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1、南京工程学院毕业设计说明书目录前 言1第一章 绪论21.1概述21.2发展概况31.3 工程应用情况41.4搅拌法的特点及适用性61.5勘察要求7第二章 水泥土搅拌法加固机理92.1水泥浆液喷射搅拌加固土的原理92.2 水泥粉体喷射搅拌加固机理112.3水泥土的材料特性11第三章 水泥土室内配比试验与分析153.1室内配合比试验153.2试验结果及分析18第四章 柱状水泥土搅拌桩复合地基设计与计算284.1工程概况284.2设计原则294.3设计要求及参数选择314.4单桩竖向承载力的设计与计算314.5复合地基承载力的设计与计算334.6下卧层强度验算364.7复合地基沉降变形验算414.8
2、方案选择494.9理正地基处理计算软件地基处理计算49第五章 壁状水泥土搅拌桩复合地基设计与计算555.1工程概况555.2格栅形水泥土支挡墙的设计原则555.3水泥土重力式挡土墙设计计算57第六章 水泥土搅拌法的施工工艺与质量检验676.1水泥土搅拌法的施工工艺676.2质量检验75结论77参考文献79致 谢8081第 页前 言我国地域广大，有各种成因的软弱土层，其分布范围广、土层厚度大。这类软土的特点是含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透性差、受力后沉降稳定时间长。近年来由于工业布局或城市发展规划，经常需要在软土地基上进行建筑施工。由于软土地基不良的建筑性能，因此需要进行人工加固
3、。软土就地加固是基于最大限度地利用原土，经过适当的改性后作为地基，以承受相应的外力。在软土地基中搅拌掺入各类固化剂使软土固化，是一种通用的地基加固方法。水泥土搅拌法是用于加固软弱地基的一种新型技术，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂（浆液状或粉体状）强制搅拌，利用固化剂和软土之间产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。由固化剂（水泥）与软土搅拌形成的固结体在我国称为水泥土搅拌桩。又由于历史上的原因和使用习惯，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
4、结体称为粉喷桩。将这两类地基加固方法（即拌入水泥浆的湿法和拌入水泥粉的干法）合称水泥土搅拌法（简称搅拌法）。在复合地基法中，水泥土搅拌桩复合地基以其独特的优点应用非常广泛。随着水泥土桩的试验研究、理论分析等工作的开展，水泥土搅拌桩复合地基理论研究水平获得了很大的提高。第一章 绪论1.1概述 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、水稳定性的水泥加固土状柱体
5、，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）和粉体搅拌法（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；粉体搅拌法是以干水泥粉（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，
6、从地表挖取0.61.0m深的软土，在附近用机械或人工拌土水泥或石灰，然后放回原处压实，这就是最深的软土，在附近用机械或人工拌土水泥或石灰，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13m。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34m，对于处理深度小于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，再将其卷入土中混合搅拌；而深层搅拌法用特制的搅拌机械，一般能使
7、加固深度都大于5m，国外最大加固深度可打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、湖盆地周围、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、抗剪强度底、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
8、想持力层的软土地基。1.2发展概况1.2.1国外发展概况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喷射水泥浆，经叶片的搅拌而形成水泥土桩，桩径0.30.4m，长度1012m。1953
9、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法都是采用螺旋钻机杆上带有特殊形状的搅拌翼片，并通过钻机杆供给水泥浆，与土进行强制搅拌而成。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深层搅拌法，可用来处理地下深部的河流冲积软土、湖泊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。DLM法是由两根带有
