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水泥搅拌桩在软土地基处理中的应用
2012-06-14 来源:作者:吴红燕 来源:期刊之家
软基在我国的东部、南部沿海,普遍有分布;同时,该区域也是我国人口众多、经济发达、建筑密集的区域。在该区域修建的道路工程,不可避免的会遇到软基处理的问题。软基一般具有高含水性、低密度、低强度、高压缩性、低透水性和中等灵敏度的特点,一般压缩沉降量大、排水固结慢、地基稳定性差。

  软土地基处理的方式比较多样,有换填法、预压法、强夯和强夯置换法、砂石桩法、水泥粉煤灰碎石桩法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆等。可根据不同的项目情况选用合适的地基处理方式。

  其中深厚饱和粘土为主地基的处理方法主要是堆载预压和水泥搅拌(含粉喷)桩等方法。深厚松散沙(粉)土为主地基的处理方法主要有强夯法、挤密砂(石)桩法和水泥搅拌(含粉喷)桩等方法。

  1、项目情况简介

  广东省连州至怀集公路项目,位于广东省西北部山区,是国家高速公路网第7纵线的一段,也是广东省高速公路网规划中第7纵线的一段,是泛珠三角区合作公路、水路交通规划的一部分,是沟通香港、澳门与湖南、广西的又一条重要通道。

  2、地质情况分析

  沿线软土主要由第四系沼泽相淤泥、淤泥质亚粘土(层号为3-0、3-1)组成,以淤泥质亚粘土为主,局部为软塑粉质粘土,层号为2-1r;总体呈点状或带状随机分布于山间洼地或谷地。本项目软土一般赋存较浅(谷地局部较深),沼泽相淤泥、淤泥质亚粘土约2~2.5米的采取换填法,厚度大的采取排水法结合预压处理。

  3、 地基处理方式的确定及加固机理

  3.1 综合考虑项目的地质情况、造价、施工工艺等因素以及参考了周边项目的处理方法,两种方式比较合适:预压法、水泥土搅拌法。

  预压法:是通过堆载或真空预压,使地基土固结的地基处理方法。比较经济、历时较长。需先查清土层、水层、地下水类型等,并取得先期固结压力、空隙比与固结压力的关系、渗透系数、固结系数、三轴试验抗剪强度指标以及原位十字板抗剪强度等。并在预压过程中进行竖向变形、侧向位移、孔隙水压力、地下水位等项目的监测,并进行原位十字板剪切试验和室内土工试验。

  水泥土搅拌法:是以水泥为主要固化剂,通过特制的深层搅拌机械,将固化剂和地基土强制搅拌,使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的桩体的地基处理方法。优点比较明显:就地搅拌、最大限度利用原土,地基土不会侧向挤出、对周围建筑干扰少,桩体布置形式灵活。但是需要做一定的掺量的配合比。

  由于预压法的工期较长,需历时半年至一年,考虑到项目的施工工期要求,舍弃该方案,确定为水泥土搅拌法,根据该区域的地质特点,最终确定采用深层搅拌法(湿法)。

  3.2 水泥土搅拌法加固机理

  3.2.1 水泥的水解和水化反应

  水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙为反应物,与水反应,生成一系列的化合物。生成的化合物也会参与反应,继续增加土体强度。

  3.2.2 粘土颗粒与水泥水化物的作用

  上述生成物继续发生离子交换和团粒化作用、硬凝反应、碳酸化作用。最终被粉碎的越均匀的土体,水泥土的总体强度越高。

  3.2.3 其他影响因素

  水泥土的强度随水泥用量增加而增加;随龄期增长,持续时间约三个月;随水泥标号增加而增加;随土样含水量增加而减少;随土中有机质含量增加而减小,有机质含量高的软土,单纯采用水泥的加固效果不好;部分种类的外掺剂可有效改变水泥土的强度、龄期强度增长等;较好的养护方法和养护条件,可以提高水泥土的早期强度。故,合理确定水泥掺量、减少龄期内扰动、适当选用外掺剂对水泥土强度有较好的帮助。

  4、水泥搅拌桩参数确定

  项目的地基处理情况基本决定了项目的工程质量,特别是整个项目的软土地基完全由水泥搅拌桩控制。

  确定复合地基处理目标:承载力120KPa,沉降要求≤0.3m,工后差异沉降控制在2%。

  4.1 桩间距确定

  根据项目需要、规范要求,确定桩径0.5米。由于桩周土的力学性质很差,拟定采用桩间距1.2米的三角形布置。由于该处地基情况很差,地下情况复杂,桩端要求进入持力层最小深度0.8米。

