固土体天然湿重之比（%）。水泥掺入比最低不得少于5%。当水泥掺入比小于5%时，由于水泥与土的反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散性也较大，起不到任何加固作用。所以，在水泥土配比试验中，5%是个最低的门槛值，而在工程施工中，水泥掺入比一般取7%—15%为宜。

当w=5%—20%时，水泥土的抗压强度与水泥掺入比呈幂函数关系：

当w ＞5%时，在0—90d范围内，龄期越长，抗压强度随掺入量的增加提高得越多。

举例如下（90d龄期时）：

②龄期

当水泥土的龄期超过三个月后,其强度增加才缓慢,所以,一般将90天龄期时的抗压强度作为水泥土的标准强度。在头三个月内，水泥土的强度与龄期之间存在如下的幂函数关系式：

qu1——龄期为T1的水泥土抗压强度；

qu2——龄期为T2的水泥土抗压强度；

(该式成立的条件：T=15～90天)

这里必须强调的是，检测工作必须在满15天之后进行，否则，由检测值换算出来的标准强度值就不准确。

③水泥品种与标号

水泥品种与标号对水泥土的强度都有一定影响。在其它条件不变时，普通水泥标号每增加100号，可使水泥土的强度增加20%—30%。所以，在施工中要严格控制水泥的品种与标号。

④土的含水量

天然土的含水量越高，水泥土的抗压强度就越低。某试验结果如下（w=10%，T=28d）：

所以，不同的地层含水量，桩身强度差别可能会很大。

⑤土质的影响

不同的土样掺入等量的水泥后，水泥土的强度可相差近一倍，这与土样的状态、重度、含水量、孔隙比等均有关系。国外有关研究表明，水泥土的强度与土的含砂量有关，当含砂量为40%—60%时，水泥土的强度达到最大值。

⑥土的酸碱度

酸性大（Ph<7）的土加固后的强度较碱性土差。

⑦土中有机质含量

有机质使土样具有较大的水容量和塑性，较大的膨胀性和低渗透性，并使土样具有酸性，这些都阻碍水泥水化反应的进行。所以，有机质高的软土，单纯用水泥加固的效果较差，可以外掺生石膏（CaSO4·2H2O），能增加加固效果。

⑧外掺剂

选择合适的组合配比的外掺剂可以提高水泥土的强度或节约水泥用量。如木质素、硫磺钙减水剂；对水泥土早期强度有增强作用的早强剂，如石膏、三乙醇胺等。

⑨粉煤灰对强度的影响

利用其活性，掺比不掺的强度要有所增加。

⑵抗拉强度

部分试验结果表明，水泥土的抗拉强度约为抗压强度的1/10—1/15，与混凝土的这一性质很接近。

⑶抗剪强度

当水泥土的无侧限抗压强度qu较高时，其抗剪强度可按qu/2计算；但当水泥土的无侧限抗压强度较低时，其抗剪强度低于qu/2数值。

三、搅拌桩常识

（一）定义

深层搅拌法是加固饱和软粘土地基的一种新颖方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械就地将软土和固化剂（浆液状或粉体状）强制搅拌，利用固化剂与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、水稳性和一定强度的优质地基。

由水泥与软土搅拌形成的固结体在我国称为水泥土搅拌桩。又由于历史的原因和使用习惯，将用水泥浆与软土搅拌形成的柱状固结体称为深层搅拌桩；将用水泥粉体与软土搅拌形成的柱状固结体称为粉喷桩。我们将二者合称为水泥土搅拌桩，简称搅拌桩。

（二）发展简况

1．水泥系深层搅拌法

水泥系深层搅拌法始于美国，20世纪50年代引入日本，日本于1974年研制成功水泥搅拌固化法（CMC法），加固深度达32m。

2．粉喷桩

粉体喷射搅拌加固土桩，于20世纪60年代后期由瑞典和日本分别提出。石灰系搅拌法于1967年由瑞典提出，1974年分别在瑞典和日本投入使用。

我国于80年代初引进此项技术，1983年研制出我国第一台液压步履式深层搅拌喷粉桩机，1984年7月试用获得成功，1985年4月通过铁道部部级鉴定，后逐步推广使用。

