深层水泥搅拌桩技术在软基处理中的应用

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  摘要:本文结合广东省道S366线(珠海大道一期)改建工程实例,总结了水泥搅拌桩的设计、方案比选、施工工艺、质量控制措施及工程效应。
  关键词:水泥搅拌桩;软弱地基;施工工艺;质量控制
  Abstract: In this paper, combined with the Guangdong Provincial Highway S366 line ( Zhuhai avenue a)reconstruction project, summarizes the design, cement mixing pile scheme selection, construction technology, quality control measures and engineering effect.
  Key words: cement mixing pile; soft ground; construction technology; quality control
  
  中图分类号:U415.6
  随着近年来市政道路工程的快速发展对地基强度、施工工期等要求越来越高,水泥搅拌桩作为地基处理新技术及应用也随之迅速发展起来,尤其是在南方地区应用较广。它是通过特制的深层搅拌机械在地层深部就地将软土和水泥强制搅拌,利用水泥等材料作为固化剂(浆液或粉体),在固化剂和软土之间产生一系列物理—化学反应,使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的符合使用要求的地基。
  珠海地区软土层分部范围比较广泛,地下水位比较高,这种方法适用于软弱地基的处理,对于淤泥质土、粉质粘土及饱和性土等软土地基的处理效果显著,特点是施工速度快处理后可以很快投入使用,在施工中无噪音、无振动,对环境无污染,节约投资。
  1. 工程概况
  1.1 工程简介
  珠海大道一期改造工程(南湾立交至珠海大桥段)辅道工程位于珠海市香洲区南屏镇,全长8010.681m,辅道宽12m,包括桥梁、分离式立交、人行通道、给排水、电缆沟、绿化、交通、安监、路灯、候车亭等工程。道路沿线基本处于滨海平原及其低丘陵过渡地带,淤泥、淤泥质粘土、砂类土等软弱层分布广,珠海大桥以东及附近区段第四系覆盖厚度大,淤泥、淤泥质粘土厚度较大会引起路基较大沉降。
  1.2 地质条件
  根据《省道S366线(珠海大道一期)改建工程南湾立交至珠海大桥段辅道工程工程地质详细勘察报告书》,道路沿线分布有0~28m厚软弱土层,其物理力学性质较差,无法满足本道路路基要求,需进行道路软土路基处理。其中主要为:①填土层:褐黄色、灰褐色,在行车道上钻孔BLK160~BLK166等钻孔,其中顶部30~40cm为现状路面结构,结构层一下为碎石、细砂、粗砾砂和花岗岩风化土等堆积。②海陆交互相沉积层:以淤泥为主的软弱土层,具有埋深浅、厚度变化较大含水量高,空隙比大层厚0~28m。③下伏的亚粘土层、粗砂层、残积土层厚0.5~17.7m。④全风化花岗岩、强风化花岗岩深度平均深度在15.9m~29.5m。
  2. 软基处理方案的选择
  该工程所在地沿线辅道两侧的建筑已建成一定的规模,离道路较近,基本为辅道设计红线处,地理条件为比较特殊地质,根据地质勘探报告全段62%软基处理深度在10m范围内,开挖换填土不但经济造价高,而且对道路两边的建筑物的使用安全也会造成不良影响,如采用砂石灌注桩—CFG桩其相对与水泥搅拌桩造价较高,一般每延米造价高十二元左右,且CFG桩适宜于更深层的软基处理一般在13m左右。结合本工程地区地质特点考虑经济、环境、工期等因素选择采用水泥搅拌桩进行软基处理。
  3.水泥搅拌桩加固软土地基技术原理与设计
  水泥搅拌桩加固软土地基技术的基本原理是:以水泥作为软弱地基土壤固化剂,采用深层搅拌机将水泥浆送到需加固的地基中,与欲加固土壤搅拌均匀,形成具有一定强度的水泥土桩,通过桩体与周边土壤共同作用,使水泥搅拌桩桩群区域形成具有整体性和具备足够强度的复合地基,以达到提高地基承載能力的目的。
  3.1水泥搅拌桩承载力计算方法
  可按照下列公式(2)(3)进行初步设计:
  fspk=mRa/Ap+β (1-m)fsk(1)
  式中fspk——复合地基承载力特征值(KN);
  m——面积置换率,桩的截面积除以设计要求每一根桩所承担的处理面积;
  Ra——单桩竖向承载力特征值(KN);
  Ap——桩的截面积(m2);
  fsk——桩间土天然地基承载力特征值(KPa);
  β——桩间土承载力折减系数,当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时,可去0.1~0.4,差值大时取低值;小于等于时,可去0.5~0.9,差值大时或设置褥垫层时均取高值。
  其中(2)
   (3)
  式中up——桩的周长(m);
  n——桩长范围内的土层数;
  qs——桩周第i层土的侧阻力特征值,淤泥可取4~7 KPa;淤泥质土可取6~12KPa;软塑状的黏性土可取10~15KPa;对可塑状的黏性土、稍密中粗砂可取12~8 KPa;对稍密粉土和稍密的粉细砂可取8~15 KPa;
  qp——桩端地基土未经修正的承载力特征值(KPa),按现行广东省标准《建筑地基基础设计规范》DBJ15—31有关规定取值;
  li——第i层土层的厚度(m);
  a——桩端天然地基土的承载力折减系数,可取0.6~0.8,承载力高时取低值;
  η——桩身水泥土强度折减系数,见下表1;
  ƒcu——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块(砂土和粉土采用边长150mm的立方体,其他土层采用边长为70.1mm立方体)在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值(KPa)。
  表1桩身水泥土强度折减系数η
  
