水泥土重力式擋土墻設(shè)計與施工.doc

水泥土重力式擋土墻的設(shè)計與施工1慨述1.1水泥土重力式圍護(hù)墻的慨念水泥土重力式圍護(hù)墻是以水泥系材料為固化劑，通過攪拌機(jī)械采用噴漿施工將固化劑與地基土強(qiáng)行攪拌，形成連續(xù)搭接的水泥土柱狀加固體擋墻。1996 年 5 月在日本東京召開的第二屆地基加固國際會議上，這種加固法被稱為 DMM 工法（Deep Mixing Method)。我國建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（JGJ792002)稱之為深層攪拌法（簡稱“濕法”），并啟用了“水泥土”這一專用名詞。上海市地基處理技術(shù)規(guī)范（DBJ08-40-94)稱之為水泥土攪拌法。本手冊將采用這種加固法、連續(xù)搭接施工所形成的擋土墻定名為水泥土重力式圍護(hù)墻。將水泥系材料與原狀土強(qiáng)行攪拌的施工技術(shù)，近年來得到大力發(fā)展與改進(jìn)，加固深度與攪拌密實(shí)性、均勻性均得到提高。目前常用的施工機(jī)械包括：雙軸水泥土攪拌機(jī)、三軸水泥土攪拌機(jī)、高壓噴射注漿機(jī)。由于施工工藝的不同，形成目前常用的水泥土重力式圍護(hù)墻。水泥土攪拌樁是指利用一種特殊的攪拌頭或鉆頭，在地基中鉆進(jìn)至一定深度后，噴出固化劑，使其沿著鉆孔深度與地基土強(qiáng)行拌與而形成的加固土樁體。固化劑通常采用水泥漿體或石灰漿體。高壓噴射注漿是指將固化劑形成高壓噴射流，借助高壓噴射流的切削與混合，使固化劑與土體混合，達(dá)到加固土體的目的。高壓噴射注漿有單管、雙重管與三重管法等，固化劑通常采用水泥漿體。1.2水泥土的發(fā)展與現(xiàn)狀攪拌法原是我國及古羅馬、古埃及等文明古國，以石灰為拌合材料，應(yīng)用最早而且流傳最廣泛的一種加固地基土的方法。例如，我國房屋或道路建設(shè)中傳統(tǒng)的灰土墊層(或面層)，就是將石灰與土按一定比例拌合、鋪筑、碾壓或夯實(shí)而成；又如萬里長城與西藏佛塔以及古羅馬的加普亞軍用大道、古埃及的金字塔與尼羅河的河堤等，都是用灰土加固地基的范例。應(yīng)用水泥土較早的一些國家，如日本約始于1915年，美國約始于1917年。隨后，許多國家紛紛將水泥土用于道路、水利等工程。攪拌樁最早于本世紀(jì)50年代初問世于美國。但自60年代以后的發(fā)展直到現(xiàn)在，不論在施工機(jī)械、質(zhì)量檢測、設(shè)計方法、工程應(yīng)用等方面均以日本與瑞典領(lǐng)先于世。經(jīng)過40多年的應(yīng)用與研究，已形成了一種基礎(chǔ)與支護(hù)結(jié)構(gòu)兩用、海上與陸地兩用、水泥與石灰兩用、漿體與粉體兩用、加筋與非加筋兩用的軟土地基處理技術(shù)，它可根據(jù)加固土受力特點(diǎn)沿加固深度合理調(diào)整它的強(qiáng)度，施工操作簡便、效率高、工期短、成本低，施工中無振動、無噪聲、無泥漿廢水污染，土體側(cè)移或隆起較小。故在世界各地獲得廣泛的應(yīng)用，并在應(yīng)用中獲得進(jìn)一步發(fā)展。我國自 1977年以來在中央部屬與地方各級科研、設(shè)計、施工、生產(chǎn)、高教等部門的共同協(xié)作努力下，僅 10余年時間已開發(fā)研制出適合我國國情、具有不同特色而且互相配套的多種專用攪拌機(jī)械與由地質(zhì)鉆機(jī)等改裝成功的攪拌機(jī)械，并且已經(jīng)形成了龐大的專業(yè)施工隊伍。每年施工各種攪拌樁達(dá)數(shù)千萬延長米之多，施工點(diǎn)遍布沿海與內(nèi)陸的軟土地區(qū)。1.3 水泥土重力式圍護(hù)墻的應(yīng)用攪 拌樁在我國應(yīng)用的頭 10年中，其主要用途是加固軟土，構(gòu)成復(fù)合地基以支承建筑物或結(jié)構(gòu)物。將攪拌樁用于基坑工程，雖在其發(fā)展初期已有成功的實(shí)例，但大量應(yīng)用則是 90年代初隨著我國各地高層建筑與地下設(shè)施大量興建而迅速興起的，其中尤以上海及沿海各地為最多。與此同時，在設(shè)計中利用彈塑性有限元分析、土工離心模擬試驗等方法，結(jié)合基坑開挖現(xiàn)場監(jiān)測，對攪拌樁重力式圍護(hù)墻的穩(wěn)定與變形特性進(jìn)行了深入的研究。