公路软土基处理技术

摘要:从桩间土和桩身两个方面详细分析了石灰桩加固软地基的机理,并介绍了该方法适宜的地质条件,结合工程实际,对施工工艺及施工过程中的注意事项进行了具体论述。

关键词:软地基;施工;技术

中图分类号:TU473文献标识码:B文章编号:1009-9166(2010)023(C)-0078-02

公路作为一种线性带状的特殊人工建筑,不可避免的要经过不同的地质地区。在我国沿江、沿海、沿湖等处广泛分布着软土,软地基含水量高、空隙比大、压缩性大、承载能力低,容易产生地基滑动和过大沉降或不均匀沉降等地基破坏事故。在软地基上修建公路,选择合理的软地基处理方案对施工进度、施工费用以及以后的安全运行都起着十分重要的作用。

一、加固原理

石灰搅拌桩是靠石灰与土之间发生一系列的物理化学反应而形成强度的,不同的土质会产生不同的加固效果。

深层搅拌石灰桩施工时通过机械搅拌,钻进时喷射压缩空气,使准备加固的土在原位受到扰动。钻进到设计标高后,钻机钻头反向旋转,边提升边由压缩空气输送生石灰,向着由钻头搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷入被搅拌的土体中,使土体和石灰进行充分拌和,形成具有整体性、水稳性和一定强度的石灰土桩,加固深度可以达到20m。

二、适宜的地质条件

软粘土的矿物成分中,主要为高岭土、伊利土和蒙脱土,而从结构、能量和成分三个方面又能说明蒙脱土最容易与石灰发生反应,例如对于淤泥质粘土土样用X射线衍射矿物分析,稳定性好的矿物石英含量在40%以上,高岭土和伊利土的含量为40%,把其中一段大气干燥的淤泥粘土石灰搅拌桩钻取试样放入水中,约一个小时就完全崩解为泥浆,速度和一般粘土十分接近,说明了这类粘土恰恰缺少蒙脱土类粘土矿物,石灰较难与土发生化学反应,不能大量生成碳酸钙等胶结物,致使石灰搅拌桩强度变低,这也揭示了石灰搅拌桩适宜于蒙脱土类矿物含量粘土地基。

三、施工注意问题

由于石灰桩的膨胀挤密效应和排水固结作用,石灰桩在设计过程中应采用小桩径、密布桩的原则。石灰桩常用桩径为250―400mm,最常用的桩径为300mm,石灰桩的加固深度、桩间距应经稳定验算、沉降验算确定,并满足工后沉降要求。相邻桩的净距应≤4.0倍桩径。用石灰桩处理软地基时,应进行稳定验算和沉降计算。

石灰桩施工工艺分管内成桩和管外成桩两种工艺,一般多采用管内成桩,在此简述管内成桩工艺。管内成桩是指用人工或机械成孔后,再填料夯实、封顶、自上而下成孔、自下而上填夯成桩。它包括人工挖孔成桩、冲击法成桩、螺旋钻成桩、沉管法成桩、爆扩法成桩等施工方法。工艺流程为:桩机就位-成孔至设计深度-填料-夯压实-封顶-完成-根桩的施工。石灰桩施工的要点主要有以下几个方面:

(一)桩体材料的选择。构成桩体的主材是生石灰和粉煤灰,生石灰的活性CaO应大于85%,灰块直径以5cm左右为宜,粉灰含量应小于20%,矸石含量小于5%;粉煤灰为SiO2、Al2O3活性元素含量较高的新鲜粉煤灰,含水量应小于40%。

(二)按合适的比例对桩体材料进行配比。在孔底有余水残浆时,桩端0.5m灰比为11,0.5m以上桩体为12,桩端增加灰比解决了桩身密实度和施工安全,但留下了人为的软弱桩段,因此,在桩端0.5m掺入5%―7%的水泥,亦可消除人为膏化段。