10、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入管组成，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，深层水泥搅拌法DMIC，深层水泥固结法DCCM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
11、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。1.2.2 国内发展概况我国于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，于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
12、，制成单搅拌轴和叶片。输浆型搅拌机，1981年在天津造纸厂蒸煮锅改造扩建工程中获得成功。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（喷射水泥浆或雾状水泥粉体）和石灰系搅拌（喷射雾状石灰粉体）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（喷射雾状石灰粉体或水泥粉体、石灰水泥混合粉体等）。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600的斜搅，主要用于整治路基和基床病害。 1.3 工程应用情况搅拌水泥土桩问世以来，发展迅速，应用广泛。在日
13、本大量用于各种建筑物的地基加固、稳定边坡、防止液化及负摩擦等。CDM法在日本及其他发达国家还广泛用于海上工程，如海底盾沟稳定掘进、人工岛海底地基加固、桥墩基础地基加固、岸壁码头地基加固、护岸及防波堤地基的加固等等。由于日本的特殊环境，其海上工程的投入相当巨大，这也促进了CDM工法的迅速发展。在日本。仅粉体搅拌水泥土桩，截止1993年施工项目数已超过1400项，加固土方量达到1000万m3。国外的深层搅拌机械采用了高新技术，实现了施工监控的自动化，确保了施工质量，目前尚未见到失败的工程例证。其工程应用中，设计方法比较保守，置换率高达40%80%，桩体设计强度值一般不超过0.6Mpa。由于理论研究
14、投入不够，目前还没有取得完整的应力场和变形场数据，使其设计计算方法不近人意。深层搅拌水泥土在我国应用10余年来，应用范围不断扩展，形成了我国的特色。深层搅拌水泥土桩率先用于10层综合楼的地基处理，大量用于8层左右的多层建筑物地基处理以及深基坑开挖中的支挡防渗工程。根据我国国情，开发的价格低、机型轻便的搅拌机械，在软土地基加固中取得了显著的社会效益和经济效益。20世纪90年代，我国的水泥土桩发展进入高潮，除西北、西南、东北边远地区以外，其他十几个省、市、自治区，包括台湾，都有应用的实例，尤以浙江、上海、湖北、江苏、广东等省市应用最多。近几年，夯实水泥土桩也在北京大量应用。（原）冶金工业部、建设部
15、以及浙江、武汉、上海、福建、天津等先后颁布了行业规范及地区性规范（定），成为当前深层搅拌水泥土桩设计和施工的依据。在工程实践中，由于我国搅拌机械的性能及施工监控系统比较落后，加上操作不认真、设计理论不完善，工程中出现了不少事故，暴露了许多问题。当务之急是继续完善和开发适合我国国情的搅拌机械，重点解决施工监控系统装置的研制。在设计理论上，虽然我国的科技人员进行了大量的工作，在水泥土的基本性质、临界桩长、固结特性、桩体冻侧等方面取得了可喜的进展，但确少系统的研究，没有揭示水泥土桩复合地基的应力场和变形场，使设计水平停滞不前。当今水泥土桩应用继续升温，解决上述问题意义重大。1.4搅拌法的特点及适用性
16、1.4.1搅拌法的优点 搅拌法加固软土技术，其独特的优点如下：（1）水泥搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度的利用了原土；（2）搅拌时不会使地基侧向挤出，所以对周围原有建筑物的影响很小；（3）按照不同地基土的性质及工程要求，合理选择固化剂及其配方，设计比较灵活；（4）施工时无振动、无噪音、无污染，可在市区内和密集建筑群中施工；（5）土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降；（6）与钢筋混凝土桩基相比，节省了大量的钢材，并降低了造价；根据上部结构的需要，可灵活采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固型式。由于受搅拌机械搅拌能力的限制，不适用于地基承载力大于120kPa的
17、粘性土和粉土地基。原地基承载力高时，湿法施工比干法施工搅拌可能性大，且搅拌效果更理想。若采用干法施工，搅拌后形成的水泥土均匀性相对较差,且易出现蜂窝状。另外，由于这种土的天然含水量较低，满足不了水泥水解水化反应的水量要求，容易使水泥土成干粉状，从而达不到理想的结果。从另一角度，对地基承载力较高的土，采用水泥土搅拌法进行加固，一旦施工质量达不到要求，由于机械搅拌对土的扰动，破坏了原土体结构，其效果反而比天然地基还差。所以对地基承载力较高的土采用搅拌法进行加固时，更要重视施工质量。1.4.2搅拌法的适用性水泥土搅拌法一般可用于增加软土地基的承载力、减少沉降量、提高边坡的稳定性。一般适用于以下几种情
