软基处理中粉(湿)喷桩的优化选择

摘要:水泥搅拌桩是软基处理的主要方法,水泥凝结材料通常有干喷和湿喷两种施工工艺,通过各种水泥用量的工艺性试桩,结合芯样各项指标的检测分析及综合质量评分,选用能克服地质蔽端的施工工艺,是提高成桩质量,达到软基处理效果的关键。

关键词:软基处理 粉(湿)喷桩施工工艺 检测结果 对比分析

一、工程地质简介

镇溧高速公路ZL-JT2标,起讫桩号K37+500~K49+350,全长11.85km,其中软基处理长度5.712km,软基处理设计粉喷桩54.78万延米,湿喷桩98.44万延米。

勘察揭示,本标段属堆积阶地和冲湖积平原工程地质区,其中冲湖积平原区广泛分布1-2层中厚层软土,断续间夹1-2a层软弱土;1-2层软土分布于冲积平原地质区,其分布特征明显受古河、湖床的控制。1-2层为淤泥质(亚)粘土,灰色、深灰色,局部夹灰黑色淤泥,流塑状态,高含水量,高孔隙比,高压缩性,低抗剪强度,低~中等灵敏度,呈层厚连续分布,厚度变化大,路幅范围横向亦有一定的变化,该软土层埋深浅,层顶面一般埋深0.6~2.4m,为浅表层软土层;1-2a层为软(亚)粘土,部分夹薄层粉砂,灰色,软塑~流塑状态,中~偏高压缩性,土质欠均匀,断续分布于1-2层之下,或夹于其中,层厚1.10~5.30m,为软弱土层。

二、粉喷桩试桩段K42+600~K42+645工程地质概况及室内配合比试验结果

工程地质勘察报告表明试桩路段,主要不良地质现象为浅部有较厚软土层分布,现分述如下:

1、(亚粘土)灰黄色:可塑~软塑状态,中等偏高压缩性,主要分布近地表部位,层厚0.6~4.2m。

2、淤泥质(亚)粘土、淤泥:灰色,流塑状态,高孔隙比,高压缩性,层厚0.6~18.5m,局部起伏较大。

3、亚砂土:黄灰色,很湿,稍密~中密状态,层厚1.7~7.2m。

4、粉细砂(局部亚砂土):黄灰色,灰白绿色,饱和中密~密实状态,层厚0.7~2.2m。

5、亚粘土夹碎石或碎石土:黄灰色,灰白色,密实,层厚0.5~5.2m。

取与该段地质类型相同的土样,采用干法进行室内配合比试验,结果如表1:

从试验结果分析,选择水灰比为0.5,石膏粉掺量为水泥用量的2%,用三种水泥用量制作的水泥土试件,28天抗压强度均大于设计要求R28≥0.8MPa,但当水泥用量采用55kg/m以上时,就能达到最佳强度值。

三、粉喷桩试桩施工过程及检测情况

2004年11月23日,我部在K42+600~K42+645段,分别进行了50kg/m、55kg/m和60kg/m三种水泥用量的粉喷桩试桩施工,试桩施工前对场地进行了清理整平,桩位放样,严格按照设计图纸要求的《特殊路基施工方法及注意事项》进行施工。粉体搅拌桩机配有经过标定的电脑记录并能打印输出的流量计量议器,粉体搅拌桩机的具体施工操作步骤如下:

1、预搅下钻,速度控制在≤1.0m/min,搅拌转速V≈30转/min。

2、达到设计桩长后,开始喷灰,间歇一分钟后,开始提升钻具,速度控制在≤0.8m/min,确保底部有足够的灰量。

3、喷粉搅拌钻头提升至距整平高程0.25m处停止喷灰。

4、全桩长复搅。钻进、复搅时管道压力0.1MPa≤P≤0.2MPa。

5、喷灰时管道压力一般≥0.5MPa。

2004年12月10日,南京河海工程检测咨询有限公司,分别选三种水泥掺量,每种水泥掺量检三根桩,总共9根桩,采用了钻探取芯,标准贯入试验结合室内无侧限抗压强度试验的方法,对9根粉体搅拌试桩进行了综合质量评定。评定结果见表2:

本段粉喷桩设计水泥用量为55kg/m,从综合质量评定成果报告表看,总体优良率55.6%,使用55kg/m水泥用量时,达不到规定的优良率95%,就是再选用高一级水泥用量60kg/m,因被检测的三根桩内无优桩,说明成桩质量还未达到最佳效果,95%优良率仍无法保证。

四、综合质量评分偏低原因分析

从芯样描述分析,大多芯样描述为灰色、柱状,灰量一般,搅拌较均匀,可塑局部硬塑,取芯率70%,另外标贯击数及芯样无侧限抗压强度全桩长比较,中部偏低,从施工过程中分析,下钻复搅过程中只要管道内有压力,在桩基周围大约10m范围内就有水及气泡从地表缝隙中益出。喷灰过程中水量更大,打完4根桩后就要在桩基周边挖沟排水,否则无法继续施工。

