高速公路软基粉喷桩处理实例应用研究

摘 要:结合国道主干线广州绕城公路小塘至茅山段实际工程,研究了水泥粉喷桩软基处理方法的施工工艺及实际工程应用,并提出施工要点和质量控制措施。

关键词:高速公路 软基处理 粉喷桩 换填

中图分类号:TU74文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 05-003-02

1引言

高速公路工程对路基要求很高,在公路使用年限内,普通高速公路路段的工后沉降应小于30cm,路桥结合处的工后沉降应小于10cm,过渡段沉降坡差小于2‰。为了满足软土路基的沉降要求和路堤的稳定性,必须对软土路基进行处理。在充分认清软土工程性质的基础上,选取最合理的处理方法。

2工程概况及施工方案选择

2.1工程概况

本工程为国道主干线广州绕城公路小塘至茅山段公路工程,整段路线位于广州市与佛山市境,主要经过广州市的白云区神山镇、花都区的炭步镇,佛山市的南海区小塘镇、官窑镇、和顺镇,三水区的西南街办、乐平镇。共经过两市、四区、七个乡镇。

该段设计里程桩号为:K76+650~K79+500,全长2.85km,路基填方约28万m3,挖方约11.63万m3,其中挖土方15158 m3,挖石方35368 m3,挖除非适用材料10000 m3,挖除淤泥55816 m3。该路段有特大桥两座(50+60)米装配式部分预应力砼小箱梁),分离式立交1座(45m装配式部分预应力砼小箱梁)。

其中K78+568.7-K79+132段为软弱地基,地质为粉土,土质较好但含水量较高,容许承载力极低,达不到设计要求的350kPa。为了合理确定施工方案,对该段地质进行了钻孔勘察,河道内布置钻孔三个(ZK01、ZK02、ZK03),其检测结果如表1所示:

2.2 施工方案选择

目前在软基处理工程中,软基处理有如下几种方法 :对于简单的软基处理,常见方法有设置垫层法、挖出换填法、强夯法、抛石挤淤和爆炸排淤法等;对于较为复杂的软基处理,常见方法有袋装砂井、挤密砂桩、振动碎石桩、粉喷桩、塑料排水板、加筋土工布等。

各种方法有各自的特点和使用范围,置换法又称换填法,常用于浅层不大于3 m的软基,对湿陷性黄土地基或大于5 m则不宜;强夯挤淤法适用于厚度较小的淤泥和淤泥质地基;爆破法则适用于饱和净砂、非饱和但经灌水饱和的砂、粉土和湿陷性黄土地基。深层搅拌法适用于淤泥、淤泥质土和含水率较高、地基承载力不大于120kPa的粘性土、粉土等软土地基;排水固结法适用于软粘土、淤泥和淤泥质土地基;振冲密实法适用于粘粒含量小于10%的疏松砂性地基;碎石法则适用于不排水抗剪强度不小于15kPa的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基;粉喷桩加固软基则主要适用于高含水量、高压性的淤泥、淤泥质粘土及桥头软基处理。

根据上表地基数据,结合各种不同方法的特点和使用范围,在K78+568.7-K79+132段,因为该段填方最高,平均高为13m,且且0#桥台、4#桥台桩基坐落于填方上,地下持力层10-12m。设计要求地基承载力>350kPa,为减少沉降量,控制工后沉降,且土质较高、含水率较高,故决定采用水泥粉喷桩施工。

3水泥粉喷桩施工

3.1 水泥粉喷桩的作用原理

粉喷桩是采用专用喷粉桩机成孔,用压缩空气将水泥粉体输送到钻头,并以雾状喷射到加固地基的土层中,借钻头的叶片旋转,加以搅拌使土和水泥充分混合,形成水泥土桩体,与原地基构成复合地基,从而达到加固地基、提高地基承载力和减小地基沉降量的效果。

3.2水泥粉喷桩设计

(1)桩长l和桩径设计D

该项施工要求结果有足够的单桩承载力及足够数量的桩来分担上部结构物的荷载,布桩要求均匀,形成均匀地基,为使桩间土的承载力得到全面发挥,必须有适当厚度的砂石褥垫层,以调整分配桩土应力比。故要求桩穿过软土层并进入持力层50cm,即取桩长12m,根据粉喷桩专用机械设备,选定桩径500mm。

(2)桩的平面布置及桩间距S

单桩竖向承载力标准值Rkd由下式计算 :

其中Rkd为单桩承载力标准值;up为桩的周长,取1.57m;n为桩长范围内所划分的土层数;qsi为桩周第i层土的侧阻力;q p为桩端土承载力标准值; 为承载力折减系数;取0.4;Ap为粉喷桩截面积,取0.196 m2;为第i层土的厚度;fcuk为桩身水泥土无侧限抗压强度; 为强度折减系数,取0.4。

水泥掺入比aw初定为18%,经试验得fcuk=1.65 MPa。若没有试验结果,可参考本地区相近土层同配比水泥土的试验资料。按(1)式计算得Rkd=268 kN,按(2)式计算得Rkd=129 kN,故取=129 kN。然后按照复合地基承载力公式计算fspk为

其中,fspk为粉喷桩复合地基承载力标准值,按照设计要求为350 kPa;m为置换率;fsk为桩间土承载力标准值。粉喷桩处理后的桩间土的强度是提高的,提高系数按1.1计,得到fsk=160.5 kPa; 为桩间土承载力修正系数;取0.95。按(3)式计算得m=10.4%,按正方形布置,得桩间距S为1.2m。水泥粉喷桩施工标准见下表2。地基经过该项施工后,可提高地基承载力2~3倍和水稳定性,并能减少沉降量1/2~1/3,加快沉降速率。

