【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 雙攪拌軸、中心管輸漿、陸上型的深層攪拌機(jī)， 1980 年在上海軟土加 固工程正式采用并獲得成功。 1980 年初，天津市機(jī)械化施工公司與交通部一航局科研所 等單位引進(jìn)開發(fā)成功單攪拌軸、葉片輸漿型深層攪拌機(jī)。 1983 年鐵道部第四勘察設(shè)計(jì)院 開始進(jìn)行噴石灰粉攪拌法研究，并獲得成功，不久應(yīng)用于噴水泥粉深層攪拌。目前深層 攪拌法可分為噴漿深層攪拌法合噴粉深層攪拌法兩種，其中噴漿深層攪拌法在建筑 地基 處理中應(yīng)用較廣，而噴粉深層攪拌法則在道路工程中廣泛應(yīng)用。 （ 3）工程應(yīng)用情況 深層攪拌水泥土樁問世以來，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。 國(guó)外的深層攪拌機(jī)械采用了高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了施工監(jiān)控的自動(dòng)化，確保了施工質(zhì)量， 目前尚未見到失敗的工程例證。其工程應(yīng)用中，設(shè)計(jì)方法比較保守，置換率高達(dá) 40﹪～ 80﹪，樁體設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值一般不超過 。 深層攪拌水泥土樁在我國(guó)應(yīng)用 10 余年來，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，形成了我國(guó)的特色。 深層攪拌樁率先用于 10 層綜合樓的地基處理，大量用于 8 層左右的多層建筑物地基處 理以 及道路工程中。根據(jù)我國(guó)國(guó)情開發(fā)的價(jià)格低、機(jī)型輕便的攪拌機(jī)械，在軟土地基加 固中取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 90 年代，我國(guó)的水泥土樁發(fā)展進(jìn)入高潮，除西北、西南、東北邊遠(yuǎn)地區(qū)以外，其它 十幾個(gè)省、市、自治區(qū)，包括臺(tái)灣，都有應(yīng)用的實(shí)例，尤其以浙江、上海、江蘇、廣東 等省市應(yīng)用最多。冶金工業(yè)部、建設(shè)部以及專家、武漢、上海、福建、天津等先后頒布 了行業(yè)規(guī)范及地區(qū)性規(guī)范（規(guī)定），成為當(dāng)前深層攪拌水泥土樁設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)。 目前，國(guó)內(nèi)已有粉噴樁加固軟弱地基的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范。鐵道部于 1996年 2月 26發(fā) 布， 1996年 4月 1日實(shí)施的 “四化建設(shè)噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范 ”（ TB1011396)， 為鐵道部行業(yè)規(guī)范。上海市建設(shè)委員會(huì)于 1994年 12月頌布， 1995年 4月 1日實(shí)施的 “上海 市標(biāo)準(zhǔn)地基處理技術(shù)規(guī)范 ”中關(guān)于水泥土攪拌法章節(jié)，將攪拌樁分為 “干法 ” “濕法 ”和 . 除施工不同外，其設(shè)計(jì)和質(zhì)量檢測(cè)不予區(qū)別，這為上海地方規(guī)范。兩年后，即 1997年 4 月 28日，由上海市建設(shè)委員會(huì)發(fā)出 “關(guān)于粉噴樁及探層攪拌樁在建筑工程地基處理中應(yīng) 用問題的通知 ”(滬建 (97)第 0372號(hào) )，規(guī)定于 1997年 5月 1日起報(bào)監(jiān)的工程，一律暫停地 基處理中使用粉噴樁，主要原因是粉噴樁的噴粉控制及施工質(zhì)量有較多缺陷。后經(jīng)過多 方科研機(jī)關(guān)與廠家聯(lián)合，粉噴控制問題已基本得到解決，如杭州森宇電控機(jī)械有限公司 研制的 FZ1型噴粉記錄器，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來看巳基本趨于成熟。至于施工質(zhì)量，加強(qiáng) 管理和采取有效措施應(yīng)該說也能夠得以解決。然而通過現(xiàn)場(chǎng)鉆取芯和靜載荷試驗(yàn)及大量 的工程實(shí)踐，對(duì)深部淤泥或淤泥質(zhì)粘土，其粉噴樁加固的效果并不理想。盡管采取了有 8 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 效的粉噴記錄和嚴(yán)格的施工管理，深部樁體的質(zhì)量保證仍有待進(jìn)一步提高，表現(xiàn)的效果 是核樁體盡管有水泥固化劑，但強(qiáng)度很低，樁體呈明顯的軟塑體。 