1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 海水水泥搅拌桩基本特性与工艺研究 学 院： 学生姓名： 专 业： 土木工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 目录 1. 绪论 .1 1.1.前言 .1 1.2 国内外研究现状和发展趋势 .2 1.2.1 海水水泥土固化微观机理研究 .2 1.2.2 海水水泥土的宏观物理力学特性研究 .4 1.2.3 海水混浆水泥搅拌桩的工艺关键技术研究 .5 1.3 本文所做的工作 .5 2 海水淤泥质水泥土的试验研究 .6 2.1 试验目的 .6 2.2 实验准备工作 .6 2.2.1 实验仪器准备 .6 2.2.2 试验材料准备 .6
2、 2.3 试验规划 .7 2.4 实验步骤 .8 2.4.1 物理性能实验 .8 2.4.2 力学性能实验 . 11 3. 试验数据处理与分析 . 20 3.1 实验数据记录 . 20 3.2 实验数据处理 . 26 3.2.1 抗折强度 . 26 3.2.2 单轴抗压强度 . 27 3.2.3 抗剪强度 . 29 3.3 实验数据分析 . 41 3.3.1 失水量分析 . 41 3.3.2 抗折强度分析 . 42 3.3.3 单轴抗压强度对比 . 43 3.3.4 抗剪强度对比 . 44 4. 海水水泥搅拌桩工艺研究 . 47 4.1 工艺原理 . 47 4.2 工艺特点 . 47 4.3
3、施工工艺流程及操作要点 . 47 4.4 材料与设 备 . 49 4.5 现场质量控制 . 50 4.6 安全与环保措施 . 50 5. 研究展望 . 52 6. 致谢 . 53 7.参考文献 . 54 毕业论文 - 海水水泥搅拌桩基本特性与工艺研究 摘要 ：随着国家海洋开发战略的实施，我国沿海各省的临港工业蓬勃发展，海岛开发与利用也提上了日程。舟山地区具有典型的海相淤泥质土，通过水泥固化并添加外加剂来提高这类土的物理力学性能 ，采用干拌或者湿拌的方式研究海水水泥土试件的抗折强度、抗压强度、抗剪强度等基本特性，研究在不同外加剂掺入量下试件力学性能的变化规律，找出最佳配比。最后，对水泥搅拌桩工艺
4、进行研究。 关键词 ：淤泥质土；水泥土；抗折强度；抗剪强度；抗压强度 毕业论文 - Study on the Basic Properties and Process of Seawater Cement Mixing Pile Abstract With the implementation of the national marine development strategy, and the flourish of China s coastal port industry, the island development and utilization was also put on t
5、he agenda. The Zhoushan areas has a typical marine silty soil, By cement solidification method and add fiber to improve the physical and mechanical properties of the soil, and by dry-mixed or wet-mixed ways to study the basic properties of seawater cement mixing soil, such as Tensile strength, Shear