(三)注意防止施工中地表水和临近水源渗透进入石灰桩身。

(四)打桩顺序应该“先外排后内排,先周边后中间”的原则,对单排桩应采用“先两端后中间”的施工方式。桩机行驶路线宜采用前进式,并采用两遍跳打方式。

(五)对填料和桩身密实应注意:1、填料量宜为桩孔体积的1.5―2.0倍,算料时按米计算;2、如有掺合料时,应按设计配合比与生石灰拌匀;3、填料前应消除桩孔内的杂物和积水,在软土中施工宜在孔中先灌入50cm厚的砂;4、采用夯击时,应分段夯填,每段高度50―100cm,由成桩试验决定。

(六)石灰桩填夯后必须立即用粘土等材料压实封顶,以增加上覆压力,防止地表水流入桩身和防止石灰桩因水化过分激烈而引起桩孔喷料现象。封顶长度一般≥1.0m,且必须夯实或压实。

(七)实践表明,为避免生石灰在地下水比较丰富的地区产生弱心点,掺入适量(石灰用量的10%)的粗砂及少量(石灰用量的3%)的水泥可以避免这种问题。原因是掺入粗砂,可有效的填充生石灰块间空隙,增强生石灰体积膨胀对土体的挤密作用。

(八)为了防止生石灰在地下水丰富地区消化速度过快,导致在施工成桩过程中冲出孔外,可选用过火生石灰。另外,施工时桩头应预留200mm左右的长度,填充烂泥,防止生石灰膨胀挤出桩孔。

(九)浇灌基础应在石灰桩达到一定强度后进行,一般为一月。

四、桩体强度的影响因素

(一)生石灰的剂量

不同的生石灰剂量对各种土的单轴抗压强度均有影响。在同一生石灰含量的条件下,不同的土类具有明显不同的抗压强度。室内试验表明:1、当生石灰含量在6%―18%的范围内变化时,石灰搅拌桩仍保持原来土壤的特性;2、不同土性的石灰粉渗入量各有最佳渗入量区间,大于或小于这一区间的渗入量,都得不到经济的加固效果。

生石灰的膨胀力与生石灰的含量成正比,但膨胀应力的大小,则与生石灰有效含钙量、约束力的大小和方向、熟化的快慢有关,如采用有效氧化钙含量为85%―89%的生石灰,让其在近似完全约束的条件下熟化,测得其轴向膨胀力最高可达11.6MPa,随着周围约束的放松,轴向膨胀力急剧减小,膨胀力所做的功转化为周围土变形位能而趋于平衡。总之,对于一般的地基,特别是软土,当生石灰用量超过一定界限时,其约束能力绝对不可能阻止生石灰搅拌桩的膨胀,巨大的膨胀力必将在相当范围内传布,这就是石灰搅拌桩直径增大的原因。

(二)软粘土的含水量

石灰搅拌桩的强度能否形成和强度高低,与软粘土的含水量有关。生石灰转变为熟石灰以及继续水化,都要吸收和蒸发软粘土中的水分。因此,必须要有足够的水供生石灰水化,否则无法形成强度。另一方面,水又不能太多,以使处于饱和状态的软粘土能因脱水而转变成三相状态,软土中的空气才能为碳酸化反应提供足够的二氧化碳,从而形成使灰土反应生成有一定强度的胶结物质条件,形成较高的强度。由于石灰搅拌桩中的水分在强度形成中得到消耗,灰土含水量会大幅度减少,甚至由流动状态转变为硬塑乃至坚硬状态,从而提高石灰土的强度。(三)施工方法

另外值得注意的是,施工过程中所采用的施工方法对桩体的强度也有很大的影响。实践表明,施工中采用复搅和不复搅方法相比,复搅的桩体强度比不复搅的桩体强度提高60%以上,而空搅不喷灰测试结果与原地基土区别不大。

五、小结

通过理论分析和工程实践,可见石灰搅拌桩处理软土地基的作用是十分明显的。用石灰搅拌桩处理后的软地基,渗透性增大,石灰搅拌桩有助于排水固结,经处理后复合地基降低了软土含水量,增大了凝聚力,复合地基的强度得到提高,可以取得良好的经济效益,适宜于公路的挡土结构、桥涵、通道的软土地基处理。

作者单位:广西展鸿建设有限公司

参考文献:

[1]注双杰,张留俊,刘松玉等.道路不良软土路基处理理论与方法.北京:人民交通出版社,2004.