在工程實(shí)踐中，由于我國(guó)攪拌機(jī)械的性能及施工監(jiān)控系統(tǒng)比較落后，加上操作不認(rèn) 真，設(shè)計(jì)理論不完善，工程中出現(xiàn)了不少事故，暴露了許多問題。當(dāng)務(wù)之急是繼續(xù)完善 和開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的攪拌機(jī)械，重點(diǎn)解決施工監(jiān)控系統(tǒng)裝置的研制。在設(shè)計(jì)理論上， 雖然我國(guó)的科技人員進(jìn)行了大量的工作，在水泥土的基本性質(zhì)、臨界樁長(zhǎng)、固結(jié)特性、 樁體動(dòng)測(cè)等方面取得了可喜的進(jìn)展，但缺少系統(tǒng)的研究，沒有揭示水泥土樁復(fù)合地基的 應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)，使設(shè)計(jì)水平停滯不前。當(dāng)今水泥土樁應(yīng)用繼續(xù)升溫，解決 上述問題意 義重大。 現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理人員主要關(guān)心的只是計(jì)量及平面位置是否正確，這是遠(yuǎn) 遠(yuǎn)不夠的。有很多影響粉噴樁施工質(zhì)量的因素未被注意，如樁體的復(fù)攪深度，在噴灰過 程中是否出現(xiàn)?；业龋瑹o法被管理人員了解。在驗(yàn)收階段一般采用壓樁頭的方法，這種 方法只是一種事后的檢測(cè)方法，而且所檢驗(yàn)的只是樁體上部的強(qiáng)度，對(duì)樁體下部強(qiáng)度分 布及強(qiáng)度大小，無法做出估計(jì)。同時(shí)在時(shí)間上也無法對(duì)粉噴樁的施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 這樣粉噴樁的施工質(zhì)量勢(shì)必會(huì)由施工人員的質(zhì)量意識(shí)及施工經(jīng)驗(yàn)決定。 要保證施工質(zhì)量，必須注意工程的科學(xué)管理 ，嚴(yán)把質(zhì)量監(jiān)督關(guān)，在質(zhì)量控制上可以 從兩方面入手：一是施工過程中的質(zhì)量控制，即找到能控制施工期間的進(jìn)尺速度與噴灰 量的儀器，動(dòng)態(tài)地監(jiān)控這些參數(shù)，保證噴灰均勻而連續(xù)，使噴灰質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。二 是成樁后的質(zhì)量檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)問題馬上進(jìn)行處理，對(duì)施工過程中的控制結(jié)果及時(shí)反饋， 確保施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。 （ 4）深層攪拌法的特點(diǎn)及適用性 深層攪拌法加固軟土技術(shù)，其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)如下： ① 深層攪拌法由于將固化劑和原地基軟土就地?cái)嚢杌旌?，因而最大限度地利用? 原土，無須開采原材料，大量節(jié)約資源。 ② 針對(duì)擬加固土質(zhì)和加固 目的，可以自由選擇加固材料，包括水泥粉、水泥漿、 石膏、礦渣、粉煤灰、砂或碎石粉末等，設(shè)計(jì)比較靈活。如果事先加以混合，可以同時(shí) 噴射兩種以上的混合加固材料。 ③ 可以自由選擇加固材料的噴入量，能適應(yīng)于多種土質(zhì)。 ④ 除機(jī)械擠土的夯實(shí)水泥土樁外，其施工工藝震動(dòng)和噪音很小，減少了對(duì)環(huán)境和 原有建筑物的影響，可以在市內(nèi)密集建筑群中施工。 ⑤ 土體加固后重度 基本不變，對(duì)軟弱下臥層不致產(chǎn)生附加沉降。 9 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ⑥ 與鋼筋混凝土樁基相比，節(jié)省了大量的鋼材，并降低了造價(jià)。 ⑦ 根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的 需要，可靈活地采用柱狀、壁狀、格柵狀和塊狀等加固形式。 ⑧ 施工速度快，國(guó)產(chǎn)的深層攪拌樁機(jī)每臺(tái)班（ 8h）可成樁 100～ 150m。人工成孔夯 實(shí)水泥土樁速度更快。 ⑩ 國(guó)產(chǎn)粉噴樁有一定的粉塵污染，采用水泥漿時(shí)亦有一些漿液污染。