所以，搅拌桩技术作为一种新型引进技术，在我国应用不过才十几年的时间，施工方法和技术还不够成熟，相应的规范不够完善，检测方法也处于摸索和研究阶段。

（三）适用范围

搅拌桩最适合于加固各种成因的饱和软粘土。目前国内常用于加固淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高的粘性土。

（四）加固深度

取决于施工机械的功率。国外已达60m，国内施工机械的搅拌能力一般为30m，所以加固深度最深也只能达到26—27m。

（五）“干法”和“湿法”的选取

采用“干法”（喷粉）或“湿法”（喷浆），主要取决于被加固土层的天然含水量。一般当土层的天然含水量小于30%时宜采用湿法，大于50%时宜采用干法，而界于30%—50%之间时可视具体情况灵活选用。两种方法从施工操作和加固效果来看各有相应的适应性和利弊。湿法搅拌较均匀，易于复搅，但加固体硬化时间长；当土层的天然含水量过高时，桩间土多余的孔隙水需较长时间才能排除。干法搅拌均匀性欠佳，难于全程复搅，但水泥硬化时间短，且在一定程度上降低了桩间土的含水量，在一定范围内提高了桩间土的强度。所以，这里需要注意的是，当土层含水量较低时，采用干法施工在预搅下沉阶段可冲入适量的清水，即方便施工，易于搅拌和喷粉，又能为水泥水解和水化反应提供足够的水分；采用湿法施工，在预搅下沉时，应尽量避免采用水冲下沉，只有遇硬土层下沉太慢时，才可适量冲水。另外，采用湿法施工要尽量降低水灰比，减少桩体含水量，还可以加入适量的减水剂（木质素等）和速凝剂等，以加快水泥的硬化时间。

（六）喷浆型搅拌桩制作工艺和技术要点

1．制作工艺

⑴就位

对中、调平。

⑵预搅下沉

下沉速度可由电机的电流监测表控制，工作电流应＜70A（随不同的机型有所差异）。

⑶制备水泥浆

下沉到一定深度后，开始制备水泥浆，并注入集料斗中。

⑷喷浆搅拌提升

搅拌头下沉至设计深度后，提升20cm，开启灰浆泵将水泥浆压入土中，边喷浆边旋转，同时严格按预定提升速度提升搅拌机。

⑸重复搅拌下沉、提升

将搅拌机边旋转搅拌边下沉，到设计深度后再边旋转搅拌边提升，直到升出地面。

⑹清洗

⑺移位

对于单搅拌轴的深层搅拌施工机械，在预搅下沉时也有采用采用喷浆切割土体、搅拌下沉的工艺，以防止出浆口在下沉过程中被堵，但要严格控制水泥总量和分布均匀性。

2．技术要点

⑴预搅下沉时，要严格控制下沉速度，使土体被完全切割破碎，以利于与水泥浆拌和均匀。特别是对于较硬的粘土夹层，如果在预搅下沉时下沉速度过快，土层不能被完全切割，造成很多游离的硬粘土块，在后续的重复搅拌过程中，不管如何加强复搅都无法将其消除，致使桩体中夹含大量的原状粘土块，降低了桩身强度和检测合格率。所以，为避免这种情况发生，在预搅下沉时，针对特殊的粘土硬层要适当放慢下沉速度。通过转速和下沉速度可以计算出叶片每旋转一周的下沉量（也即土体被切割后的最大粒径），然后反过来再控制转速。

