粉喷桩在市政道路软土地基加固中的应用

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  摘要:在道路建设过程中,经常会遇到软弱的地基或软厚的杂填土影响正常的施工,为此必须采取相关的软基加固措施。本文结合市政道路工程实例,就粉喷桩在市政道路软土地基加固中的应用进行探讨,详细介绍了有关粉喷桩处理软土地基的试验研究、施工工艺及施工质量监测控测,并提出一些施工中遇到问题的处理方法。
  关键词:粉喷桩;软土地基加固;施工工艺;质量检测;问题处理
  中图分类号:TU4 文献标识码:A 文章编号:
  粉喷桩加固软土地基技术是以粉体材料(石灰、水泥等)作为主要加固材料,其作用机理是通过用压缩空气将水泥输送到桩头,并以雾状喷入加固地基的土层中,借钻头叶片旋转,使其充分混合,形成水泥土桩体,与原地基构成复合地基,从而达到加固软弱地基的目的。虽然采用此技術加固软土地基具有成桩效率高、成本低、施工占地面积小等特点,但是在粉喷桩设计方面仍然存在着许多不足,因此,有必要对粉喷桩的施工工艺及技术方面进行研究,确保施工质量。
  1 工程概况
  某市政道工程属于软土路基,水位高,淤泥层较厚,路基加宽难度很大。采用何种软土路基处理方法,达到既能节省资金,又能保证路基工后沉降量最小、路基整体稳定性最优,是工程技术人员首先要考虑的问题。根据工程现场实际情况,借鉴其他公路的实践和研究,结合自身情况进行方案对比分析,确定采用粉喷桩的方法处理。
  2 地基处理设计方案
  该道路线全长15km。全线途径淤积区,是全线地质条件最差的地质地区之一,地形较为平坦,地下水位1.50~2.10m。属沼泽项的沉积环境,在表层之下,普遍发育着一层淤泥质亚粘土,该层为海相成因,于低能的水动力条件下沉积,其物理力学性质在纵横向上均有不同程度的变化。据钻孔取样及室内试验,地层在取样深度内自上而下分成四层。
  2.1 粉喷桩固化材料室内配方试验
  室内配方试验分为设计阶段及施工阶段,两者互相验证,缺一不可,特殊情况下对外渗剂亦应确定,直至达到设计要求后方可使用。室内配方试验包括如下内容:
  (1)地基土试验:天然含水量、界限含水量、塑性指数、密度、相对密度、颗粒分析、无侧限抗压强度、有机质含量、pH值等。
  (2)水泥加固料试验:将用于施工的水泥取回样品,进行有关标号、细度、标准稠度、初凝、终凝时间、安定性试验及水泥3d、28d龄期的抗折和抗压强度试验等。
  (3)水泥土试验:将取回的土样制成不同配比、不同龄期的水泥土试件进行恒温、恒湿养生,以备作抗压强度试验用。每一配比、每一龄期至少需要三组试件进行平行测定,养护结束后在实验室做不同龄期的无侧限抗压强度试验,根据试验结果提出合适的配比。土工试验结果详见表1。
  表1 土工试验结果
  
  2.2 设计方案
  粉喷桩桩径50cm,桩距1.75m,梅花形布置,喷灰量60kg/m,桩体穿过软弱层,进入亚粘土层,7d龄期无侧限抗压强度≮660kPa,桩身90d龄期无侧限抗压强度≮1500kPa,复合地基承载力为160kPa。
  3 施工工艺要求
  (1)用于粉喷桩的水泥为32.5#普通硅酸盐水泥。
  (2)选用的施工机具、设备应具有显示计量及速度档次的装置。在工程桩施工前必须通过室内配方试验的检验,并且根据地层、地质情况按设计配合比进行现场成桩工艺试验(可利用工程桩且不少于5根),以掌握对该场地的成桩工艺及多种技术参数,并经必要的检测和强度试验,以验证设计指导施工。选择的施工机具工艺参数见表2。
  表2 施工机具一般工艺参数
  
  (3)施工前应清除植表,清理地上和地下障碍物、杂填物等,对施工场地整平后再施工。场地低洼时应回填粘性土料,不得回填杂填土。场地整平标高宜比设计确定的桩顶高程高出50cm,保持湿润,以保证桩顶部的质量。