日本等國(guó)采 用了封閉的輸送供給系統(tǒng)，雨天也能施工，基本消除了環(huán)境污染。 深層攪拌法最適用于加固各種成因的飽和軟粘土。 國(guó)外使用深層攪拌法加固的土質(zhì)有新吹填的超軟土、泥炭土和淤泥質(zhì)土等飽和軟 土。加固場(chǎng)所從陸地軟土到海底軟土，加固深度 60m。國(guó)內(nèi)目前采用深層交辦法加固的 土質(zhì)有淤泥、淤 泥質(zhì)土、地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不大于 120kPa 的粘性土和粉性土等地基（限 于當(dāng)前攪拌機(jī)械攪拌能力的限制）。加固場(chǎng)所已從陸地發(fā)展到海底軟土，加固深度一般 可以達(dá)到 18m。 深層攪拌法可用于增加軟土地基的承載能力，減少沉降量，提高邊坡的穩(wěn)定性，多 數(shù)適用于以下情況： ① 作為建筑物和構(gòu)筑物的地基加固。 ② 高速公路、鐵道和機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道以及高填方路堤等。 ③ 進(jìn)行大面積地基加固，以防止深基坑開挖時(shí)坍塌、坑底隆起和減少軟土中地下 構(gòu)筑物的沉降。 ④ 對(duì)深基坑開挖中的樁側(cè)背后的軟土加固，以增加側(cè)向承載能力；作為地下防滲 墻，以阻止地下滲透水流。 （ 5）深層攪拌法的加固機(jī)理 深層攪拌法是用固化劑水泥漿和石灰與外加劑（石膏等）通過特制的深層攪拌機(jī)械 輸入到軟土中并加以充分拌和，固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理 ——化學(xué)作用， 改變了原狀土的結(jié)果，使之硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥土和石灰土。 由于土質(zhì)不同，其固化機(jī)理也有不同。 粉噴樁處治軟基屬于深層攪拌法中的一種，它是利用壓縮空氣向軟弱土層中輸送石 灰、水泥等粉狀加固料，使其與原位軟弱土混合、壓密，通過加固料與軟弱土之間的離 子交換作用、凝聚作用、化學(xué)結(jié)合作用等一 系列物理化學(xué)作用，使軟弱土硬結(jié)成具有整 體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的柱狀加固土，它與原位軟弱土層組成復(fù)合地基，提高軟土地 基承載力，減少地基沉降量。 粉噴樁的加固機(jī)理： 10 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ⑴ 軟土與水泥的化學(xué)組成 土的化學(xué)成分因其成因的不同而有較大的區(qū)別。在我國(guó)沿海地區(qū)，特別是在河海、 黃河、長(zhǎng)江、珠江、閩江、錢塘江的入?？诟浇翆哟蠖鄬儆诮练e土層，在這些 河流的下游流域，分布著含水量很高的軟粘土。習(xí)慣上，將淤泥、淤泥質(zhì)土以及大然強(qiáng) 度低、壓縮性高的一般粘性土等軟弱土層統(tǒng)稱為軟土 (Soft Soil)，它是在靜水或非常 緩慢的流水環(huán)境中沉積，經(jīng)生物化學(xué)作用形成，天然含水量大于液限、天然孔隙比大于 的粘性土。當(dāng)天然孔隙比大于或等于 而小于 時(shí)為淤泥質(zhì)土 (Mucky Soil)； 當(dāng)天然孔隙比大于或等于 時(shí)為淤泥 (Muck)。軟土廣泛分布在我國(guó)東南沿海、內(nèi)陸平 原和山區(qū)，如廣東、上海、杭州、寧波、溫州、福州、廈門以及昆明和武漢地區(qū)。 軟土的一般特性是其有機(jī)含量較一般粘土高，以化學(xué)風(fēng)化形成的次生礦物組成，并 以蒙脫石為主要成分，顆粒粒徑非常微小，在電子顯微鏡下 呈片狀或磷片狀；表面帶有 負(fù)電荷，與水有很強(qiáng)的相互作用；表面能大，對(duì)于海相沉積的軟土，所含的水分中有大 量的硫酸鹽。 粉噴樁施工中用到的水泥一般為普通硅酸鹽水泥，它是由硅酸鹽水泥熟料、石膏及 混合材料等組成。其中硅酸鹽水泥熟料對(duì)水泥的性能起決定性作用。硅酸鹽水泥熟料由 多種礦物組成，其實(shí)際礦物組成是相當(dāng)復(fù)雜的，是由多種礦物及中間物組成的聚合體 。 硅酸鹽水泥熟料有代表性的組成礦物有下列四種 :硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣及鐵 鋁酸四鈣。此外，還含有少量的鈣礬石、玻璃相和游離的氧化鈣及氧化鎂 。 硅酸三鈣是硅酸 盆水泥熟料的主要成分，其含量一般在 15～ 65%左右。硅酸三鈣是 硅酸二鈣在 1250℃ 以上時(shí)吸收游離的氧化鈣而形成的高溫化合物。當(dāng)水泥熟料急冷時(shí)， 硅酸三鈣來不及分解 .而以一種亞穩(wěn)定態(tài)存在下來。因此，從熱力學(xué)角度來看，常溫下 硅酸三鈣處于高能狀態(tài)，具有較高的化學(xué)活性。