深层水泥土搅拌桩在基坑支护中的应用

第24卷增刊 岩 土 力 学 V ol.24 增1 2003年10月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2003

作者简介：颜恩锋，男，1977年生，硕士研究生，主要从事地质工程、岩土工程及相关技术的研究工作。

文章编号：1000－7598－(2003)增―0090―04

深层水泥土搅拌桩在基坑支护中的应用

颜恩锋１

，孙友宏１

，许振华２，刘冬生１

（1. 吉林大学 建设工程学院， 吉林 长春 130026；2. 吉林大学 环境与资源学院， 吉林 长春 130026）

摘 要： 通过介绍水泥与土之间的一系列物理-化学反应，阐述了深层搅拌法加固地基土的原理[1]。结合室内试验及工程实例，介绍了深层水泥土搅拌桩重力式挡墙技术在基坑支护中的应用，对于基坑设计及施工有一定实际意义。 关 键 词： 深层搅拌桩；加固原理；基坑支护；应用 中图分类号： TU 473 文献标识码： A

Application of deep mixing cement-soil pile to foundation pit supporting

YAN En-feng 1，SUN You-hong 1，XU Zhen-hua 2，LIU Dong-sheng １

（1. College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China ； 2. Environment and resources of college of Jinlin University, Changchun 130026, China ）

Abstract: The rinciple that the deep mixing method can reinforce foundation soil by introdu-cing a series of physical and chemical reactions between cement and soil, is expounded. The applications of deep mixing pile gravity retaining walls to foundation pit supporting are introduced by indoor experiments and practical instance. It has practical meaning in foundation pit design and construction.

Key words: deep mixing pile ；reinforcing principle ；foundation pit supporting ；application

1 引 言

深层搅拌法（Deep mixing method ）是将水泥、石灰等材料作为主固化剂，通过特别的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和土体之间所发生的一系列物理－化学反应，使软土硬化成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基的一种地基处理方法。该方法作为一种良好的软土地基加固技术在国外已广泛的应用。从20世纪70年代起，我国对此类方法进行了室内试验及机械设备的研制工作，该方法以其造价低、处理效果好、无噪音、无污染、设备简单、工期短等优点，不仅在我国各软土地区工业与民用建筑地基加固中得到了广泛的应用，而且，在基坑支护中也得到了广泛的应用。该方法适宜于加固各种成因的饱和软粘土，包括淤泥、淤泥质土、粉质粘土、粉土及粘土等。

2 加固原理

深层搅拌法加固地基的原理是基于水泥与加固土体的一系列物理－化学反应。水泥与水反应生成的氢氧化钙、含水硅酸钙，能迅速地溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来再与水反应，这样，周围的水溶液逐渐地饱和，当达到饱和之后，虽然水分子继续深入颗粒内部，但新的生成物已不能再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。胶体粘接土颗粒，从而起到加固地基的作用。

2.1 水泥的水解反应

普通硅酸盐水泥主要由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成。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。各自的反应过程如下：

增刊 颜恩锋等：深层水泥土搅拌桩在基坑支护中的应用

（1）硅酸三钙（3CaO.SiO 2）

2(3CaO.SiO 2)+6H 2O →3CaO.2 SiO 2.3H 2O+3Ca(OH)2

（2）硅酸二钙（2 CaO.SiO 2）

2（2 CaO.SiO 2）+4H 2O →3CaO.2 SiO 2.3H 2O+Ca(OH)2

（3）铝酸三钙（3CaO.Al 2O 3） 3CaO.Al 2O 3+6H 2O →3CaO.Al 2O 3.6H 2O （4）铁铝酸四钙（4CaO.Al 2O 3.Fe 2O 3） 4CaO.Al 2O 3.Fe 2O 3+2 Ca(OH)2 +10H 2O →

3CaO.Al 2O 3.6H 2O+ 3CaO.Fe 2O 3.6H 2O （5）硫酸钙（CaSO 4） 3 CaSO 4+3CaO.Al 2O 3+32H 2O →

3CaO.Al 2O 3. 3 CaSO 4.32H 2O

2.2 粘土颗粒与水泥水化物的作用

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Na +或K +，与水泥水化生成的氢氧化钙的Ca 2+进行当量吸附交换，使小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度提高。水泥水化形成的凝胶离子比表面积大，因此，产生很大的表面能，有很强的吸附性，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

团之间的孔隙，形成坚固的联结，从而提高了土体强度。

另外，水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水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，这种反应也能使水泥土的强度增大。

3 工程实例

3.1 工程概况

天津市某大厦有12层高，框架剪力墙结构，地下1层，基坑开挖深度5.70 m 。建筑物位于天津市河东区一三角地带，场地狭小，北侧距马路 15 m ，西南侧距马路14 m ，东侧距某单位办公楼仅5 m 左右。 3.2 场区地质条件

建筑物场区地处华北平原东部，属冲击海积平原，根据该工程岩土工程勘察报告，场区所揭露地层45.0 m 范围内均系第四纪全新世及晚更新世堆积物，主要以粉质粘土及粉砂土为主，场区浅部各土层物理力学指标见表1。

表1 土层物理力学指标

Table 1 Physico-mechanical indexes of soil strata

层序 土性 含水率 / % 重度 / kN ・m -3 孔隙比 液限 / % 塑限 / % 液性 指数 塑性 指数 压缩 系数 压缩模量 / MPa 内聚力 / kPa 摩擦角

/ (°) Ⅱ 粉质粘土 27.0 19.2 0.81 28.4 19.4 0.78 10.2 0.370 4.57 12.7 25.5 Ⅲ1 粉质粘土 24.4 20.0 0.69 30.9 19.0 0.42 11.8 0.220 8.08 16.7 24.0 Ⅲ2 粉质粘土 28.6 19.5 0.77 26.7 17.0 1.05 10.4 0.260 6.98 17.5 23.5 Ⅳ1 粉 土 28.9 19.2 0.81 28.3 19.4 1.21 8.9 0.220 8.25 10.7 27.4 Ⅳ2 粉质粘土

28.5

19.5

0.80

27.6

17.3

0.97

10.6

0.320

6.11

13.0

15.8

场区地下水属潜水－微承压水，地下水埋深 1.20 m ，潜水位随季节更替略有变化，年变幅约 0.50 m 。浅部各土层渗透性指标见表2。

表2 土层渗透性系数

Table 2 Permeability coefficients of soil strata

渗透系数/ cm ・s -1

层号 土性 平均厚度 / m K v K h Ⅱ 粉质粘土 2.10 1.1E-06 6.2 E-06 Ⅲ1 粉质粘土 1.00 1.0 E-07 4.3 E-07 Ⅲ2 粉质粘土 1.30 1.5 E-06 7.0 E-06 Ⅳ1 粉 土 6.80 1.3 E-04 3.6 E-04 Ⅳ2

粉质粘土

2.50

4.5 E-07

8.3 E-07

3.3 室内试验

室内试验采用压力机为WE －30万能材料压力机，试模采用70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm 的立方体。在振动台上进行试块捣实，振动频率控制在3 000±200次/min ，空载振幅为0.5±0.1 mm ，负载振幅为0.35±0.05 mm 。成型时，先在试模内装入1/2水泥土搅拌物，在振动台上振动1 min 后，再装入其余水泥土，振动1 min ，振捣完毕后，在表面盖上塑料布，编号后放入标准养护室养护，标养室的湿度不小于90 %，温度控制在20℃±2℃。试验操作及数据分析依据天津市工程建设标准《岩土工程技术规范》[1]（DB29－20－2000）进行。本次试验

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