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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(jī)械在地基將軟土或沙等和固化劑強(qiáng)制拌和，使軟基硬結(jié)而提高地基強(qiáng)度。
深層攪拌樁是軟土地基處理中的一項(xiàng)新技術(shù),具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。本文討論以水泥作固化劑的深層攪拌樁的加固機(jī)理，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)一步討論攪拌樁的設(shè)計(jì)、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(jì)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(shí)例。
深層攪拌樁是利用深層攪拌機(jī),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(jìn)行強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。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(diǎn),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(diǎn),被廣泛應(yīng)用于形成復(fù)合地基、支護(hù)結(jié)構(gòu)、防滲帷幕等。
一、加固機(jī)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(jìn)行，硬凝速度緩慢且作用復(fù)雜。目前初步認(rèn)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(dá)到飽和。當(dāng)溶液達(dá)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(xì)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(tuán)�；饔谩Ｍ馏w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(jìn)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(tuán)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(qiáng)烈的吸附活性，能使較大的土團(tuán)粒進(jìn)一步結(jié)合起來，形成水泥蜂窩結(jié)構(gòu)，并封閉各土團(tuán)之間的空間，形成堅(jiān)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行地基處理，并且效果很好。本文以DK2+173箱涵為實(shí)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(qiáng)度極差，是典型的軟土地基。第三層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，力學(xué)強(qiáng)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(dá)不到設(shè)計(jì)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(qiáng)風(fēng)砂巖層。
地質(zhì)報(bào)告建議采用灌注樁方案，但通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jì)算時(shí)考慮樁土的共同作用，就其設(shè)計(jì)理論而言，較灌注樁先進(jìn)，且深攪樁的造價(jià)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(jì)效益。
三、深層攪拌樁的設(shè)計(jì)
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(shí)例DK2+173箱涵地基處理，簡單敘述深層攪拌樁的設(shè)計(jì)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(jī)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(qiáng)度，參照室內(nèi)配合比試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度qu計(jì)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(qiáng)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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