  4.2复合地基计算

  按照最不利位置的桩基布置进行复核。

  4.2.1单桩承载力计算

  桩身强度计算:

  Rk1=qs*l*S+a*Ap*fk=131.51KN;Rk2=η*quc*Ap=137.80KN;根据计算结果,单桩承载力取值采用较小值。

  4.2.2复合地基承载力计算

  面积置换率m=0.190512,复合地基承载力fk=m*Rk/Ap+β*(1-m)*fs=137.83KPa。

  根据计算的结果,单桩承载力满足设计要求,复合地基承载力也可以满足设计的要求。

  4.3桩顶褥垫层设计

  考虑到项目水泥搅拌桩和淤泥的性质差别较大,为保证复合地基的整体受力性能,故考虑在桩顶设置50cm砂垫层,并保证桩顶进入砂垫层10cm。

  4.4沉降分析

  竖向承载搅拌桩复合地基的变形包括两个部分:搅拌桩复合土层的平均压缩变形S1和桩端下未加固土层的压缩变形S2。

  4.4.1复合地基的沉降分析

  搅拌桩的压缩模量Ep=1.8X105kPa;桩长范围内的Es=2.68MPa;复合土层的压缩模量为Esp=m.Ep+(1-m).Es=34294Kpa

  搅拌桩复合土层顶面的附加应力Pz为120KPa。根据Esp/Es=12.78,z/b=12/12=1查表得θ=300。搅拌桩复合土层底面的附加应力为Pzl=b(Pk-Pc)/(b+2Z*tanθ)=55.7KPa。

  搅拌桩复合土层的压缩变形S1=(Pz+Pzl)*l/(2*Esp)=30.7mm

  4.4.2桩端土的压缩变形

  复合地基底面的附加应力为55.7KPa,自重应力为140Kpa,土层的压缩模量为30MPa;6米下的附加应力为46.9KPa,自重应力为200kPa;对应的e值=e1-e2=0.015。经过计算并参考周边项目的e-P曲线,在桩端6米范围内,压缩量<5cm。

  4.4.3经计算和分析,复合地基的沉降量<10cm。满足规范的要求。

  4.5管基、井底等特殊部位处理

  项目的污水管的管底高程低于复合地基顶面标高,为保证污水管的管底有足够的承载力,在管底部位至少保证有三根桩形成复合地基来承载。并保证管底有50cm砂垫层。

  5、水泥搅拌桩施工方法

  5.1材料要求

  采用32.5级以上的硅酸盐或普通硅酸盐水泥。

  采用饮用水,使用非饮用水需控制硫酸盐和含盐量。PH值≥4。

  5.2施工方法

  5.2.1 清理平整施工场地

  施工前开挖排水沟及时排除地面积水,平整施工场地,回填50cm碎石并碾压密实作为施工面。搅拌桩停浆面高于设计桩顶面50cm,搅拌桩施工结束后,回填50cm砂垫层,碾压密实后作为路基垫层。

  5.2.2 标出钻孔位置

  在整平后的场地上按设计要求标出搅拌桩位置(误差不得大于2cm),并测量场地的高程,确定喷浆标高和停浆标高。

  5.2.3 前台钻机定位、钻进及后台拌合水泥浆

  钻机就位,对正桩位(桩位误差不大于2cm),调平桩机机身,保证桩的垂直度(允许偏差1.5%),启动主电机钻进至设计深度(搅拌桩穿透淤泥层进入持力层约50cm)。在前台就位钻进的同时,后方应按照试验室提供的水泥浆配合比制浆,制备好的水泥砂浆不得离析,泵送必须连续,注浆压力控制在0.4MPa~0.6MPa。水泥浆池宜设两个,一个用以控制配比,一个做泵送池。控制浆液的罐数、水泥及外掺剂的用量及泵送浆液的时间应由专人记录。针对施工现场施工班组操作人员作业水平不高的现象,可以在拌浆桶上用油漆标识水位线,然后交底给现场作业人员,在注水到该水位线时,加多少包水泥搅拌就是设计的配合比。以简单明了的方式保证水泥搅拌桩浆液符合设计要求。