  (4)施工放样必须有可靠的水准点及控制桩,施工前应丈量钻杆的长度,并标上显著标志,以便掌握钻入、复搅深度,保证设计桩长,严格按照设计要求的桩径、桩距、桩长及水泥掺入量进行施工。
  (5)在施工过程中,技术人员要认真做好施工记录,并及时报送监理。施工记录包括:施工日期、桩号、天气情况;喷粉深度、停粉面标高;粉罐压力、管道压力;钻机转速、钻进速度、提升速度、气体流量;粉罐储粉量、粉体喷入量、剩余量;复搅段长度等。
  (6)气温低于-5℃时,应停止施工。
  (7)施工过程中,每一根桩开钻后应连续作业,严格控制喷粉标高和停粉标高,保证桩长和单桩水泥用量。
  (8)在成桩过程中如发现意外事故(如提升过快、送粉管道堵塞、断电、机械故障等)影响桩身质量时,应及时记录中断深度,在12h内采取补喷措施,补喷重叠长度不得<1.0m,否则应重新打设,新桩距报废桩的距离不得大于桩距的15%,并将事故原因和处理措施填报于施工记录内备查。
  (9)一般施工工艺流程:
  a.施工机具就位,开始钻进;
  b.空搅,达到设计要求深度,并原位搅拌1~2min;
  c.提升钻杆,在提升的同时喷粉,使之边喷粉,边旋转搅拌,边提升钻杆;
  d.当钻头提升到地面以下不足50cm时,送粉器停止喷射固化材料,并用压缩空气吹尽输送管道内的余粉;
  e.复搅,下钻重复搅拌。在桩顶以下不小于桩长范围内全程复搅,以提高固化材料与土的拌和均匀程度,并根据要求确定是否重复喷粉;
  f.钻机移位,开始钻下一根桩。
  (10)为确保粉喷桩施工安全和施工质量,喷粉和钻杆提升必须连续,钻杆提升速度和喷粉必须密切配合,合理选定喷粉压力和钻杆提升速度的档次,确保每米桩身水泥喷射量达到设计要求。
  (11)成桩后,应根据土壤温度和含水量高低,采取监理工程师批准的方法进行养生,必要时应加水养生,以促进桩体凝固提高强度。粉喷桩施工完毕至少需要一个月养生才能填筑路堤土。
  4 工艺性试桩
  根据一般施工参数,共打设5根试桩。根据试桩的结果,粉喷桩施工影响因素主要有以下几方面:
  (1)成桩下钻和提升速度;
  (2)灰罐压力和气流压力;
  (3)喷灰均匀程度;
  (4)钻头的类型和形状;
  (5)钻至硬层以后,提前喷灰(每台钻机应在开始之前,确定管道行程时间),间歇一定时间再提升钻具;
  (6)喷灰机喷灰必须具有计量装置,优先采用电子秤;
  (7)根据本段土层情况,全桩进行复搅;
  (8)复搅时发生空洞或由于意外事故严重时应予补桩;
  (9)先从路基一侧最外两排或三排桩环形施工,然后向中部推进。
  5 施工过程中的监理
  随着工艺性试桩工作的结束,监理工程师应立即要求承包人根据工程地质勘测报告和粉喷桩的设计、试桩资料编制施工组织设计,准备大面积施工,同时要求承包人建立完善的质量保证体系和措施,责任到人,使粉喷桩现场施工规范化。
  水泥喷粉桩施工过程现场监理是质量监理最主要和经常性的工作,对保证工程质量非常重要。因此,监理人员应对施工过程进行全过程旁站。
  施工前监理工程师应严格控制原材料质量,施工中旁站人员应该对现场清理、钻机、测量、钻进、喷粉、复搅等全过程严加监督,以保证桩身质量和强度。全部完工后进行验收和质量评定。
  6 现场施工质量检测
  (1)取芯检验
  施工28d后用钻孔方法连续钻取水泥土搅拌桩桩芯(全程钻取芯样),可检查桩体的强度和搅拌的均匀性,粉体喷射的连续性,同时选取不同位置的芯样制件做无侧限抗压强度试验。
  (2)静荷载试验
  施工28d后,通过静荷载试验确定单桩承载力。
  (3)小应变动测法检验粉喷桩质量
  a.用小应变动测法进行粉喷桩质量检测可以定性地检查粉喷桩的质量,结合现场钻孔取芯描述及标贯试验,缺陷判读位置与之基本吻合。
  b.小应变动测粉喷桩的正常波速范围在1400~1700m/s之间,远小于混凝土桩的波速。
  c.曲线形态平順,并位于基线以上,无明显同向反射波谷,桩的质量较好,属一类桩。