  
  3.2水泥搅拌桩承载力计算结果(参考《建筑地基基础设计规范》BDJ 15-38-2005)
  由地质资料得知本工程淤泥层深度距地面在10m左右,结合计算方法(1)、(2) 、(3)得出:水泥搅拌桩直径:50mm;褥垫层材料为砂垫层厚度为0.4m,褥垫层中铺设一层双向拉伸土工格栅,设计桩身强度按90天龄期为1.2MPa,水泥搅拌桩单桩承载力设计为110KN,桩间距主要按等边三角形布置边长为1.5m。
  
  
  水泥搅拌桩平面布置图
  4.试桩及施工工艺流程
  4.1 现场工艺性试桩
  在施工前应该根据地质资料,选取典型地段钻探取样,进行室内配合比试验。水泥土的强度以28天试块强度为准,一般要求R28≥0.8MPa,R90≥1.2 MPa,根据室内配合比试验结果,施工前应该按照各种室内配合比进行工艺性试桩,且每种配合比不得少于两根。通过试桩,确定钻头进入硬土层电流变化程度;确定水泥浆液密度;确定适合的输浆泵的输浆量;掌握水泥浆泵到达搅拌机喷浆口的时间、搅拌桩机提升速度、复搅下沉、复搅提升速度等施工参数,具体参照表2
  
  
  4 .2施工过程
  施工工艺流程 场地平整→测量放线→钻机安装就位→对正桩位、调平机身→钻进同时喷浆至桩底标高-2.2m→提升搅拌机同时喷浆→提升至地面以下桩顶标高即1.7m,停止喷浆、搅拌数秒→重复搅拌下沉、喷浆→重复搅拌提升→至桩顶标高、停钻→打印、输出数据→移机。
  
  
  4.2.1 场地平整 施工前做好“三通一平”,清除地上地下一切障碍物(包括、树根和生活垃圾)。
  4.2.2 定位由技术测量人员按设计梅花形桩位通过轴线控制点逐个施放在现场,做好标记,搅拌桩机移到指定桩位。
  