硅酸三鈣的水化速度較快，水化產(chǎn)物的 強(qiáng)度較高，是水泥早、中期強(qiáng)度的主要組成成分，對(duì)總強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也較大。另外，硅酸 三鈣對(duì)水泥其它性質(zhì)的影響也很大。 硅酸二鈣也是硅酸鹽水泥熟料的重要組成成分，其含量一般在 10～ 40%左右。硅酸 二鈣晶格結(jié)構(gòu)隨 環(huán)境溫度的變化而不同，由于水泥熟料的急冷，常溫下，硅酸二鈣處于 亞穩(wěn)定狀態(tài)，具有較高的水化活性。但硅酸二鈣的水化速度較慢，對(duì)水泥的早期強(qiáng)度貢 獻(xiàn)較小，其主要貢獻(xiàn)在水泥的中后期強(qiáng)度，水泥的最終強(qiáng)度在很大程度上取決于硅酸二 鈣的含量和水化程度。 鋁酸三鈣在水泥熟料中含量一般在 10%以下，但是鋁酸三鈣的水化速度非常快，水 化熱高，是水泥早期強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)者 .但水化鋁酸三鈣的耐腐蝕性較差，在環(huán)境中若 11 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 存在硫酸鹽時(shí)，鋁酸三鈣可與硫酸鹽形成鈣礬石，產(chǎn)生非常大的體積膨脹。因此，當(dāng) 水 泥中鋁酸三鈣的含量較大時(shí)，水泥強(qiáng)度受硫酸鹽的影響極大 .抗硫酸鹽腐蝕的能力相當(dāng) 差。 鐵鋁酸四鈣的水化也是水泥早期強(qiáng)度的來源之一，它的水化速度非常快，水化熱高， 是水泥抗折強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)者。 ⑵ 水泥加固土的原理 軟土與水泥采用機(jī)械深層攪拌加固的基本原理是基于水泥加固土（即水泥土）的物 理化學(xué)反應(yīng)過程。在水泥加固土中，由于水泥的摻量很少（僅僅占被加固土重的 7﹪～ 20﹪），水泥水解和水化反應(yīng)完全是在有一定活性的介質(zhì) ——土的圍繞下進(jìn)行，土質(zhì)條 件對(duì)于攪拌樁樁身質(zhì)量的影響主要有兩個(gè)方面：一是土體的物理力學(xué)性 質(zhì)對(duì)攪拌樁樁身 水泥土攪拌均勻性的影響；二是土體的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)樁身水泥土強(qiáng)度增加的影響。因 此水泥土硬化速度緩慢且作用復(fù)雜，所以水泥加固土強(qiáng)度增長(zhǎng)的過程也比較緩慢。 ① 水泥的水解和水化反應(yīng) 普通硅酸鹽水泥主要是由氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵及三氧化硫 等組成，由這些不同的氧化物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。將水泥拌入軟土后，水泥顆粒表面的礦物很快與軟土中 的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及水化鐵酸鈣等化 合物。 各 自的反應(yīng)過程如下： ：在水泥中含量最高（約占全重的 50﹪左右），是決定強(qiáng)度的主要因素。 2(3CaO ? SiO2 ) + 6 H 2O ?? 3CaO ? 2SiO2 ? 3H 2O + 3Ca (OH )2→ ：在水泥中含量較高（占 25﹪左右），它主要產(chǎn)生后期強(qiáng)度。 2(2CaO ? SiO2 ) + 4 H 2O ?? 3CaO ? 2SiO2 ? 3H 2O + Ca (OH ) 2→ ：占水泥重量的 10﹪，水化速度最快，促進(jìn)早凝。 3CaO ? Al2O3 + 6 H 2O ?? 3CaO ? Al2O3 ? 6 H 2O→ ：占水泥重量的 10﹪左右，能促進(jìn)早期強(qiáng)度。 4CaO ? Al2O3 ? Fe2O3 + 2Ca(OH ) 2 + 10 H 2O ?? 3CaO ? Al2O3 ? 6 H 2O + 3CaO ? Fe2O3 ? 6 H 2O→ ：僅占水泥重量的 3﹪，它與鋁酸三鈣一起與水發(fā)生反應(yīng)，生成一種被稱 12 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 為 “水泥桿菌 ”的化合物： 3CaSO4 + 3CaO ? Al2O3 + 32 H 2O ?? 3CaO ? Al2O3 ? 3CaSO4 ? 32 H 2O→ 據(jù) X 射線衍射分析可知，這種反應(yīng)迅速，反應(yīng)結(jié)果把大量的自由水以結(jié)晶水的形式 固定下來，這對(duì)于高含水量的軟粘土的強(qiáng)度增長(zhǎng)有特殊意義。 ② 粘土顆粒與水泥水化物的作用 當(dāng)水泥的各種水化物生成后