6、 strength, compressive strength. Studying the specimen variation of the mechanical properties of different admixtures incorporation, and then find the best ratio. Finally, studying the process of cement mixing pile. Key Words mud; cement soil； Tensile strength； Shear strength； compressive strength 毕
7、业论文 - 1. 绪论 1.1.前言 随着国家海洋开发战略 的实施，我国沿海各省的临港工业蓬勃发展，海岛开发与利用也提上了日程，以舟山群岛为例，拥有 1390 多个岛屿，这些海岛地区的开发与利用是海洋经济建设的重要组成部分。海岛的开发离不开滩涂围垦工程，但由于海岛地区广泛分布着深厚的淤泥及淤泥质土层，这类土的土质软弱，不宜直接用作地基，必须经过一定的地基处理才能在其上建造建筑物。采用水泥或各类固化剂对于淤泥土进行固化是国内外现阶段普遍采用的一种加固处置手段。但工程中发现，海岛地区淡水资源匮乏且获取不便，大范围滩涂围垦区地基处理工程，处置工程量很大，需要消耗大量宝贵的淡水 资源，这对于淡水资源匮
8、乏的海岛地区来说，实施中存在一定困难且成本较高。因此，采用海水混浆加固淤泥土将是一种解决滩涂围垦区地基加固的有效途径，也是海岛地区节约淡水资源的一种手段。 工程中常用的淤泥土固化材料主要有水泥基无机固化材料、高分子有机固化材料、生物质固化材料以及一些混合材料，其中无机固化材料在沿海滩涂地区的淤泥土地基加固已有一些成功案例，研究表明淤泥土中所含的海水成分对于固化效果有重要影响，但这些研究均采用的是模拟海水或土中含有古海水成分，水泥浆的拌合仍采用淡水，直接利用海水混浆进行淤泥土加固处理的还 十分少见。海水混浆主要的问题是海水中含有大量的氯离子、硫酸根离子、镁离子等腐蚀成分，会影响到水泥土或淤泥土的
9、固化并影响所形成的固结体的强度和耐久性，造成海水作用下的淤泥土固化时间长、强度低、易膨胀、易受侵蚀。 Chittaranjan1对比了自来水和人工模拟海水对粘土的物理力学特性的影响，发现海水提高了某些物理力学特性，比如无侧限抗压强度值可以提高 20%左右，同时也会降低另一些物理力学特性，比如内摩擦角降低 15%左右，具体不同指标的提高和降低的幅度依赖于水中的离子含量；Yukselen-Aksoy2研 究了海水对粘土的稠度界限和压缩特性的影响，发现海水对于以蒙脱石矿物为主的高液限软土会产生戏剧化的影响，当液限超出 110%时，海水作用下粘土的稠度、沉积量和压缩指数会急剧降低，这主要是由于在液限较
10、高时，粘土颗粒的水膜较厚，当处于海水中时，海水的离子浓度比淡水高，其中的阳离子与土中的阳离子发生了置换，降低了双电层厚度，从而对土体的性质产生重要影响。这些研究表明海水中的离子成分是影响土体性质的重要因素，当海水中这些离子与水泥土发生作用时会产生更为复杂的反应，造成海水混浆毕业论文 - 水泥搅拌桩的质量不宜控制。 温岭市东海塘围区严 石航道泊船区工程采用水泥深层搅拌桩处理海涂软基，水泥浆采用海水拌和，桩基强度不易控制，成桩后桩体的强度变化较大 3。宁波某中学宿舍设计为水泥搅拌桩复合地基，设计地基承载力为 130kPa，但由于地表下海相沉积淤泥中有机质含量较高，经复合地基静载荷试验，其试验标准值