18、况：（1）作为建筑物或构筑物的地基、厂房内具有地面荷载的地坪、高填方路堤下基层等；（2）进行大面积地基加固、防止码头岸壁的滑动、基坑开挖时作支护和减少软土中地下构筑物的沉降；（3）作为地下防渗墙以阻止地下渗透水流、对桩侧或板桩背后的软土进行加固。水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数Ip大于25的粘土（这种土容易在搅拌头叶片处形成泥团，无法完成水泥土搅拌），地下水具有腐蚀性时以及无工程经验的地区，必须通过现场试验确定其适用性。1.5勘察要求对于拟采用搅拌法的工程，除了常规的工程地质勘察要求之外，尚应对下述各项内容予以特别重视：（1） 填土层的组成填土层的组成的勘察，特别是大块物质（石块
19、、树根等）的尺寸和含量对搅拌的施工速度有很大影响。某工程实测表明，搅拌头穿过1m厚的含大块石的人工回填土层需要4060min，而穿过一般软土仅需23min。所以应探明大块石，必须清除大块石后再行施工。（2） 土的含水量当水泥配方相同时，其强度随土样的天然含水量的降低而提高。试验证明，当土样含水量在50%85%范围内发生变化时，含水量每降低10%，强度可提高30%。（3） 有机质含量对于有机质含量较高的软土，用水泥加固后的强度一般较低，因为有机质使土层具有较大的水容量和塑性及较大的膨胀性和低渗透性，并使土具有了一定的酸性，这些都阻碍水泥的水化反应，故影响水泥土的强度增长，因此对有机质含量较高的明
20、、暗浜填土及冲填土应予慎重考虑。对由生活垃圾组成的填土，不应采用搅拌法加固。一般当地基土中有机质含量大于1%时，加固效果较差。（4） 土质分析除按常规分析土的物理力学性能之外，还应对土做可溶性盐含量分析及总烧矢量分析。从土的主要成分和有机质含量，判断水泥加固土加固效果，亦可在拟加固的土样中加入氢氧化钠溶液，抽出浸后液体，其颜色越深，加固效果越差。（5） 水质分析对地下水的酸碱度（pH值）以及硫酸盐含量忽然侵蚀性二氧化碳等进行分析，以判断对水泥的侵蚀性影响。如前所述，地下水中的硫酸盐以及土中的有机质均为影响搅拌桩的加固效果和桩身强度的形成，因此要对土质和地下水质进行分析。（6） 土的其他指标采用
21、干法加固砂土应进行颗粒级配分析，特别注意土的粘粒含量及对加固料有害的土中离子种类及数量，如、等。第二章 水泥土搅拌法加固机理2.1水泥浆液喷射搅拌加固土的原理软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理是基于水泥加固土（简称水泥土）的物理化学反应。水泥加固土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同，混凝土的硬化主要是在粗填充料（比表面不大，活性很弱的介质）中进行水解和水化作用，所以凝结速度较快。而在水泥加固土中，由于水泥的掺量很少（仅占被加固土重的 7%20%），水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性介质的土的围绕下进行的，所以硬化速度缓慢且作用复杂，因此水泥加固土强度增长的过程也比混凝土慢。2.1
22、.1 水泥的水解和水化反应普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成，由这些不同的氧化物分别组成了不同的水泥矿物：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化铝、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。其各自的反应过程如下：（1） 硅酸三钙（3CaOSiO2）：在水泥中含量最高（约占全重的50%左右），是决定强度的主要因素。2（3CaOSiO2）+6H2O3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)2（2）硅酸二钙（2CaOSiO2）：在水泥中含量较高（占25%左右）
23、，它主要产生后期强度。2（2CaOSiO2）+4H2O3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2（3）铝酸三钙（3CaOAl2O3）：占水泥重量10%，水化速度最快，促进早凝。3CaOAl2O3+6H2O3CaOAl2O3（4）铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3）：占水泥重量10%左右，能促进早期强度。4CaOAl2O3Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O3CaOAl2O36H2O+3 CaOFe2O36H2O所生成的氢氧化钙、含水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，水分子虽继续深入颗粒内部，但新生成物已
24、不能再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。（5） 硫酸钙（CaSO4）：虽然它在水泥中的含量仅占3%左右，但它与铝酸三钙一起与水反应，生成一种被称为“水泥杆菌”的化合物：3 CaSO4+3CaOAl2O3+32 H2O3CaOAl2O3 3CaSO432 H2O根据电子显微镜的观察，水泥杆菌最初以针状结晶形式在比较短的时间里析出，其生成量随着水泥掺入量的多少和龄期的长短而异。由 X 射线衍射分析，这种反应迅速，最后把大量的自由水以结晶水的形式固定下来，这对于含水量高的软土的强度增长有特殊意义，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
