摘要:软弱土层经过水泥粉喷桩处理后,变成了硬塑或固体的不均匀土层,土层结构成分发生了变化,形成了复合地基。本文通过水泥粉喷桩在河南省阿深高速公路中桥头段、高填方,涵洞基底处理中的成功运用,再次证明了该处理方法具有缩短工期、加固效果显著,质量容易保证等优点。
关键词:水泥粉喷桩复合地基处理方法
1、前言
西华至周口高速公路是阿荣旗至深圳国家重点公路(简称阿深高速公路)的重要组成部分,是河南省环境内纵贯南北的又一条重要运输通道。西华至周口段全长38.7公里,共划分5个合同段。第8合同段位于淮阳县内共8.9公里。该段地形、地质条件较为复杂,同时复杂的地形地质条件,给路基施工和结构物基础处理都带来了一定的难度。
2、工程地质征
本合同处于近期黄河冲积平原,地面均为第四系全新统地层覆盖。并且地面零星分布首一些碟性洼地和湖泊,浅层地下水量丰富,含水层为粉细砂,粉砂,厚度5-10m,局部≤5m。地下水主要补给来源为大气降水及河水,地下水位埋深0.6米左右。
根据地质勘探结果,该地段从表土往下可分三层,Ⅰ层为浅黄色、棕黄色、黄褐色、灰褐色亚粘土,局部夹薄层亚砂土,一般软塑状,局部流塑状;Ⅱ层为黄色,浅棕黄色的细砂,局部夹中砂,中密-密实状;Ⅲ层为黄褐色、灰褐色、灰黄色亚砂土夹亚粘土,一般硬塑状、局部呈软塑,夹有粘土夹层,局部夹有粘砂,细砂的透镜体。
3、工程设计处理对策
该合同段内软弱土分布较广,多夹有软弱土夹层及透镜体,分布层位变化较大,层厚1.0―6.0米,其岩性为黄褐色、棕黄色低液限粘土,软塑状,局部流塑,容许承载力60―100KPA,地下水位埋深0.6米左右。主要物理力学指标:含水量W=21.4―40.0%,液限WL=18.6―49.7%,塑限WP=13.5―24.0%,塑性指数IP=5.1―25.7,液性指数IL=0.58―1.14,锥尖阻力qC=0.45―1.08MPA
4、复合地基处理的设计
经过充分的论证及科学的计算,结合设计要求,对
桥台附近50m以内;
涵洞、通道基础边缘外延10m;
填土高度超迁7m的地段。
对以上地段进行水泥粉喷搅拌桩复合地基处理,依涵洞、通道地基持力层充许承载力和基底应力大小,在基底力设垫层处理方案,另外考虑到复合地基处理段内与相邻路基在沉降变形的谐调,在桥头复合地基设计中设置了过渡段。
在复合地基的设计中,采用C40普通硅酸盐水泥作为固化剂,掺入量为55KG/M,桩径为500mm,桩间距为1.3-1.8m。桩长设计时以经济合理,满足沉降量及承载力要求为原则,一般都在6-9m之间。桩位按正三角形布置。
5、施工方法及工艺
5.1、原理
水泥粉喷桩是以水泥作为固化材料,通过专用的搅拌机械,用压缩空气将粉体喷到软弱地层中,凭借钻头叶片,在原位进行强制搅拌,形成水和掺合料的混和物。通过水泥的水解水化作用,使其产生一系列的物理―化学反应,从而产生一种特殊的、具有较高强度、较好变形特性和水稳定性的混和柱状加固体。
5.2、工艺试桩
不同地区具有不同的地质条件,为了克服盲目性,确保粉喷桩加固地基达到预期效果,在工程施工前进行工艺性试桩,以掌握该场地的成桩经验及各种操作技术参数。
5.2.1满足设计喷入量的各种技术参数,如钻进速度、提升速度、搅拌速度、喷气压力、单位时间喷入量等。
5.2.2 确定搅拌的均匀性。
5.2.3 掌握下钻和提升的阻力情况,选择合理的技术措施。
5.2.4 根据地层、地质情况确定复搅桩长,工艺性试桩不应少于5根。
5.3 、工艺程序:
整平原地面→钻机定位→钻杆下沉钻进→上提喷粉强制搅拌→复拌→提杆出孔钻机移位
5.4、工艺流程
5.4.1放样定位。按设计文件及施工现场实际情况,安排施工顺序流程,按设计桩位布置图排列编号,对原地面进行整平,如原地面较软或有水, 应首先排水,然后填筑粗砂,以保证钻机能移在其上行驶作业为准。整平完成后进行测量放样,并用石灰粉标明每个桩位,同时打上木桩 ,以确保桩位准确。
5.4.2钻机定位:钻机采用液压步履式行走钻机。根据现场放样,确定好钻机位置,再在机体上做好横向和纵向参照刻度的标志,准确对孔,对孔误差不得大于50mm,利用支腿油缸调平钻机,钻机主轴垂直度误差应不大于1%。
5.4.3启动主电机,根据施工要求以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ档逐级加速的顺序,正转预搅下沉。钻至接近设计深度时,应用低速慢钻,到设计深度钻机应原位钻动1-2min,为保持钻杆中间的送风通道干燥,从预搅下沉开始直到喷粉为止,应在钻杆内连续输送压缩空气。
5.4.4粉体材料与掺和量:粉体掺灰量为55kg/m, 材料采用普通硅酸盐水泥。
5.4.5成桩:钻头钻至加固深度后,立即开启送粉系统,从水泥计量器读数上确认送粉后开始提升钻杆。整个喷粉制桩过程为边喷粉、边搅拌、边提升的连续作业。钻头提升到离设计桩顶20cm时,关闭喷粉系统,钻头在原位旋转1min后再钻进到设计二分之一桩深,复搅一次,即将钻头再边搅拌、边提升至地面。
在喷粉搅拌过程中,每延米的喷粉量与设计配比的误差不得大于规范要求,在确认成桩的其他指标满足设计要求后方可移动钻机,进行下一根桩施工,否则应立即进行补打。
5.5、要点操作
5.5.1 机身调平以钻杆是否垂直为依据,操作时以钻锤吊线进行控制。
5.5.2 钻头钻至设计深度时,应留有一定的滞留时间,以保证加固粉料到达桩底。一般时间为2―5min。
5.5.3喷粉或喷气时,当气压达到0.45MPA时,管路易产生堵塞,此时应停止喷粉,将钻头提出地面,切断空压机电源,停止送气,查明原因,予以排除。
5.5.4整个制桩过程一定要保证边喷粉边提升连续作业。当空气湿度大、粉体流动性差、喷气压力大、单位桩长喷粉量大时,应开通灰罐进气阀,以对料罐加压。如断粉,应及时补喷,补喷重叠长度不小于1.0米。
5.5.5入罐固化剂最大粒径径不超过0.5cm,无石块杂物。
5.5.6喷粉时,记录人员随时观察电子秤的变化显示,以保证各段喷粉均匀。
5.6、现场施工质量控制
粉喷桩施工应根据成桩试验确定的技术参数进行,操作人员随时记录压力、粉喷量、钻进速度、提升速度等有关参数的变化。并要满足以下要求:
5.6.1对桩的轴线偏移、桩的倾斜度、桩长以及水泥标号进行严格控制,同时必须确保喷粉量及粉喷搅拌的均匀性。
5.6.2 不得出现喷灰不足及打设深度不够,否则重新打设。
5.6.3 施工设备采用自动记录施打深度,双相称重计量系统装置 ,即粉体发送器配置粉料计量装置,插入导杆顶部设有喷粉记录装置,并记录水泥的顺时喷入量和累计喷入量。
5.6.4 根据不同的地质条件,通过工艺性试桩,确定制桩过程达到设计每延米喷粉量所需钻头提升搅拌速度、每分钟粉喷量等控制参数外,建立专人值班检查制度。
5.6.5在制桩过程中,一旦发现电子计量出现异常时,应立即停止提升钻杆,钻头原位搅拌,待查明原因,排除故障后,立即按规定搭接长度(L≥100cm)补喷复拌,喷粉正常后继续提杆搅拌。
6、工程质量检验