通過 20多年的應(yīng)用與研究，攪拌樁重力式圍護(hù)墻的結(jié)構(gòu)、計算與構(gòu)造等均有了較大的發(fā)展，也出現(xiàn)了一些新的水泥土與其它受力構(gòu)件相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。隨著改革開放政策的深化與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，我國的攪拌樁技術(shù)適應(yīng)國情特點(diǎn)，不斷登上新的臺階。大功率的三軸攪拌機(jī)，加固深度可達(dá)到 25 30m，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。2水泥土重力式圍護(hù)墻的類型與適用范圍2.1水泥土重力式圍護(hù)墻的類型水 泥土重力式圍護(hù)墻的類型主要包括采用攪拌樁、高壓噴射注漿等施工設(shè)備將水泥等固化劑與地基土強(qiáng)行攪拌，形成連續(xù)搭接的水泥土柱狀加固體擋墻。根據(jù)攪拌機(jī)械的類型，由于其攪拌軸數(shù)的不同，攪拌樁的截面主要有雙軸與三軸兩類，前者由雙軸攪拌機(jī)形成，后者由三軸攪拌機(jī)形成。國外尚有用 4、6、8攪拌軸等形成的塊狀大型截面，以及單攪拌軸同時作垂直向與橫向移動而形成的長度不受限制的連續(xù)一字形大型截面。此外，攪拌樁還有加筋與非加筋，或加勁與非加勁之分。目前在我國除型鋼水泥土（SMW）工法為加筋(勁)工法外，其余各種工法均為非加筋(勁)工法。近些年來，以水泥土為主體的復(fù)合重力式圍護(hù)墻得到了一定的發(fā)展，主要有水泥土結(jié)合鋼筋混凝土預(yù)制板樁、鉆孔灌注樁、型鋼、斜向或豎向土錨等結(jié)構(gòu)形式。水泥土重力式圍護(hù)墻按平面布置區(qū)分可以有：滿膛布置、格柵型布置與寬窄結(jié)合的鋸齒形布置等形式，常見的布置形式為格柵型布置。水泥土重力式圍護(hù)墻按豎向布置區(qū)分可以有等斷面布置、臺階形布置等形式，常見的布置形式為臺階形布置。2.2水泥土重力式圍護(hù)墻的特點(diǎn)水泥土重力式圍護(hù)墻系通過固化劑對土體進(jìn)行加固后形成有一定厚度與嵌固深度的重力墻體，以承受墻后水、土壓力的一種擋土結(jié)構(gòu)。水泥土重力式圍護(hù)墻是無支撐自立式擋土墻，依靠墻體自重、墻底摩阻力與墻前基坑開挖面以下土體的被動土壓力穩(wěn)定墻體，以滿足圍護(hù)墻的整體穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定與控制墻體變形等要求。水泥土重力式圍護(hù)墻可近似看作軟土地基中的剛性墻體，其變形主要表現(xiàn)為墻體水平平移、墻頂前傾、墻底前滑以及幾種變形的疊加等。水泥土重力式圍護(hù)墻的破壞形式主要有以下幾種：1 由于墻體入土深度不夠，或由于墻底土體太軟弱，抗剪強(qiáng)度不夠等原因，導(dǎo)致墻體及附近土體整體滑移破壞，基底土體隆起，如圖10-1（a）；2 由于墻體后側(cè)發(fā)生擠土施工、基坑邊堆載、重型施工機(jī)械作用等引起墻后土壓力增加、或者由于墻體抗傾覆穩(wěn)定性不夠，導(dǎo)致墻體傾覆，如圖10-1（b）；3 由于墻前被動區(qū)土體強(qiáng)度較低、設(shè)計抗滑穩(wěn)定性不夠，導(dǎo)致墻體變形過大或整體剛性移動，如圖10-1（c）；4 當(dāng)設(shè)計墻體抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度不夠，或者由于施工質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計要求時，導(dǎo)致墻體壓、剪或拉等破壞，如圖10-1（d）。圖10-12.3水泥土重力式圍護(hù)墻的適用條件2.3.1 基坑開挖深度采用水泥土重力式圍護(hù)墻的基坑開挖深度起先一般不超出 5m，自九十年代起，陸續(xù)出現(xiàn)開挖深度超出 6m 基坑。93 年底施工的某商廈的基坑開挖深度達(dá) 9.5m（部分達(dá) 12.1m），平面面積達(dá) 12900m。