25、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，如使用得合适，在某种特定条件下可利用这种膨胀势来增加地基加固效果。2.1.2 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；有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。 离子交换和团粒化作用粘土和水结合时就表现出一种胶体特征，如土中含量最多的二氧化硅遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带有钠离子 Na+或钾离子 K+，它们能和水泥水化生成的氢氧化钙中钙离子 Ca2+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
26、产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团的空隙，形成坚固的联结，从宏观上看也就使水泥土的强度大大提高。 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的需要量后，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稳定结晶化合物，增大了水泥土的强度。从扫描电子显微镜观察中可见，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的萌芽。一个月后水泥土中生成大量纤维状结晶，并不断延伸充填到颗粒间的空隙中，形成网状构造。到五个月时，纤
27、维状结晶辐射向外伸展，产生分叉，并相互连结形成空间网状结构，水泥的形状和土颗粒的形状已不能分辨出来。2.1.3 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，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，其反应如下：Ca(OH)2+CO2Ca CO3+H2O这种反应也能使水泥土增加强度，但增长的速度较慢，幅度也较小。从水泥土的加固机理分析，由于搅拌机械的切削搅拌作用，实际上不可避免地会留下一些未被粉碎的大小土团。在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象，而土团间的大孔隙基本上已被水泥颗粒填满。所以，加固后的水泥土中形成一些水泥较多的微区，而在大小土团内部则没有水泥。只有经过较长的时间
28、，土团内的土颗粒在水泥水解产物渗透作用下，才逐渐改变其性质。因此在水泥土中不可避免地会产生强度较大和水稳性较好的水泥石区和强度较低的土块区。两者在空间相互交替，从而形成一种独特的水泥土结构。可见，搅拌越充分，土块被粉碎得越小，水泥分布到土中越均匀，则水泥土结构强度的离散性小，其宏观的总体强度也最高。2.2 水泥粉体喷射搅拌加固机理粉体喷射搅拌常用的固化剂有水泥粉体、生石灰和消石灰，也有掺入粉化灰、石膏等外加剂的。粉体固化剂与原状土搅拌混合后，使地基土和固化剂发生一系列物理化学反应，生成稳定的水泥土和石灰土。用水泥粉体作固化剂加固软土地基与用水泥浆作固化剂加固原理基本相同，只是用水泥粉体作固化剂
29、，水化反应放热直接在地基土中，使水分蒸发和吸收水分的能力提高。2.3水泥土的材料特性2.3.1 水泥土的物理性质（1）重度由于拌入软土中的水泥浆重度与软土的重度相近，所以水泥土的重度与天然软土的重度相近。通过大量水泥土重度试验结果表明，水泥土的重度仅比天然软土的重度提高0.5%3%，所以采用水泥土搅拌法加固厚层软土地基时，其加固部分对于未加固部分不致产生过大的附加荷重，也不会产生较大的附加沉降。（2）含水量水泥土在凝结与硬化过程中，由于水泥水化等反应，使部分自由水以结晶水的形式固定下来，使水泥土的含水量略低于原土样的含水量，试验结果分析，水泥土含水量比原土样含水量减少0.5%7%，且随着水泥掺
30、入量的增大而减少。（3）相对密度由于水泥的相对密度为3.1，比一般软土的相对密度2.652.75为大，故水泥土的相对密度比天然软土的相对密度稍大。（4）渗透系数水泥土的渗透系数随水泥掺入比aw的增大和养护龄期的增大而减少，水泥土的渗透系数小于原状土。水泥土的渗透系数与原状土性、水泥掺入量、搅拌的均匀程度以及初始含水量等因素有关。一般可达10-710-10cm/s 数量级。2.3.2 水泥土的力学性质（1）无侧限抗压强度水泥土的无侧限抗压强度是衡量水泥土力学性质的极其重要的一个指标，一般其值为0.34MPa，即比天然软土大几十倍至数百倍。其变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑性体之间，图2.1为
31、水泥土的应力应变曲线，从图中可见，水泥土受力开始阶段，应力与应变关系基本上符合虎克定律。当外力达到极限强度时，对于强度大于2 Mpa 的水泥土很快出现脆性破坏，破坏后残余强度很小，此时的轴向应变约为（0.81.2）%（如图2.1中的 A20、A25试件）；对强度小于2 MPa 的水泥土则表现为塑性破坏（如图2.1中的 A5、A10、A15 试件）。（2）抗拉强度水泥土抗拉强度指标是设计水泥土搅拌桩挡墙的一个重要参数。一般应通过室内试验确定，水泥土的抗拉强度t 随其无侧限抗压强度的增长而提高，当水泥土的无侧限抗压强度=0.54 Mpa时，其抗拉强度t=0.050.70Mpa，即有t=0.060.