水泥粉喷桩施工属隐蔽工程,工序环节多,施工控制难度较大。粉喷桩进行交工验收时,业主结合实际情况,制订了检验和评定办法。
6.1、质量控制标准
水泥粉喷桩质量控制标准是施工控制的关键,也是最终要检测的主要指标。
6.2、粉喷桩的检测
6.2.1、桩距、桩径及钻杆倾斜度的检测
在每处粉喷施工时,随机按规定频率用吊锤对钻杆倾斜进行现场检测,对已成桩的7天以上的水泥喷粉桩,随时按规定频率挖出桩头,用卷尺对桩距、桩径进行检测。
6.2.2、桩体强度和桩长检测
对成桩14天以上的粉喷桩,随机按规定频率或对有怀疑的桩进行钻芯取样或低应变检测,主要内容有以下几方面:
a、破去桩头0.3―0.5米表层水泥土,进行检测,主要检测桩体外观是否圆顺,水泥土搅拦是否均匀。
b、取芯时,检测桩体喷粉是否均匀,桩体有没有断粉现象,桩长是否达到设计要求。
c、对粉喷桩的桩体在上、中、下三个部位,各磨制一组,一组三个试件,做无侧限抗压强度,用三个试件的代表值进行评定强度。
d、若桩体在地层遇到不良地质,取芯不完整时,进行标贯检测该层强度,根据N10贯入10cm的锤击数或N10连续贯入30cm的锤击数来判定桩体强度是否合格。
e、用低应变仪对桩基完整性检测,并与取芯对比,检测其强度和完整性。但由于粉喷桩灰剂量小,被胶结的主体为软弱土,强度值低,与混凝土桩基差别大,无损检测灵敏度低,但可做为判断粉喷桩施工质量的参考。
6.2.3、单桩和复合地基承载力检验
对某一场地施工质量有疑问时,最终可利用静荷载试验,检查复合地基承载力或单桩承载力。
6.3、粉喷桩施工质量评定
6.3.1、单桩质量评定
根据粉喷桩的施工特点,粉喷桩单桩质量共划分A类、B类、C类三种等级。
A类桩:
粉喷桩桩长达到设计要求,整桩喷粉均匀无断粉现象;复搅芯样完整且连续,呈柱状(最小长度应大于10cm);粉喷桩上、中、下三段强度均满足要求;所取芯样的柱状加块片状取芯率大于90%。
B类桩:
桩长达到设计要求,整桩喷粉局部不均匀,但无断粉现象;复搅段的芯样大部分完整,呈柱状,可制成等高试件做无侧限抗压强度,局部松散呈块片状,复搅段以下,能取出芯样,但芯样不完整,呈可塑状;复搅段强度满足设计要求,复搅段以下有一定的强度;所取芯样的桩状加块片状取芯率大于80%。
C类桩:
桩长达不到设计要求,桩体喷粉不均匀,有断粉现象;复搅段芯样松散无粘聚,大部分呈块片状;复搅段以下虽软塑,流塑或取不出芯样;所取芯样的柱状加块片状取芯率小于80%。
其中:A类为优良桩,B类为合格桩,C类为不合格桩,当定为A类或B类时,必须同时具备该类的所达条件,定为C类时,只须具备该类中任一条即可。
6.3.2、群桩施工质量评定
对照粉喷桩质量控制标准,检测结果,对粉喷桩施工质量进行评定(具体评分标准参见公路工程质量检验评定标准)。评为不合格的工程地段场地选3点做静荷载试验。如荷载试验代表值符合要求可进行下道工序。
7、处理效果
本段内粉喷搅拌桩自2004年3月开始至今,完成了40余万延米,施工后对粉喷桩进行低应变触探,钻孔取芯及对单桩及复合地基进行了静载试验,以检验桩的施工质量,桩身强度及复合地基强度,同时还对部分结构物处的粉喷桩进行了工后沉降观测,结果表明所有技术指标均达到技术规格的要求。
8、结束语
水泥粉喷桩处理复合地基是一种快速处理软基和桥头并减少工后沉降较为理想的处理方法,尤其河南、河北等地区正在被广大的业主和设计单位所采纳。它比一般的排水固结方法缩短工期,而且对于提高地基整体承载力效果明显,其布桩灵活性较大,又可适用于不同加固目的和要求。