11、仅为 75kPa，远小于设计取值 4。江门市滨江大道施工中采用水泥搅拌桩，由于海相沉积软土的存在，造成部分路段水泥搅拌桩无法成型 5；连云港海相软土地基采用水泥土搅拌桩法进行加固时也出现海相软土水泥搅拌桩成桩质量不佳的情况 6。 上述工程中 出现的问题，主要是由于地基中存在海相软土，而目前对于海水对水泥搅拌桩的作用机理还不深入，因此开展利用海水混浆加固淤泥土，充分利用海水中的有利成分，规避海水的不利影响，需要深入研究，从而开发出高效的海水混浆淤泥土固化剂，可以为沿海地区围垦工程的建设和节约淡水资源提供可靠的技术依据。 1.2 国内外研究现状和发展趋势 水泥搅拌桩作为一种常规的地基处理方法，其工
12、艺已比较成熟，但存在着强度低、耗费资源等缺陷。在海岛地区，淡水资源极度缺乏，而周边有丰富且易于获取的海水资源，但目前有关海水源的水泥搅拌桩技术还没有纳入规 范，有关海水源水泥搅拌桩的研究缺乏系统的理论研究和工艺技术研究支撑。 1.2.1 海水水泥土固化微观机理研究 海水对水泥搅拌桩的影响研究源自沿海地区含古海水的海相沉积软土在应用水泥搅拌桩时开展的研究工作，我国沿海地区大量存在海相沉积软土，软土中含有古海水，以往的研究主要针对软土中所含的海水化学成分对于水泥土固化的影响展开研究，发现古海水中所含的硫酸盐类、氯盐类和镁盐对于水泥土有侵蚀作用 7，这些侵蚀作用的产生与其化学反应的产物有密切关系。硫
13、酸盐类与水泥作用生成石膏及水化硫铝酸钙（钙钒石），引起水泥土膨胀，从而造成水泥土局部开裂或胀开，钙钒石的形成是影响水泥土固化的一个重要因素 8；氯盐类与水泥土中的氢氧化钙反应生成的氯化钙易溶于水；镁盐与水泥土中的氢氧化钙反应除生成氯化钙外还会生成质地松软无胶结力的氢氧化镁等物质，加剧对水泥土的侵蚀。针对这一问题，在有硫酸盐侵蚀或海水环境下的水泥土，当采用水泥固化淤泥土时必须采用有效的防范措施，避免钙钒石过量产生后引起水泥土膨胀开裂，影响水泥土的固化效果 9。裴向军研究了毕业论文 - 采用添加活性硅抑制钙钒石生成的方法来防治海水对水泥土侵蚀 10,11，但加固后水泥土的强度偏低；杨 爱武研究了外
14、加工业烧碱提高海相沉积土的碱性环境，抑制钙钒石的生成，提高水化硅酸钙的含量，取得了较好的加固效果 12，但造成了土体呈强碱性；国外的一些学者研究了石灰作为外加剂提高海相软土的加固强度，并从宏、微观角度对其加固机理进行了深入研究，但该方法会加剧硫酸盐侵蚀，应用受到限制 13,14。上述研究主要从抑制海水成分中的一些离子作用来实现海相沉积土的水泥土加固，强调的是海水成分中在水泥土固化过程中的不利作用，而忽略了海水这些成分有利作用。事实上，海水中的离子成分对于淤泥土的固化既存在消极作用，也存在积极 作用。一方面海水中的 SO42-离子与水泥反应产生的水泥杆菌易使水泥土胀裂， Mg2+、 Cl-等成份
15、会使淤泥土固化时产生易溶或膨松物质，导致固化强度降低；另一方面海水中的 SO42-离子与水泥反应产生适量的水化硫铝酸钙具有早强作用，氯离子的存在能提高水化硫铝酸钙的溶解度，阻止其晶体生长，从而削弱膨胀作用， Mg2+离子与淤泥土中蒙脱石成分反应产生硅酸镁铝有利于固化土的强度提高和耐水性能。 Kavak 等 15利用海水掺和高炉矿渣作为外加剂用于石灰加固土的处理，发现海水作为拌合水效果非常明显，直接与粘土拌合后无侧限抗压 强度值即可以提高 1 倍以上，对比海水拌合条件下的石灰土、矿渣土和石灰矿渣土，强度提高十分可观，最大提高值超过 8 倍。在传统的粘土固化剂研究中，很多固化剂实际上也是人为添加了