32、3。有资料介绍用劈裂法求得粘土的加固土抗拉强度t与无侧限抗压强度的关系，随着的增大，抗拉强度t的增长速率有逐渐降低的趋势。（3）抗剪强度水泥土的抗剪强度可由高压三轴剪切仪进行测定，通过大量实验结果表明：水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高，当=0.54MPa 时，其粘聚力C=0.11.1MPa，一般约为的20%30%，其内摩擦角变化在2030之间；另外，室内试验的抗剪强度与无侧限抗压强度的关系，随着的增大，抗剪强度和无侧限抗压强度的比值有变小的趋势，其总体的规律为=(1/21/3) 。（4）变形模量当垂直应力达50%无侧限抗压强度时，水泥土的应力与应变的比值称为水泥土的压缩模量E50。（5）
33、压缩系数和压缩模量水泥土桩的压缩系数约为0.020.035MPa-1，其相应的压缩模量 ES=60100Mpa，小于变形模量。我国建筑地基处理技术规范（JGJ792002）中提出搅拌桩的压缩模量可取（100120），对桩较短或桩身强度较低者可取低值，反之可取高值。（6）水泥土桩的抗冻性能将水泥土试件置于自然负温下进行抗冻试验，经观察表明，试件外观无显著变化，仅有少数试块表面出现裂纹，并有局部片状剥落，边角脱落和微膨胀，但影响深度及面积均不大，可见自然冰冻条件下不会对水泥土桩深部造成结构破坏。水泥土桩经长时间冰冻后的强度与不经过冰冻的强度相差无几，但当冰冻后再恢复正温，其强度继续升高，可升高到接
34、近标准值，即冻后正常养护90d 的强度与标准强度非常接近。在自然温度不低于15的条件下，冰冻对水泥土结构损害甚微，因此，只要在地温不低于10的条件下，就可以进行搅拌法的冬季施工。第三章 水泥土室内配比试验与分析复合地基承载力是根据设计要求来确定的，为了满足设计要求,必须进行水泥加固土的室内配合比试验。室内试验时，应考虑采用的施工工艺以及室内与现场的差异。现根据本工程设计要求进行水泥土室内配合比试验，通过不同水灰比、水泥掺入比、龄期、外掺剂等进行试验对比，分析影响水泥土强度的各种因素。水泥土配合比试验是水泥搅拌桩的设计和施工的基础工作，是控制水泥搅拌成本和施工质量的依据，每一项水泥搅拌桩工程正式
35、施工前必须认真进行该项工作。因此，通过水泥土的室内配合比试验，可以定量地反映出水泥土的强度特性的演变规律，为软土地基处理设计提供可靠的依据。3.1室内配合比试验3.1.1试验目的水泥土配合比试验的目的是认识地基土的特点，通过水泥土无侧限抗压强度测定，合理确定加固料和掺加料的品种和数量。水泥土的无侧限抗压强度一般为300-4000kPa，即比天然软土大几十倍至数百倍。其变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑体之间。3.1.2材料的选用（1）固化剂的选择1）水泥品种：水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥。2）水泥用量：根据现场土质条件，调整水灰比，其范围W/C=0.450.55。水泥用量按土的天然含水量
36、不同而变化，因为本工程各土层的含水量均小于50，所以水泥用量为50kg/m3。（2）水泥土的试样制备1 试模水泥搅拌土配合比试验的标准试模应为h=510cm 的圆试模。当试验室不具备条件时，允许用7.077.077.07cm 的方试模。它们之间的关系式为：圆试模的强度=0.87方试模的强度 2 成型把在施工场地现取的原状土及水泥运至试验室，经原材料试验后，按拟定的试验配方称重后放入搅拌锅内拌和均匀，然后在试膜内装入一半试料，击振试模50下，紧接着填入其余试料再击50下，最后将试块表面刮平，盖上塑料布，以防水分过快蒸发。水泥土试件的制备数量要求每组试件不少于3个。经过一段龄期，测出试块的无侧限抗