  d.波形的同相反射时差反映桩中缺陷(一般为夹泥层)的位置,波形的宽度和深度一般反映缺陷的严重程度,根据缺陷相对于施工桩长的位置大致判断桩的好坏程度类别。当有严重缺陷存在时,第二缺陷位置及桩底深度往往判断不准。
  e.测试方法应清除桩头浮土至硬质桩面,传感器安置牢靠正确、采用木棒等工具激振、采集真实波形是判读波形质量的基础,否则无法对粉喷桩的质量状况下结论。
  f.钻芯所用作业机械设备是无锡探矿总厂生产的GXY-1型机械钻机、φ130mm合金钻头、φ127mm岩芯管、标准贯入器等,每次钻进进尺1.0~1.5m,每次取芯后进行标准贯入试验,对成桩28d后的桩体进行取芯,抽检频率为1%,若检测到不良桩则增大抽检频率至2%。对桩身质量的评判则根据外观的检测,如钻取水泥粉喷桩芯样的完整性、含灰均匀性、取芯率、手感硬度、是否有水泥臭味,夹土层厚度、桩长与设计要求对比等,加上对试验数据的分析,综合评价水泥粉喷桩桩体质量。
  施工后,可设沉降板进行观测,沉降观测仪在每个断面设置三处,分别于路中和土路肩内。在路堤趾部、边沟外缘与外缘以远10m处设位移边桩。在路基填筑期,每填一层观测一次,两次填筑间隔时间较长,每3d观测一次,此后至路面施工完成这段时间内,每隔15d观测一次,每次观测需做好记录。
  7 现场问题处理
  粉喷桩工程属地下隐蔽工程,虽然处理路段都具有地质勘察的相关资料,但实际情况与设计资料不符的情况仍时有发生,另外,施工中由于人为因素较大,需控制的参数较多,因此施工过程中常会发生一些问题:
  (1)设计范围内未到达持力层
  粉喷桩应穿透软弱土层到达强度相对较高的硬土层或称持力层,并深入硬土层50cm,持力层深度除根据地质资料外,还应根据钻进电流表的读数变化来确定。当钻杆钻进时电流表的读数明显上升,表明已进入持力层。
  (2)施工过程中的夹层断桩问题
  粉喷桩施工过程中易出现夹层断桩的问题,其产生的原因主要有:储灰罐内的水泥喷完后没有察觉,钻杆继续提升搅拌,而喷粉已中断。对于产生的夹层断桩情况,要求承包人应在12h内采取补喷措施。补喷重叠长度应≮1.0m,特别困难时以电流表读数明显变化时为准,否则应重新打设,新桩距报废桩的距离不能大于设计桩的15%,并填报在施工记录中备查,所有接桩及补桩都必须报监理工程师认可。
  (3)施工过程中,桩身强度不均匀的情况也时有发生,其产生的原因主要有:钻杆提升速度不均;喷粉管路径微堵塞,造成气压不稳,灰流量时高时低,喷灰不均;遇局部松散软土,造成粉体流失,使桩体水泥含量不足;遇粘土搅拌不均匀。
  8 问题探讨
  (1)水泥用量
  粉喷桩加固处理软土地基是由粉喷桩基与桩间土形成的复合地基,它是利用粉喷桩与桩间土共同承载地面以上的荷载。因此,不能将粉喷桩看成桥梁桩基而一味增大水泥用量。这样,虽然粉喷桩的强度有所增强,但它忽略了土体的承载能力,造成资源和经济的浪费。
  (2)水泥喷入量
  在施工图设计文件中,一般要求粉喷桩的水泥要均匀喷入。但是,从复合地基的荷载应力分析来看,越往地基深处其应力值越小,因此,水泥喷入量并不应强求上下一致,而是在保证水泥喷入总量一定的条件下,采用上多下少的方式将水泥喷入。
  9 结语
  采用粉喷桩加固市政道路软土地基的施工难度虽然并不大,但是由于施工场地狭小,交通流量影响大,因此,在进行施工时,会遇到各种各样不同环境条件的制约。所以,要始终坚持技术标准,对施工过程进行全方位、全过程、全天候的严格管理,加强质量意识,防止质量事故,确保施工质量。
  参考文献
  [1] 曾祥万.粉喷桩加固软土地基的技术探讨[J].山西建筑.2007(27)
  [2] 李青峰.粉喷桩技术在建筑软土地基加固中的应用[J].城市建设理论研究.2011(22)
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