基坑開挖愈深，面積愈大，墻體側(cè)向位移愈難以控制，水泥土重力式圍護(hù)墻開挖深度超出 7m 的基坑工程，墻體最大位移可能達(dá)到 20cm 以上，使工程的風(fēng)險相應(yīng)增加。鑒于目前施工機(jī)械、工藝與控制質(zhì)量的水平，開挖深度不宜超出 7m。由于水泥土重力式圍護(hù)墻側(cè)向位移控制能力在很大程度上取決于樁身的攪拌均勻性與強(qiáng)度指標(biāo)，相比其他基坑圍護(hù)墻體來說，位移控制能力較弱。因此，在基坑周邊環(huán)境保護(hù)要求較高的情況下，若采用水泥土重力式圍護(hù)墻，基坑深度應(yīng)控制在5m范圍以內(nèi)，降低工程的風(fēng)險。2.3.2 土質(zhì)條件國內(nèi)外試驗研究與工程實(shí)踐表明，水泥土攪拌樁與高壓噴射注漿均適用于加固淤泥質(zhì)土、含水量較高而地基承載力小于120 kPa的粘土、粉土、砂土等軟土地基。對于地基承載力較高、粘性較大或較密實(shí)的粘土或砂土，可采用先行鉆孔套打、添加外加劑或其它輔助方法施工。當(dāng)土中含高嶺石、多水高嶺石、蒙脫石等礦物時，加固效果較好；土中含伊里石、氯化物與水鋁英石等礦物時，加固效果較差，土的原始抗剪強(qiáng)度小于2030kPa時，加固效果也較差。水泥土攪拌樁當(dāng)用于泥炭土或土中有機(jī)質(zhì)含量較高，酸堿度(pH值)較低(7)及地下水有侵蝕性時，宜通過試驗確定其適用性。當(dāng)?shù)乇黼s填土層厚度大或土層中含直徑大于100mm的石塊時，宜慎重采用攪拌樁。2.3.3 環(huán)境條件水泥土重力式圍護(hù)墻在整個施工過程中對環(huán)境可能產(chǎn)生兩個方面的影響：1 水泥土重力式圍護(hù)墻的體量一般較大，攪拌樁施工過程中由于注漿壓力的擠壓作用，周邊土體會產(chǎn)生一定的隆起或側(cè)移；2 基坑開挖階段圍護(hù)墻體的側(cè)向位移較大，會使坑外一定范圍的土體產(chǎn)生沉降與變位。因此，在基坑周邊距離12倍開挖深度范圍內(nèi)存在對沉降與變形較敏感的建（構(gòu)）筑物時，應(yīng)慎重選用水泥土重力式圍護(hù)墻。2.4加固土的物理力學(xué)特性加固土的物理力學(xué)特性，與天然地基的土質(zhì)、含水量、有機(jī)質(zhì)含量等因素以及所采用固化劑的品種、摻入比、外摻劑等因素有關(guān)，也與攪拌方法、攪拌時間、操作質(zhì)量等因素有關(guān)。一、水泥土的物理力學(xué)特性（一）物理性質(zhì)1重度水泥土的重度主要與被加固土體的性質(zhì)、水泥摻入比及所用的水泥漿有關(guān)。水泥土重度室內(nèi)試驗結(jié)果表明，當(dāng)水泥摻入比為5%20%、水灰比=0.450.5時，水泥土較被加固的土體重度增加約1%3%左右。2含水量與孔隙比與天然軟土相比，水泥土的含水量與孔隙比有不同程度的降低。一般地說，天然軟土含水量越大或水泥摻入比越大，則水泥土加固體的含水量降低幅度越大。3液限與塑限不同含水量的軟土用不同的水泥摻入比加固后，其液限將稍有降低，而其塑限則有較大提高。(二)力學(xué)特性1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.34.0MPa之間，大約比天然軟土強(qiáng)度提高數(shù)十倍到數(shù)百倍，主要受以下諸多因素的影響。(1)土質(zhì)加固土的強(qiáng)度隨水泥摻入比的增加與齡期的加長而增長，但有不同的增長幅度，一般初始性質(zhì)較好的土加固后強(qiáng)度增量較大，初始性質(zhì)較差的土加固后強(qiáng)度增量較小。(2)齡期水泥土的抗壓強(qiáng)度隨其加固齡期而增長。這一增長規(guī)律具有兩個特點(diǎn)：(a)它的早期(例如714天)強(qiáng)度增長不甚明顯，對于初始性質(zhì)差的土尤其如此；（b）強(qiáng)度增長主要發(fā)生在齡期28天后，并且持續(xù)增長至120天，其趨勢才減緩，這同混凝土的情況不一樣。由此應(yīng)合理利用水泥土的后期強(qiáng)度。(3)水泥摻入比水泥摻入比通常指水泥摻入重量與被加固土天然重度之比（%）。試驗表明水泥土的強(qiáng)度隨水泥摻入比的增加而增長。其特點(diǎn)是隨水泥摻入比的增加，水泥土的后期強(qiáng)度增長幅度加大。在