37、压强度。有以下公式求得：qu=S=70.7mm270.7mm2图 3.1 7.077.077.07cm 的方试模3 养生养生室温度202，湿度不低于95%，养生最后一天饱水24小时。在实际施工中,为了争取时间，可采用60高温养生的方法进行水泥搅拌土配合比试验，高温养生30h 约相当于标准养生28d强度值；高温养生96h约相当于标准养生90d强度值。（3）外掺剂的选择由于该地区土层含水量低，土层要求搅拌桩浆液具有较高的水灰比，而较高的水灰比将导致成桩强度降低。因此，在水泥浆液中掺入一定量的LST-6抗硫添加剂，提高浆液和易性，以达到浆液水灰比合理，成桩强度满足地基处理要求的目的。石膏兼有缓凝和早
38、强作用，加入少量石膏，能提高强度，减少水泥用量。故掺入适量石膏。图 3.2 水泥砼标准养护箱3.1.3实验过程（1）根据地质钻探资料,取地表下面较有代表性的土体作为试样,测试其含水量、孔隙率、湿容重等技术指标。 （2）根据土质情况,分别配制水泥掺入比为5、10、15、20，4个级别的混凝土试样用于试验。先将水与水泥搅拌均匀制成水泥浆，然后倒入称好的土样中，边倒边搅拌，直到水泥浆与土搅拌均匀为止。（3）将搅拌均匀的试样装入试模并振实，尽可能的排出气泡，然后刮平，为防止水分蒸发，将其用塑料袋裹好。（4）放置一昼夜后，拆模、编号、称重。（5）按设计掺量做水泥土室内配比试验18组，天然条件养护（7天强
39、度3组，14天强度3组，28天强度12组），并进行无侧限抗压强度试验。3.2试验结果及分析3.2.1 水泥土的密度表3.1 水泥土的密度试验结果土质水泥掺入比（%）水灰比（%）原状土的密度（kg/m3）水泥土的密度（kg/m3）7d28d淤泥质粘土50.514.614.414.21014.414.11514.213.92014.213.8由表3.1可以看出，水泥土的密度较加固前的天然土的密度虽有变化，但由于加固土中的水泥浆密度与被加固土的密度接近，所以水泥土加固地基对其下部原状土不会产生过大的自重附加应力及沉降。3.2.2 水泥土的含水量水泥土的含水量试验结果见表3.2。从理论上来说，被加固土
40、中的水，一部分以自由水的形式蒸发掉，另一部分与水泥进行水化反应被消耗，水泥土的含水量要比加固前的原状土含水量要低。实测结果也表明，其7d，28d的含水量均较加固前低，并且有一种逐渐减小的趋势。这说明水泥与被加固土中的水，在整个28d以致90d的龄期内都发生反应，逐渐被消耗。表3.2 水泥土含水量试验结果土质水泥掺入比（%）水灰比（%）原状土含水量（%）水泥土含水量（%）7d14d28d 淤泥质粘土50.53028.320.216.51028.821.517.41529.422.318.62030.623.419.33.2.3水泥土无侧限抗压强度水泥与土结合提高软土地基强度的主要原理是水泥与土之
41、间相互的物理化学反应作用，包括水泥水化、凝结硬化作用，水泥和软土之间的离子交换和团粒化作用，水泥掺量越高，水泥土强度越高。表3.3 水泥土室内配合比无侧限抗压强度qu 单位：MPa水灰比0.55龄期（d）7142890水泥掺量5%0.260.450.641.1210%0.340.480.811.4215%0.400.710.951.6720%0.441.101.272.23水灰比0.50龄期（d）7142890水泥掺量5%0.260.450.661.1610%0.340.490.851.4915%0.400.731.101.9320%0.441.121.312.30水灰比0.45龄期（d）71