16、一些硫酸盐物质作为外加剂，以提高固化土的强度 16,17， 丁建文等 18发现磷石膏（ CaSO42H2O）和水泥双掺高含水率疏浚淤泥加固有特殊效果，掺磷石膏的加固土强度比不掺磷石膏的加固土强度显著增加，并存在一个最佳掺量 ，也是利用了 磷石膏 的硫酸盐成份来提高加固效果。可见，海水中的离子对于土的固化是有积极作用的。 海水中离子成分对于水泥土固 化的影响以及各类添加剂的作用机理和加固效果需要通过微观手段来表征，电镜扫描（ SEM）、矿物学分析手段如 X 射线衍射等方法是分析水泥土固化机理的重要工具。 Wang 详细地研究了土体固化时硫酸盐侵蚀的矿物学分析，由于土体固化的复杂性，固化土的矿物成
17、分不可能通过单一的微观分析方法确定，需要综合采用 X 射线衍射法（ XRD）、热重分析法（ TG）、红外光谱法（ FTIS）、 X 射线吸收近边谱法（ XANES）等多种矿物分析手段来综合确定固化土的矿物成分和固化中的晶体产物 19。进一步的研究表明，硫酸盐侵蚀作用下产生的大量钙钒石是 水泥土胀裂破坏的主要成分，通常有两种破坏机理用于解释钙钒石破坏作用：胶体膨胀理论和晶体生长理论 20。其中前一种理论认为膨胀主要产生在水泥土固化中的氢氧化钙胶体中。 Wang 据此提出了抑制硫酸盐侵蚀的有效方法，添加胶凝材料如粉煤灰、高炉矿渣、硅粉等掺和剂来降低氢氧化钙的含量，并发现降低的程度与水合物中的氢氧化
18、钙的含量成正比，通过大量实验和 TG、 XRD 以及电镜扫描手段的验证，他们获毕业论文 - 得了一种由水泥、粉煤灰和硅粉混合的胶凝材料，可以抑制膨胀的出现 21。后一种理论认为膨胀是由于钙钒石生成区域接触到其他物质后产生 相互挤压，随着钙钒石的持续生长，造成破坏。以往的研究中关于钙钒石晶体的形成和作用机理已经有了较多的研究，存在大量的微观证据揭示了钙钒石晶体生长产生的膨胀作用 22，但由于钙钒石的生成与各种离子的含量以及粘土矿物成分存在十分复杂的关系，而且海水中的成分也比较复杂，因而对于海水混浆中的钙钒石膨胀破坏机制理解还存在很多不确定性。此外，一些研究也表明氯离子、镁离子等对水泥土的固化也有
19、明显的影响，会影响水泥土水化生成物，从而对水泥土的宏观物理力学特性产生重要的影响 23。 1.2.2 海水水泥土的宏观物理力学特性 研究 上节从海水水泥土的微观机理角度阐述了海水混浆淤泥土的固化机理以及不同添加剂对海水水泥土的固化作用的影响，这些固化产物和不同的固化机理会对海水混浆水泥土的强度及其发展产生重要的影响。这一影响作用通过力学宏观特征表现出来，可以采用抗压强度、抗剪强度、抗拉强度及长期强度随固化龄期的发展来表征。普通淡水配制的已有大量的研究对水泥土的这些力学特征进行了研究，但其中关注较多的是抗压强度和抗剪强度指标以及它们与龄期的关系 24，而水泥搅拌桩的抗拉强度研究较少。而事实上，在
20、用作复合地基或是维护结构时，水泥土的抗拉强 度是一个重要指标。 Lade 的研究表明，水泥的胶结作用可以同时提高抗剪强度指标 c、 值 以及抗拉强度值 25。 Yun 采用巴西劈裂法和三分点弯曲法间接测试了海相疏浚水泥土的抗拉强度，并指出抗拉强度相比抗压强度是更加重要的指标，在软土地层加固中更为重要 26。上述两种抗拉强度测定方法均属于间接法，需要经过转换后才能得出抗拉强度值，而且它们对于脆性材料能取得较好的效果，但对于弹塑性材料会产生一定误差，因此有必要研究海水水泥土适宜的抗拉强度测试方法。 对于海水混浆水泥土固化强度随水泥土水化过程的发展机理的深入理解须 通过微观和宏观相结合的途径来实现，
