深層攪拌樁在軟弱地基處理中的作用
導(dǎo)語：深層水泥攪拌樁是利用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機械在地基將軟土或沙等和固化劑強制拌和，使軟基硬結(jié)而提高地基強度。
深層攪拌樁是軟土地基處理中的一項新技術(shù),具有安全可靠、經(jīng)濟實用的優(yōu)點。本文討論以水泥作固化劑的深層攪拌樁的加固機理，并結(jié)合工程實例進一步討論攪拌樁的設(shè)計、施工及質(zhì)量控制問題。因此,對今后深層攪拌樁工程的設(shè)計和施工具有一定的參考作用。本文主要以柱狀攪拌樁加固型式為實例。
深層攪拌樁是利用深層攪拌機,沿深度方向?qū)④浲僚c固化劑(水泥漿或水泥粉、石灰粉,外加一定量的摻合劑)就地進行強制攪拌,使土體與固化劑發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),形成具有一定整體性和一定強度的加固體。這種地基處理技術(shù)適用于處理包括淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、砂性土、泥炭土等各種成因的飽和軟粘土,含水量較高且地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不大于120KPa的粘性土等地基。深層攪拌樁所用固化劑種類較多,有水泥類、石灰類、粉煤灰類、瀝青類、泥漿類、化學(xué)材料類等,但最常用的仍然是水泥類,因其具有取材便利、適用土質(zhì)范圍廣泛、加固后所形成的水泥土強度高、穩(wěn)定性好等特點。與其他施工方法相比較,深層攪拌法具有施工工期短、無公害、成本低等特點,其在施工中無振動、無噪聲、無地面隆起、不排污、不污染環(huán)境,對相鄰建筑物不產(chǎn)生有害影響。深層攪拌法因其出色的工藝特點,被廣泛應(yīng)用于形成復(fù)合地基、支護結(jié)構(gòu)、防滲帷幕等。
一、加固機理
深層攪拌加固原理是基于水泥加固土的物理化學(xué)反應(yīng)過程。在水泥加固土中，由于水泥的摻量很小，僅占被加固土重的'5%～20%，水泥的水解和水化反應(yīng)完全是在具有一定活性的介質(zhì)———土的圍繞下進行，硬凝速度緩慢且作用復(fù)雜。目前初步認為，水泥加固軟土主要產(chǎn)生下列反應(yīng)。
(一)水泥的水解和水化反應(yīng)。水泥遇水后，顆粒表面的礦物很快與水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣與含水鐵酸鈣等化合物。其中前兩種化合物迅速溶于水中，使水泥顆粒新表面重新暴露出來，再與水作用，這樣周圍水溶液就逐漸達到飽和。當(dāng)溶液達到飽和后，水分子雖繼續(xù)深入顆粒內(nèi)部，但新生成物已不能再溶解，只能以細分散狀態(tài)的膠體析出，懸浮于溶液，形成凝膠體。
(二)離子交換和團�；饔�。土體中含量最多的二氧化硅，遇水后形成硅酸膠體微粒，其表面帶有鈉離子Na+和鉀離子K+，它們能和水泥水化生成的氫氧化鈣中的鈣離子Ca++進行當(dāng)量離子交換，這種離子交換的結(jié)果，使大量的土顆粒形成較大的土團粒。
水泥水化后生成的凝膠粒子的比表面積，約是原水泥的比表面積的1000倍，因而產(chǎn)生很大的表面能，具有強烈的吸附活性，能使較大的土團粒進一步結(jié)合起來，形成水泥蜂窩結(jié)構(gòu)，并封閉各土團之間的空間，形成堅硬的聯(lián)體。
(三)硬凝反應(yīng)。隨著水泥水化反應(yīng)的深入，溶液中析出大量的鈣離子Ca++，當(dāng)鈣離子的數(shù)量超過上述離子交換的需要量后，則在堿性的環(huán)境中，使組成土礦物的二氧化硅及三氧化鋁的一部分或大部分與鈣離子進行化學(xué)反應(yīng)，隨著反應(yīng)的深入，生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶礦物，這種重新結(jié)合的化合物，在水中和空氣中逐漸硬化，增大了土的強度，且由于水分子不易侵入，因而具有足夠的穩(wěn)定性。
二、工程概況
防城港市新建鐵路調(diào)車場工程D3K0+954軌道衡基礎(chǔ)(寬3.4米，長74.34米)和DK2+173箱涵的基礎(chǔ)(寬5米，長30米)，均采用深層柱狀攪拌樁進行地基處理，并且效果很好。本文以DK2+173箱涵為實例，該涵基底標(biāo)高為1.5米。根據(jù)工程勘察地質(zhì)資料，標(biāo)高1.5米以下第一層為人工填土，厚度為3.0米。第二層為淤泥質(zhì)的砂土，平均厚度為6.5米，天然含水量為52.3%，含砂量47.5%，標(biāo)貫擊數(shù)為2至3擊，樁周土的平均摩阻力為9KPa，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為70KPa，力學(xué)強度極差，是典型的軟土地基。第三層為強風(fēng)化砂巖，力學(xué)強度極好。
由工程勘察地質(zhì)資料可以看出，箱涵的基礎(chǔ)位于淤泥質(zhì)砂土層，該層淤泥厚度大，含水量高且地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值達不到設(shè)計要求，該層不能作為箱涵基礎(chǔ)的持力層，良好的持力層應(yīng)該是強風(fēng)砂巖層。
地質(zhì)報告建議采用灌注樁方案，但通過技術(shù)經(jīng)濟比較，采用深層攪拌樁復(fù)合地基方案替代灌注樁方案，對壓縮層深度內(nèi)進行加固處理，更為合理。深層攪拌樁是一種介于剛性樁與柔性樁之間柱，計算時考慮樁土的共同作用，就其設(shè)計理論而言，較灌注樁先進，且深攪樁的造價低于灌注樁，成樁快。因此采用深層攪拌樁復(fù)合地基具有明顯的經(jīng)濟效益。
三、深層攪拌樁的設(shè)計
深層攪拌樁的加固形式有：柱(樁)狀、壁狀、塊狀。
本文以柱狀攪拌樁加固地基，結(jié)合實例DK2+173箱涵地基處理，簡單敘述深層攪拌樁的設(shè)計理論要求和一些原則。
(一)漿液配合比。根據(jù)土質(zhì)分析即有機鹽含量，可溶鹽含量，以及水質(zhì)分析即地下水的酸堿度(PH)值，硫酸鹽含量。DK2+173箱涵攪拌基礎(chǔ)處于吹砂填海的場地上，我們采用32.5普通硅酸鹽水泥，再根據(jù)水泥土的抗壓強度，參照室內(nèi)配合比試驗資料，選擇水泥摻入比為加固土重的17%，并加入水泥重量的5%的粉煤灰和2%的石膏粉。
(二)樁長的確定。根據(jù)地質(zhì)資料知：涵洞基底(標(biāo)高1.5米)以下第一層人工填土厚為3.0m，第二層淤泥質(zhì)砂土平均厚度為6.5m，第三層為強風(fēng)化砂巖，因此選擇樁長L=9.7m。
(三)單樁承載力pa和水泥土無側(cè)限抗壓強度qu計算
式中f———樁側(cè)土的平均容許摩阻力(kPa);
Sa———攪拌樁周長(m);
a———樁截面積(m2);
k———水泥土強度安全系數(shù)，一般可取1.5;
式(2)中的2是攪拌樁承載力的安全系數(shù)。
本例中f=9kPa樁徑D取0.6m，則
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