42、42890水泥掺量5%0.260.450.681.1910%0.340.490.901.5815%0.400.741.142.0020%0.441.211.422.49注：R90=K1K2K3R28，其中K1为强度推断系数, 取1.174；K2为试件修正系数，取1.15； K3为强度损伤系数, 取1.3。水泥土7d、14d、28d和90d的无侧限抗压强度试验结果见表3.3。影响水泥土搅拌桩抗压强度的因素包括：土样的性质、水灰比、水泥掺入比、龄期、水泥土强度等级、外掺剂和搅拌均匀程度等。（1）水灰比从表3-3可以看出，水泥浆中的水灰比对水泥土强度影响不大，相同水泥掺入比时，水灰比0.55与0.5
43、0，0.50与0.45的水泥土无侧限抗压强度仅相差不大。水泥浆的拌和用水一方面满足水泥水化的需要，另一方面满足施工所需的流动性。水灰比越大，流动性越好，有利于水泥浆与粘土搅拌均匀，水泥土强度均匀性越好，但水泥土的含水量过大时，不利于土颗粒的凝聚固结，不利于水泥土强度的增长。因此应在满足施工和设计要求的前提下，选用水灰比W/C=0.50。（2）水泥掺入比 水泥掺入比aw=掺加的水泥重量/被加固土的湿重量100%。水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大，当aw5%时，由于水泥与土的反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散性也教大，故在水泥土搅拌法的实际施工中，选用的水泥掺入比必须大于7%。图 3.3
44、水泥掺入比Aw比与抗压强度的关系选用水灰比为0.50的一组水泥土试块，绘制水泥掺入比与无侧限抗压强度的关系曲线图3.3。从图中可以看出：水泥土强度随掺入比的增大而提高，当水泥掺入比为5时，因水泥与土的反应过弱，水泥土强度较天然地基的强度提高很小，固化程度较差；水泥掺入比在1020变化时，其抗压强度增加量最大。因此，为了充分发挥水泥土的强度，达到最佳加固效果，水泥掺入比宜取1020。每增加单位水泥掺入比所引起的强度增量在不同龄期是不同的，在0-90天范围内，龄期越长这种增量越高。经大量试验数据的分类数理统计，水泥土的抗压强度与水泥掺入比呈幂函数关系。其表达式为1.6（3）龄期水泥土的无侧限抗压强
45、度随龄期增长的变化关系曲线如图3.4所示，无侧限抗压强度随龄期增加而增大，以水泥掺入比为15为例，以90d的无侧限抗压强qu=1.93MPa为强度标准值。强度增长的过程分为3个阶段：28d以前为快速增长期，强度增长最快，到28d时可达到强度标准值的70左右；2860d为稳定增长期，强度增长缓慢，至60d时可达到强度标准值的90左右；60d以后为缓慢增长期，强度增长缓慢，仅增长强度标准值的10左右。由无侧限抗压强度试验，在其它条件相同时，不同龄期的水泥土无侧限抗压强度大致呈线性关系，这些关系如下：式中：为7d的龄期的无侧限抗压强度。为14d的龄期的无侧限抗压强度。为28d的龄期的无侧限抗压强度。
46、为90d的龄期的无侧限抗压强度。图 3.4 强度与龄期增长的变化曲线图 3.5 TYA-2000型电液式压力试验机当龄期超过3个月后，水泥土的强度增长才缓慢。同样，据电子显微镜观察，水泥和土的硬凝反应需3个月才能充分完成。因此水泥土选用3个月龄期强度作为水泥土的标准强度较为适宜。一般情况下，龄期少于3d的水泥土强度与标准强度间关系其线形较差，离散性较大。回归分析还发现在其他条件相同时，某个龄期（T）的无侧限抗压强度fcuT与28d龄期的无侧限抗压强度fcu28的比值fcuT/fcu28的龄期T的关系具有较好的归一化性质，且大致呈幂函数关系。其关系式如下：fcuT/fcu28=0.2414T0.4197 上式中龄期的使用范围是（7-90）d。（4）外掺剂 外掺剂对水泥土强度有