21、建立宏观和微观特征之间的关系是一种重要的手段。 Choquette 从四种海相沉积粘土的石灰加固过程中的矿物学变化和微观结构变化分析了对固化土强度的影响，指出石灰固化土可以保持孔隙总量不变的条件下调整其孔隙尺度分布，矿物结构的变化对于强度有重要影响，但由于强度的影响因素众多，对这种影响没有给出明确的关系 27。水泥土的固化与石灰土固化类似， Horpibulsuk28认为水泥土的强度发展与水泥土的孔隙分布有着重要的联系，他采用压汞法（ MIP）测定了水泥土固化过程中微结构孔隙 分布的变化，并解毕业论文 - 释了孔隙分布的变化对于强度的发展的影响。 事实上，海水混浆水泥土的力学特性受多种宏微观特
22、性的影响，除前面提到的土的矿物成分、水中所含离子成分、水合产物、钙钒石含量、孔隙分布等微观特性外，还有诸如土体含水量、掺和材料、掺和比、外加剂、龄期、养护条件等宏观特性影响 29，需要综合的评测。因此，综合考虑海水混浆水泥土的宏微和微观特性，通过实验方法建立宏微观之间的关系，是掌握海水水泥土的重要手段。 1.2.3 海水混浆水泥搅拌桩的工艺关键技术研究 从海水源水泥搅拌桩工艺过程来说，首先是将海水与水泥 混浆，形成海水水泥浆液，而后通过搅拌桩机具注入地层进行搅拌，利用水泥浆液与土体的硬凝反应形成水泥土，从而起到加固的作用。在海水混浆工序中，采用海水代替了淡水，会带来三个方面的关键问题。海水中含
23、有大量 Ca2+、 Mg2+等高价离子，对水泥浆有絮凝作用；海水中的各种盐类容易使水泥过早凝结，初凝时间大大缩短；海水水泥浆的流变性也会受到一定影响，阻力加大，使得泵送困难。因此有必要开展海水混浆的防絮凝剂、缓凝剂和减阻剂的研究，这方面的研究在以往关于水泥搅拌桩的工艺中并未出现，因此也未见该类研究，但是在海洋石油开采过程中 常采用水泥浆作为固井液，固井液的配制与这里所说的海水混浆有相似性 30 32，可以参考借鉴。在海水水泥浆液压浆过程中，由于海水中一些腐蚀成分的存在，可能会对机具产生危害，因此应注意添加合适的缓蚀剂 33。 1.3 本文所做的工作 综上所述，海水源水泥搅拌桩是海岛地区地基处理
24、的重要手段，开展海水源水泥搅拌桩固化材料和外加剂的研究对于提高其处理效果十分必要。本文主要通过室内试验和查找整理文献两个方面对海水源水泥搅拌桩固化材料和外加剂进行研究。 （ 1）室内试验：利用海水，淤泥质粘土， C32.5 水泥为主要原料， 混凝土专用微硅粉和粉煤灰为添加剂，通过直接剪切试验，抗折试验，单轴抗拉试验以及对应的对比试验，获得相应的数据后进行分析，对混凝土专用微硅粉和粉煤灰在提高海水源淤泥土试件的物理力学性能方面起的作用进行探讨。 （ 2）海水源搅拌桩工艺研究：通过收集、整理资料，对海水源搅拌桩的海水净化处理、海水混浆池防絮凝工艺及现场配合比等进行探讨。毕业论文 - 2 海水淤泥质
25、水泥土的试验研究 2.1 试验目的 本次试验研究目的是探究水泥固化后的淤泥质粘土的物理性质，力学性质，以及掺入外加剂之后对其基本力学性质的影响 2.2 实验准备工作 2.2.1 实验仪器准备 应变控制直剪仪、 DW-1 电动应变式无侧限压力仪、水泥电动抗折试验机、预压仪、烘箱、电子称、环刀，小刀，钢丝刀、烧杯等。 2.2.2 试验材料准备 试验所采用的土样取自舟山市某工程 ,基坑开挖后取新鲜土样。根据工程地质勘察报告 ,土样为淤泥质土 ,天然含水量 w = 39.60 % , = 19.2kN/ m3 , c= 12kPa , = 8。按相对于掺入水泥和外加剂前土样的重量 ,根据不同的水泥和外加剂的掺入 (均为重量比 ) 计算出水泥、外加剂及水的用量 ,将不同掺量的水泥土加水搅拌至均匀 状态 ,装入试模后放在养护箱中，试验龄期为 3d、 7d，其中外加剂为混凝土专用微硅粉或粉煤灰。
