1、深层搅拌法35p第五章 深层搅拌法第一节 概述深层搅拌法是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在地层深处，边钻进边喷射固化剂，经钻头旋转搅拌，使喷入土层中的固化剂与土体充分拌合在一起，形成抗压强度比天然土体强度高，并具有整体性和抗水性的桩柱体。搅拌桩柱体和桩周围土体可构成复合地基，也可相割搭接排成一列，形成连续墙体，还可相割搭接成多排墙。在水利水电工程中，深层搅拌法主要用于在水工建筑物地基中形成复合地基 、在堤坝及其地基中形成连续的防渗墙。深层搅拌形成的桩体的直径一般为200 mm800 mm，形成的连续墙的厚度一般为120 mm300 mm。加固深度一般大于5.0m
2、，国内最大加固深度已达27m，国外最大加固深度可达60m。1 发展历史深层搅拌法分为石灰系搅拌法和水泥系搅拌法。石灰系搅拌法于1967年由瑞典人提出，1974年将石灰粉体喷射搅拌桩用于路基和深基坑边坡支护。同期，日本于1967年开始研制石灰搅拌施工机械，1974年开始在软土地基加固工程中应用。我国于1983年初开始进行粉体喷射搅拌法加固软土的试验研究，并于1984年7月在广东省用于加固软土地基。水泥系深层搅拌法于20世纪50年代初始于美国， 1974年日本开发研制成功水泥搅拌固化法（CMC），用于加固堆场地基，深度达32m。近年来研制出各种深层搅拌机械，用于防波堤、码头岸壁及高速公路高填方下的
3、深厚软土地基加固工程。我国于1977年10月开始进行水泥系搅拌法的室内试验和机械研制工作，于1978年末制造出第一台深层搅拌桩机及其配套设备，1980年首次在上海应用并获得成功。水利工程中的应用始于1995年，最初主要是闸基、泵站地基用深层搅拌桩构成复合地基，1996年用于沂沭河拦河坝坝基防渗，效果较好，当时为单头深层搅拌桩。为了降低造价，提高工效，水利部淮委基础公司于1997年发明了多头小直径深层搅拌截渗技术，而后由北京振冲江河截渗公司编写：刘保平、刘勇、万隆审稿： 研制出不同规格的多头深层搅拌施工设备。这一技术进步推动了深层搅拌法在水利工程中的应用。目前深层搅拌法已广泛用于我国大江大河大湖
4、的堤坝防渗工程，仅2000年上半年，应用在长江堤防上的截渗墙面积就达98万m2。2 深层搅拌的分类（1）按使用水泥的不同物理状态，分为浆体和粉体深层搅拌桩两类。我国以水泥浆体深层搅拌桩应用较广，粉体深层搅拌桩宜用于含水量大于3的土体。（2）按深层搅拌机械具有的搅拌头数，分为单头、双头和多头深层搅拌桩。目前国内一机最多有六头，国外已有一机8头。（3）根据桩体内是否有加筋材料，分为加筋和非加筋桩。加筋材料一般采用毛竹、钢筋或轻型角钢等，以增强其劲性。日本的SMW工法在深层搅拌桩中插入H型钢。本章主要叙述以水泥浆为固化剂的非加筋深层搅拌桩和防渗墙的施工，在施工中使用单头、双头和多头搅拌桩机。3 加固
5、原理3. 1水泥土的固化机理土体中喷入水泥浆再经搅拌拌和后，水泥和土有以下物理化学反应：(1)水泥的水解和水化反应；(2)离子交换与团粒化反应；(3)硬凝反应；(4)碳酸化反应。水化反应减少了软土中的含水量，增加颗粒之间的粘结力；离子交换与团粒化作用可以形成坚固的联合体；硬凝反应又能增加水泥土的强度和足够的水稳定性；碳酸化反应还能进一步提高水泥土的强度。在水泥土浆被搅拌达到流态的情况下，若保持孔口微微翻浆，则可形成密实的水泥土桩，而且水泥土浆在自重作用下可渗透填充被加固土体周围一定距离土层中的裂隙，在土层中形成大于搅拌桩径的影响区。3. 2 物理力学特性3.2.1无侧限抗压强度一般来说，水泥土
6、的无侧限抗压强度在.34.0 a之间，比天然软土强度提高数十倍到数百倍，在砂层可高达.a以上的，它受许多因素影响。 (1)土质。一般地说，初始性质较好的土，加固后强度增量较大，初始性质较差的土，加固后强度增量较小。水泥土的强度与土的含砂量有关，当含砂量为40%60%时，加固土强度达最大值。在加固软粘土时，若在固化剂中掺加适量的细砂，既可提高加固土的强度，又可节约水泥用量。（2）龄期。水泥土的抗压强度随其加固龄期而增长。我国建筑地基处理技术规范（JGJ79-91）规定，取90d龄期试块的无侧限抗压强度为加固土强度标准值。一般情况下，7d、28d、90d的水泥土强度之间有如下近似关系：qu(28d