3.3 施工前准备工作

(1)施工材料

喷粉用水泥采用425号普通水泥,要求新鲜无结块,使用前用筛网过筛,最大粒度应≤5 mm。工程使用水泥必须有合格产品检验单,水泥质量、标号和细度要达到设计要求。对每批水泥都要进行抽检,合格后方可以使用。

(2)施工机械

本工程采用PH-5A型喷粉桩机4台,日成桩40~50根/台,配套储灰罐4台和空气压缩机。

(3)其他

详细了解加固区软土层的分布范围,含水量和有机质含量,地下水的侵蚀性等,必要时在加固区进行1-2孔钻孔取样;粉喷桩施工前必须进行室内试验与工艺性试验,以了解成桩情况并确定各种操作技术参数。

3.4施工工艺

(1)钻机就位。

(2)开启空压机,调整风量,送风,钻机开钻。

(3)钻头钻到设计加固深度,钻机换挡,实行反向转动。

(4)开启送灰机械、调整罐内压力及管道压力再进行喷粉及提升作业。

(5)钻头提升至设计桩顶标高停止喷粉,再次下钻重复搅拌至设计深度。

(6)钻头继续旋转提升到地面,成桩结束,钻机就位,继续下一根桩的施工。

水泥粉喷桩施工流程如下图1所示:

3.5施工过程及质量控制

(1)桩长的控制。粉喷桩长度是质量保证的一个关键,必须严格掌握钻进深度(深度计配合导管套头与机架高度相对位置来确定,预先画定标志)、喷粉时间及停粉时间,确保桩长。非特殊情况严禁在尚未达到设计桩长及未喷灰的情况下进行钻机提升作业。

(2)提升速度的控制。提升速度决定搅拌均匀程度。速度过快,可能使桩拌和不充分,影响成桩质量;速度过慢,施工效率低,故一定要按照设计要求操作。一般喷粉搅拌时以中、慢挡成桩好,成孔时以中快挡为好。

(3)喷粉量的控制。喷粉量的控制是成桩质量的关键。若灰罐电子秤正常则以电子秤显示为准,使其喷粉量达到设计要求。但有的电子秤难于长时间保证正常工作,在此情况下为不耽误工期,可在灰罐内加入定量水泥,多次调整送灰系统(如灰罐压力,送灰器速度等)、送灰速度、打试验桩,达到设计要求送灰量后,保持此送灰速度不变。

(4)复搅控制 。水泥与土搅拌均匀程度是关系到粉喷桩桩体强度的关键因素。大量的施工实践已充分证明粉喷桩复搅与不复搅的质量相差甚大。钻头喷出的粉体往往呈脉冲状,若不充分搅拌,粉体在桩中呈现层状形成一种“夹层”,这样的桩即使水泥再多也没有强度。复搅的作用在于通过充分的搅拌使粉体与土及水得到比较安全的接触与作用,促使桩体的形成。为了确保搅拌的均匀性,施工时要严格掌握好钻机提示速度、搅拌叶旋转速度等,并应尽量采用全桩复搅以保证质量。当桩长较长、土体天然含水量较高、粘性重时,应采用“喷二搅”的施工工艺,即:钻进―钻至桩底后慢档提升、喷灰、搅拌至停灰面―钻进、复搅复喷至桩底―提升、搅拌至停灰面―移位。防止出现“沉桩”现象。

(5)施工时专人负责制桩记录。详细记录每根桩的位置、长度、喷灰量、搅拌次数、机械运行情况及施工日期、各工序施工时间等,详细记录水泥进场数量,及时核对实际用量。

3.6 施工中的注意事项

(1)每根桩完成后,及时检查各种技术参数,如出现桩体中粉喷量不足时,应及时整桩复打,复打的喷灰量应不小于设计喷灰量。如出现机械故障喷粉中断时,必须复打,复打重叠应超过1m。

(2)严格控制喷粉提升速度和复搅速度,严禁在尚未喷粉的情况下提升钻杆作业。

(3)施工过程中复搅时可能会出现卡钻头现象,因为经过喷粉的黏土与钻头的摩擦阻力增大,从而出现卡钻现象。可以采用复搅时沿钻杆加水减少摩擦阻力,以满足整桩复搅的需要。

(4)钻头经过一段时间施工后,应卸下来检查其尺寸,保证打出的桩体的尺寸能满足规范要求,否则将予以更换。

(5)粉喷桩固化剂是水泥粉,为防止喷粉时堵管,不仅要保证水泥不受潮,还应该在储灰罐进口处设滤网,防止结块的水泥或杂物进入储灰罐。

4结语

粉喷桩是一项比较难以控制的施工工艺,但只要严格按照有关规范要求进行操作,精心组织,精心施工,就能保证施工质量。本工程经过采用粉喷桩软基处理,大大提高了地基承载力,缩短了地基沉降至稳定器所需用的时间,满足了地基承载力要求,达到了预期的效果。

注释:

田忠.高速公路软弱地基综合处理施工技术[J].铁道建筑,2007(08):65-68.

JGJ79-2002,建筑地基处理技术规范[S].

江来清.粉喷桩在软基处理中的应用[J].铁道标准设计,2006(5):33-35.