水泥搅拌桩的设计原则,水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基,当地基的天然含水量小于30%,大于70%或地下水的PH值小于4时,不能采用干法,本试桩段采用粉喷桩符合设计要求。

经综合分析,本试桩段全桩长土质分布不均匀,中部土质为高含水量、高孔隙比,高压缩性,低抗剪强度,低中等灵敏度的三高两低流塑状淤泥质土,粉喷桩施工过程中,因有气压作用促使桩内水及气体向桩外移动,增大桩周内外的通透性,提升喷灰时,气压更大,水泥粉随水流及气流向桩外周边孔隙不均匀扩散,导致桩内水泥用量减少,水泥土固结效果差,芯样标贯及无侧限抗压强度偏低,综合质量评分优良率不达标。

通过分析在该地质条件下,粉喷桩试桩综合质量评分偏低的原因,要避免粉喷桩喷灰过程中有大量压缩气体进入桩内,带动水泥向桩外周边孔隙不均匀扩散。建议采用湿喷桩进行工艺性试桩。湿喷桩施工工艺分析,湿喷桩下钻时钻头对桩内土有搅动作用,随着钻头螺旋下降,桩内挠动土对桩壁有挤压封堵孔隙作用,在桩周围形成护壁。提升喷浆时,每延米浆液体积以55kg/m水泥用量进行计算,试桩每延米水泥用量为55kg,石膏粉用量设计为水泥用量的2%,计1.1kg,设计水灰比为0.5,每延米用水量为28.05kg,当设计水灰比为0.5时,水泥浆比重为1.75,每延米水泥浆重量为55+1.1+28.5=84.15kg,每延米桩内水泥浆体积为84.15/1.75=48.09升。采用粉喷桩施工时,喷粉过程提升速度为0.8m/min,管道压力为0.5MPa,相当于4.935个大气压,压缩气体流量为20升/min,这些气体变为常压后,每延米桩长内气体体积增大为4.935×20÷0.8=123.375升。每延米桩长内,粉喷桩桩气体体积为湿喷桩浆液体积的2.5倍。湿喷桩压浆提升时,固结材料挤压出桩外的数量与粉喷桩相比大为减少。在该段改用湿喷桩工艺进行试桩,再检测成桩质量。

五、湿喷桩试桩过程及检测情况

2004年12月29日,我部在K42+600~K42+645段,按50kg/m、55kg/m、60kg/m三种水泥用量进行了湿喷桩工艺性试验,试桩的具体操作步骤如下:

1、预搅下钻速度控制在≤1.0m/min,搅拌转速30~50转/min。

2、到达硬层后提前喷浆,间歇两分钟后,再提升钻具,速度控制在≤0.8m/min,确保底部有足够浆量。

3、喷浆搅拌提升至距整平高程0.25m处停止喷浆。

4、全桩长复搅。

2005年元月17日,南京东大岩土工程技术有限公司,对该段湿喷桩试桩,按三种水泥用量,每种抽查两根共6根试桩,进行了钻探取芯试验检测,通过芯样描述,标准贯入试验和室内无侧限抗压强度试验,对6根试桩进行了综合质量评定。评定结果见表3:

从检测评定结果分析,选用55kg/m水泥用量,采用湿喷桩施工工艺,就能达到设计要求的优良率,取得满意的软基加固效果。

六、总结

水泥搅拌桩的施工质量,是关系到高速公路工后沉降量能否控制在允许范围内,保证地基稳定的重要因素,水泥搅拌桩属隐蔽工程,如何判断施工完成后的水泥搅拌桩是否达到设计要求,在很大程度上依赖于对桩身质量的有效检测,对水泥土搅拌桩成桩后桩身质量的检测,是保证软基处理达到预期效果,控制工后沉降量,确保行车平顺舒适的重要环节。

为了有效控制成桩质量,水泥搅拌桩在整体开工前,应做好前期准备工作,水泥搅拌桩施工设备应选用定型产品,并配有全自动电脑记录、打印的计量装置;选取典型地段钻探取样,进行室内配合比试验;根据室内配合比试验结果,选择有代表性的施工段落进行工艺性试桩,详细记录试桩施工全过程,根据工艺性试桩的检测结果,验证室内配合比及施工工艺的可行性。在工艺性试桩阶段,既要分析试桩检测结果及综合质量评分,又要分析试桩施工工艺过程,通过对比分析,选择检测结果优良率达标的,固结材料用量合理的,成桩施工工艺优良的施工方案,确保桩身固结效果,有效控制软基沉降量。

参考文献:

[1]江苏省高速公路水泥搅拌桩培训材料.