7、)1.49qu(7d)；qu(90d)1.97qu(7d)；qu(90d)1.32qu(28d)。（3）水泥掺入比。水泥掺入比通常指水泥掺入重量与被加固土天然湿容重的比（）。在实际应用中，当水泥掺入比小于时，加固效果往往不能满足工程要求，而当掺入比大于时，加固费用偏高。因此，我国建筑地基处理技术规范（JGJ79-91）规定水泥的掺入比以为宜。对含水率大于的土及孔隙率较大的杂填土，常采用较高的水泥掺入比。3.2.2抗剪强度 水泥土的抗剪强度随抗压强度提高而增大。一般地说，当无侧限抗压强度qu0.54.0Mpa 时，其粘聚力c0.11.1 Mpa,内摩擦角 约在200300之间，抗剪强度相当于（0
8、.20.3）qu。3.2.3变形特性水泥土的变形模量与无侧限抗压强度qu有关。国内的研究认为：当qu0.54.0 Mpa时，（100150）qu；日本未松（1983）的试验结果是：当qu1.5 Mpa时，50（200 1000 ）qu；上述式中50指水泥土加固50天后的变形模量。 3.2.4渗透系数 水泥土的渗透系数k随着加固龄期的增加和水泥掺入比的增加而减小，对于 k10-5cm/s的软土用10的水泥加固一个月之后，一般地说，k值可减小到10-6cm/s以下，当水泥掺入比由10增加至20时，k值可进一步减小至10-7cm/s以下。4 适用范围4.1 适用土质深层搅拌法适合于加固淤泥、淤泥质土
9、和含水量较高而地基承载力小于140kPa的粘性土、粉质粘土、粉土、砂土等软土地基。当土中含高岭石、多水高岭石、蒙脱石等矿物时，可取得最佳加固效果；土中含伊里石、氯化物和水铝英石等矿物时，或土的原始抗剪强度小于20kPa30kPa时，加固效果较差。当用于泥炭土或土中有机质含量较高，酸碱度较低（pH值100100100提升高度(m)141414提升速度(m/min)0.21.00.21.00.21.0接地压力(kPa)606060制浆系统灰浆拌制台数容量（L）220022002200HB6-3灰浆泵量(L/min)505050灰浆泵工作压力(kPa)150015001500生一次加固桩面积(m2)
10、0.710.710.710.88产能力最大加固深度(m)12.018.015.0效率(m/台班)405040504050重量（不包括起吊设备）（t）4.54.74.52 转盘式深层搅拌桩机 国内已经开发出转盘式单头和多头（三头、四头、五头和六头）深层搅拌桩机。单头深层搅拌桩机主要用于施工复合地基中的水泥土桩，多头深层搅拌桩机主要用于施工水泥土防渗墙。2.1 转盘式单头深层搅拌桩机 2.1.1机具组成和作用(1)步履机构。由支承底盘，上、下底架及滑枕组成。上底架装有4只伸缩支腿，可以横向拉伸，扩大底面积，增加整机稳定性。上、下底架之间可以纵向移动，横向步履与下底架相连,可以左右相对滑动。桩机通过
11、滑枕及上、下底架之间的相互运动实现整机移位。(2)动力机构。主要指主电动机，功率37kW或45kW。(3)传动机构。由变速箱、蜗杆箱、传输带、链轮、链条等组成。它是桩机运行过程的动力传送系统，实现钻头的正反方向转动。(4)操作机构。是操作指令发送机构，在操作台上，由液压操纵台、主机操纵台、离合器和操纵手柄等组成，通过它实现制桩过程。 (5)机架。安装有异向加减压机构，由上下链轮、同步轴、链条、钻具组成。通过链条输入动力，实现钻具上下起落。(6)钻进机构。它包括钻杆和钻头，可通过空心钻杆向土层中喷浆。钻头为叶片式，通过起落钻杆进行钻孔，一般成孔直径为500mm。2.1.2机械示意图图5-2-4是