  5.2.4 水泥搅拌桩采用四搅四喷成桩的施工步骤

  设备就位:搅拌机的钻杆须垂直并对准桩位,检查深度计转轴中心是否位于刻度盘中心,确保搅拌桩深度计量准确。

  第一次钻进:在确认浆液从搅拌叶的出浆口喷出后,方可启动搅拌机,以60r/min的转速和不大于1m/min的钻进速度,顺时针方向边钻边喷浆,直至设计桩长(在不变动档位的前提下,电流表电流突变后,再向下钻进50cm),再继续喷浆30s后,改逆时针方向搅拌喷浆提升至设计桩顶。

  第二次钻进:以同样方式再次顺时针方向钻进注浆,直至复搅喷浆到设计桩长后,改逆时针方向搅拌喷浆提升到设计桩顶标高,再原地继续喷浆30s,停止喷浆。

  两次循环钻进成桩:经过上下两次循环钻进提升,使水泥浆液在桩孔内搅拌4次成桩。

  5.2.5 桩机移位

  复搅完成后,将钻头提出地面,停止主电机、填写施工记录并将桩机移至下一孔位。

  5.3施工注意事项

  国内目前的水泥桩搅拌法多为中心管喷浆方式和叶片浆喷方式。后者是使水泥浆从叶片上若干小孔均匀喷出,对大直径叶片和连续搅拌比较合适,但喷孔易堵塞,且只能用纯水泥浆;前者是从搅拌轴中间另一中心管喷出,若叶片直径在1米以下,不影响搅拌均匀度,且适合多种固化剂。根据本项目的特点,推荐使用前者。

  5.3.1施工前进行水泥加固土的室内试验,确定合理的水灰比,本项目根据计算结果以及参考其他周边项目的成功经验,并满足设计和施工技术规范的要求,确定水泥用量为55kg/m,并推荐水灰比为0.45~0.55,最终以试验为准。

  5.3.2施工前,进行场地平整,并需进行不少于5根的试验工艺桩,以校核机具性能及施工参数。包括灰浆稠度、工作压力、钻进和提升速度参数。

  5.3.3施工时应控制喷浆速度,注浆泵出口压力应控制在0.4~0.6MPa。

  应尽量连续施工、连续供浆;如因故短时间停浆,应将搅拌头下沉到停浆点下0.5米重新喷浆搅拌。超40分钟,应清洗输浆管。

  搅拌桩顶部1米,应重复喷浆;桩底0.5米内,应减慢速度,保证有足够的喷浆量;为保证桩端施工质量,当浆液达到出浆口后,应喷浆座底30s,使浆液完全充满桩端,这个对保证工程质量尤其重要。

  5.3.4应控制施工机具的平整度,保证施工中的稳定性,不发生倾斜和移动,机架和钻杆的倾斜度应≤1.0%,施工中应采用吊锤观测钻杆的倾斜度,并对倾斜的钻杆进行调整。

  控制对中误差≤20mm。

  5.3.5制备好的泥浆应不得离析,并控制停置时间≤2h。

  5.3.6应控制搅拌机的下沉和提升速度≤1.0m/min。

  5.3.7定期检查桨叶的尺寸,钻头直径损耗≤1cm。

  5.3.8对桩长采用电流和长度双控的原则进行,保证工程质量,确保水泥搅拌桩进入持力层足够的深度。

  6、水泥搅拌桩施工观测、检测要求

  水泥搅拌桩施工完,应进行N10检测、抽芯试验、单桩载荷试验、复合地基载荷试验。并应进行沉降观测。

  6.1成桩龄期7d内用轻便触探器进行N10检测,监测频率为10%总桩数。

  6.2成桩28d后进行抽芯、单桩以及复合地基承载力监测,该试验需剔除桩头0.5米。

  6.2.1按照1%频率进行抽芯试验,对重点部位以及持怀疑的桩进行重点抽测。

  6.2.2进行单桩、复合地基承载力的检测。

  6.3道路每100米,进行道路断面的沉降观测。每断面设置三个沉降观测点。

  应控制推算的工后沉降量小于设计容许值,并连续两个月观测的沉降值≤5mm/月,方可进行下道工序的施工。

  7、 施工中质量控制

  7.1建立完善的施工质量保证体系;并根据试桩结果、质量体系要求确定合理的施工技术方案,供现场人员操作。

  7.2按照施工工艺要求进行施工,并建立完整的施工技术档案。

  7.3坚持第三方全过程监理、旁站。并执行工程质量见证取样和送检制度的实施。

  8、结语

  在已处理软基段,通过以上的设计以及技术控制,再对路基路面的观测以及对沉降观测结果的分析表明,水泥搅拌桩对该段路基的处理是成功的。
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