  
  4.2.3 浆液配制根据室内土工试验强度确定的配合比严格控制水灰比,加水数量应经过事先核准的定量容器。水泥浆必须充分拌和均匀,使水泥浆搅拌机制浆时,每次投料后拌和时间不得少于3min,检测水泥浆液密度并记录。
  4.2.4 钻进、送浆将制备好的水泥浆经筛过滤后,倒入贮浆桶,开动灰浆泵,将浆液送至搅拌头。①钻进喷浆:开动灰浆泵,浆液从喷嘴喷出并具有一定的压力后,开始钻进搅拌,同时根据试桩结果调整灰浆泵压力档次,保证喷浆量满足要求。在钻进过程中应连续喷入水泥浆液。钻进至设计桩长或硬土层即持力层(电流发生明显变化),应原地喷浆搅拌30S。如局部位置在喷浆不足的情况时,应在反转提升的过程中进行补浆。②提升喷浆:钻进至持力层后,将搅拌头自桩端反转匀速提升搅拌,并连续喷入水泥浆液,直至桩顶标高,如局部位置存在喷浆量不足的情况时,应在复搅的过程中进行补浆。
  4.2.5 复搅钻头提升至桩顶标高,应立即反向钻进复搅、喷浆,复搅深度应为桩身全长;在复搅过程中,应对局部喷浆量不足的桩身部位进行补浆,并防止喷口堵塞。重复搅拌提升,直至桩顶标高。
  4.2.6 资料打印成桩后,在钻机移动前打印施工过程资料和成桩资料,严禁移机后补打资料。
  4.2.7 清理搅拌叶片上包裹的土块及喷浆口,桩机移机至另一桩位施工。
  5 质量控制措施
  5.1 为保证水泥搅拌桩桩身的垂直度,应保证起吊设备的平整度和导向架的垂直度,搅拌桩的垂直度偏差不得超过1.0%,桩位偏差不得大于5mm。
  5.2 严格控制钻机下钻深度、浆喷高程及停浆面,确保设计水泥搅拌桩长度,桩长不得短于设计桩长,每米用浆量误差不得大于5%。
  5.3 水泥浆液应按预定的配比拌制,加入缓凝剂防止初凝现象,保证每根桩所需浆液一次单独拌制完成,并应有专人记录每根桩的水泥用量。
  5.4 搅拌机每次下沉或提升的时间必须有专人记录,时间误差不得大于5s。
  5.5 供浆必须连续,拌和必须均匀,一旦因故停浆,应使搅拌钻头下沉至浆面以下0.5m,待恢复供浆后再喷浆提升,如因故停机超过3h,应先拆卸输浆管清洗后备用,此根未完成桩应采取补喷措施或重新打设。
  5.6 对输浆管要经常检查,不得泄漏及堵塞,管道长度不大于60m,对使用的钻头要定期检查,其直径磨耗量不得大于1厘米,但也不宜用直径过大的钻头(以不大于设计桩径30mm为宜,以免影响桩身成型质量)。
  5.7桩位施工顺序,在一个区域内,应先打设路基两侧及该处理段两头的桩,以形成一个封闭的区域,再逐渐往中心打设,有利于整体的成桩质量和软基处理效果。
  5.8 浆液储量应不少于一根桩的用量,否则不得进行下一根桩的施工。
  6. 施工质量检测及效果评价
  6.1质量检验方法及结果 本工程委托珠海市建设工程质量监督检测站对水泥桩施工质量进行检测,按照设计要求施工完毕90d后,进行成桩检测,检测报告编号:BBA2010BZH01-10028,检测方法有以下两种:
  6.1.1钻孔取芯参照广东省标准《建筑地基基础检测规范》(DBJ15-60-2008);国家标准《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001);行业标准《建筑地基处理技术规范》(JG-79-2002)有关规定执行。90d时对现场Yk11+825~Yk12+090里程段17根进行钻孔取样34组,芯样完整、手感硬、水泥分布均匀,抗压强度值为1.43~11.60 MPa满足设计1.2 MPa要求。
  6.1.2静载试验 单桩极限承载力为2倍特征值,经检测满足要求。
  6.2 效果评价 从检测结果可得,本合同段工程水泥搅拌桩桩体施工质量达到设计要求。处理后复合地基承载力均超过设计要求的承载力;从桩体完成施工到检测结束没有明显的沉降,很好的防止路基下沉,实践证明本合同段运用水泥搅拌桩处理软基是成功的。
  7 结语
  水泥搅拌桩作为一种软基的处理方法,既能缩短工期,又能节约投资、减少噪音、保护环境、施工安全,值得推广应用,但是在其应用过程中,要根据具体情况通过试验确定相应的施工参数,并且要注意由于地质的变化,导致处理效果不稳定的现象,所以在施工中需要不断总结经验。
  参考文献:
  [1]中华人民共和国国家标准.《岩土工程勘察规范》(GB.50021—2001)中国标准出版社.2001.
  [2]广东省标准.《建筑地基处理技术規范》(DBJ 15-38-2005)中国建筑工业出版社.2005.
  [3]中华人民共和国行业标准.《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)人民交通出版社.2004.
  [4]中华人民共和国行业标准.《粉体喷搅法加固软弱土层技术规范》(TB10113—95)中国铁道出版社.1995.
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