12、GPP型转盘式深层搅拌桩机示意。2.1.3主要技术参数主要技术参数数见表5-2-3。表5-2-3 单头深层搅拌机械技术参数表机型GPP5PH5APH5B搅拌装置搅拌轴规格(mm)108108108108114114搅拌叶片外径(mm)500500500搅拌轴转数(r/min) （正） （反）28、50、9228、50、927、12、21、35、408.5、14、25、40、607、12、21、35、408.5、14、25、40、60最大扭矩(kNm)8.61822电机功率(kW )303745起吊设备提升能力(kN)78.478.478.4提升高度(m)1415.520速度(m/min) （下
13、沉正）（提升反）0.48、0.8、1.470.48、0.8、1.470.2、0.4、0.6、1、1.50.2、0.3、0.5、1、1.20.2、0.4、0.6、1、1.50.2、0.3、0.5、1、1.2接地压力(kPa)343130制浆系统灰浆拌制台数容量（L）220022002200HB6-3灰浆泵量(L/min)505050灰浆泵工作压力(kPa)150015001500生一次加固桩面积(m2)0.1960.1960.196产能力最大加固深度(m)12.514.518.0效率(m/台班)100150100150100150重量（t）9.29.512.5图5-2-4 转盘式单头深层搅拌桩机
14、示意图1-支承底盘；2-滑枕；3-钻头；4-转盘；5-A字门；6-立架；7-钻杆；8-高压软管；9-水龙；10-单排链条；11-斜撑杆；12-深度计；13-立架支承油缸；14-蜗杆箱；15-液压油箱；16-变速箱；17-液压操纵台；18-主机操纵台；19-摩擦式离合器和手柄；20-牙嵌离合器手柄；21-主电动机；22-主电气柜；23-立架倒下支承架。2.2转盘式BJS型多头深层搅拌桩机 BJS型多头深层搅拌桩机为三钻头小直径深层搅拌桩机，钻头直径为200mm450mm。主要用于江河堤坝截渗工程和其它水利水电防渗工程。2.2.1机具组成和作用(1)水龙头。水泥浆经水龙头进入钻杆；(2)立架。支承
15、钻杆上下作业；(3)钻杆。用于钻进和浆液通道 ；(4)转盘。带动钻杆转动；(5)推进链条。带动钻杆同步上下运动；(6)上下车架。上车架支承主机上的所有部件；下车架：通过液压装置可使上下底架之间作前后左右的相对运动；(7)滑枕及滚轮。滑枕通过液压装置可使上下底架左右运动；滚轮可使上下底盘滚动；(8)高压输浆管。输送水泥浆；(9) 支腿。由支腿油缸及鞋盘组成。通过操作油缸保持主机水平；鞋盘用于支承主机；(10)钻头。起钻进搅拌作用；(11)横梁。连接水龙头及钻杆，与它们同步上下运动；(12)传动系统。电机、离合器、联轴节、减速箱、传动轴使转盘运动；(13)操作台。发送操作指令。2.2.2 机械示意
16、图主机示意图见图5-2-5。 图5-2-5 BJS型多头小直径深层搅拌桩机示意图1- 水龙头；2-立架；3-钻杆；4-主变速箱；5-稳定杆；6-离合操纵；7-操作台；8-上车架；9-下车架；10-电动机；11-支腿；12-电控柜；2.2.3 主要技术参数主要技术参数见表5-2-4。表5-2-4 BJS型深层搅拌机械技术参数表机型BJS-12.5B BJS-15BBJS-18B搅拌装置搅拌轴规格(mm)108108114114120120搅拌轴数量（个）333搅拌叶片外径(mm)200300200400200450搅拌轴转数(r/min) （正反）20、34、59、9520、34、59、9520
17、、34、59、95最大扭矩(kNm)182125电机功率(kW )455560起吊设备提升能力(kN)105115155提升高度(m)141720升降速度(m/min) 0.321.550.321.550.321.55接地压力(kPa)404040制浆系统制浆机容量（L）300300300储浆罐容量（L）800800800BW150灰浆泵量(L/min)115011501150灰浆泵工作压力(kPa)100020001000200010002000生产能力加固一单元墙长(m)1.351.351.35最大加固深度(m)12.51518.0效率(m2/台班)100150100150100150重量