重复搅拌的下沉和提升速度也要严格控制。

⑵制备的水泥浆不能离析，因而水泥浆应在搅拌机中不断搅拌，直至压浆时才可将其缓慢地注入集料斗中。

⑶预搅下沉时，应尽量避免采用水冲下沉，只有遇硬土层下沉太慢时，才可适量冲水。

⑷预搅下沉时就开启压浆泵压浆，容易造成后来的涌浆和水泥浪费现象，也给桩头开挖和清理工作带来麻烦，应尽量避免。

⑸为确保加固强度和加固体的均匀性压浆阶段不容许出现断浆或停浆现象，输浆管道不能发生堵塞，并严格控制搅拌机的提升速度。当出现断浆时，应将搅拌头下沉0.5米后重新开启压浆泵开始压浆、提升。提升速度要通过的试验来确定，以确保搅拌头提升至桩顶设计标高时压浆刚好完毕。

⑹当桩顶设计标高与现场地面标高相近时，应特别注意桩头搅拌质量，可待搅拌头提出地面停机后，再利用其自身重量对桩顶加固土层加压以保证桩头的密实性。

⑺水泥用量要采用单桩控制，一桩一清，确保灰土比例。

3．开挖效果

⑴开挖时间：成桩一个月后。

⑵外型尺寸：桩体轮廓与搅拌头叶片尺寸相当，上下均匀一致。

⑶相对强度：

桩周软土的状态与天然软土相似，用铁锹轻挖即可掘起一大块；

8%含灰量时：要用脚用力踩才能掘下一块；

12%含灰量时：须用镐才能刨动；

15%含灰量时：用镐也很难刨动。

⑷断面情况：整体看基本均匀，但能看到某些局部的水泥富集区“结核区”，搅拌越均匀，结核越少，但相对的施工时间越长。一般情况下能做到两次搅拌（喷浆搅拌和重复搅拌）的效果已经不错。

⑸强度对比：桩身取试块与同龄期、同水泥掺量的室内试块强度比较，前者约为后者的1/2—1/3。

（七）喷粉型搅拌桩（粉喷桩）制作工艺和技术要点

1．制作工艺

⑴就位：对准桩位，校正搅拌轴的垂直度。

⑵钻进：钻机正转给进状态，同时启动空压机喷射压缩空气（一来可以防止钻头喷口堵塞，二来可以减少钻进阻力），钻进至设计桩底深度。

⑶喷粉提升：当确认水泥粉料到达桩底后开始反转提升，到桩顶设计标高时停止供料。为便于控制搅拌质量，一般不得使用Ⅲ挡提升。

⑷搅拌头提升到桩顶时，打开送气阀，关闭送料阀，不要关闭空压机，在原位转动2min，以保证桩头均匀密实。

⑸复搅：搅拌头下沉、提升，重复搅拌一次。

⑹移位。

2．技术要点

⑴机身调平以钻杆是否垂直为依据,操作时以钻锤吊线进行控制.

⑵钻头钻至设计深度时,应有一定的滞留时间,以保证水泥粉体到达桩底.一般为2—3min。

⑶喷粉或喷气时，当气压达到0.4Mpa时，管路可能堵塞，此时应停止喷粉，将钻头提出地面，查明堵塞原因。

⑷管路堵塞会造成气压剧增，如不及时排除，当气压达到一定压力后会突然疏通（俗称“放炮”），这样会造成大量的水泥粉体在高压下射出桩身以外而无形流失。虽然计量的水泥用量符合设计要求，但桩身水泥实际含量却不足或很低。

⑸整个制桩过程一定要保证边喷粉、边提升连续作业。当空气湿度大、粉体流动性差、喷气压力大、单位桩长喷粉量大时，应开通灰罐进气阀，以对料罐加压。如出现断粉，应及时补喷，补喷重叠长度不小于0.5m。

⑹粉体固化料入罐时必须过筛，以保证入罐固化剂粒径最大不超过0.5cm，无纸屑石块等杂物。

⑺喷粉开始时，应将电子秤显示屏置零，使喷粉过程在电子计量显示下进行。喷粉时，记录人员应随时观察电子秤的变化显示，以保证各段喷粉均匀。

河南什省路通物探科技开发有限公司

二0 0 三年九月

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