18、（t）14.816.519.52.3 转盘式ZCJ型多头深层搅拌桩机ZCJ型多头深层搅拌桩机一机有36头，一个工艺流程可形成一个单元防渗墙。钻杆间中心距为30cm，钻杆之间带有连锁装置，解决了BJS型桩机在较大施工深度时可能产生的搭接错位问题。2.3.1机具组成和作用(1)水龙头。水泥浆经水龙头进入钻杆；(2)滑板。沿着桅杆两侧的滑道带动钻杆上升、下降；(3)立柱。提升机构的支撑点，两侧为滑板组的滑道；(4)钻杆。用于钻进和浆液通道 ；(5)液压马达。升降钢丝绳组；(6)深度仪标尺。每格间距0.1m，钻杆上升、下降，升降度量仪自动积累；(7)支腿油缸。桩机的四只支腿伸缩；(8)上下车架 。上底
19、盘支承主机上的所有部件；下底盘：通过液压装置可使上下底架之间作前后左右的相对运动；(9)钻杆连锁器。钻杆之间的约束装置，作业时能保证墙体搭接，防止桩位之间分叉；(10)钻头。分左旋和右旋钻头，起钻进搅拌作用；(11)操作台。电器系统、液压系统的操作手柄均布在操作台上，可发送操作指令；(12)垂直度及深度显示器。反映桩机的水平情况，桩机工作时的钻深，并有桩机倾斜时安全保护报警功能；(13)测斜仪。监测桩机塔架的垂直度。2.3.2 机械设备示意图机械设备示意图见图 5-2-6。2.3.3机械设备主要技术参数机械设备主要技术参数见表5-2-5。表5-2-5 ZCJ型深层搅拌机械技术参数表机型ZCJ-
20、17 ZCJ-22ZCJ-25搅拌装置搅拌轴规格(mm)114114114114120120搅拌轴数量（个）6435搅拌叶片外径(mm)300420300420300450搅拌轴转数(r/min) （正反）404024、44、71最大扭矩(kNm)182144电机功率(kW )245255255起吊设备提升能力(kN)150200200提升高度(m)192428升降速度(m/min) 0.01.20.01.20.31.5接地压力(kPa)404067制浆系统制浆机容量（L）300400400储浆罐容量（L）800100012002BW150灰浆泵量(L/min)221002210022100灰
21、浆泵工作压力(kPa)100020001000200010002000生产能力加固一单元墙长(m)1.81.20.961.6最大加固深度(m)172225效率(m2/台班)150250120200150200重量（t）303339图 5-2-6 ZCJ型深层搅拌桩机示意图1-水龙头；2-滑板；3-立柱；4-钻杆；5-电机；6-液压马达；7-支腿；8-上车架；9-下车架；10-连锁器；11-钻头；12-滑枕；13-配电柜；14-操作台；15-稳定杆；16-测斜仪。3 其它深层搅拌施工机械近年来我国又从日本引进了工法（soil mixing wall第一个字母）。该工法是利用装有三轴搅拌钻头的钻机
22、，在地层中连续建造水泥土墙，并在墙内插入芯材（通常为H型钢），形成抗弯能力强、刚性大、防渗性能好的挡土墙的工法。工法是由日本发明，设备配有较先进的质量检测系统，其钻头直径为550mm850mm，最大施工深度可达65m，设备造价及成墙造价均很高。图 5-2-7是我国从日本引进的工法三轴深层搅拌桩机的外貌、轮廊尺寸钻杆形状。该工法在我国上海、广州及南京等地已用于地铁挡土防渗墙，水利工程尚未应用。机械设备主要技术参数见表5-2-6。表5-2-6机械设备主要技术参数见表机型JZL90A搅拌装置搅拌轴直径(mm)120搅拌轴数量（个）3搅拌叶片外径(mm)550850搅拌轴转数(r/min) 40最大扭矩(kNm)18电机功率(kW )245起吊设备提升能力(t)40提升高度(m)28升降速度(m/min) 0.02.5接地压力(kPa)40生产能力加固一单元
