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【摘要】介绍水泥搅拌桩作用机理和加固形式,结合工程实例,根据该路段的工程地质报告与处理方式,对该方法在软基处理中所起到的效果作了阐明,表明该方法具有广阔的应用前景。
【关键词】水泥搅拌桩 复合地基 应用实践
1.前言。水泥搅拌桩是利用水泥或水泥系材料作为固化剂,通过特别的深层搅拌机械,在地基深处就地将原位土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌,利用固化剂和其它掺和料与土之间产生一系列的物理-化学反应,使软土硬结成水泥土圆柱体,桩周土得到部分改善,组成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土体。水泥加固土与天然地基共同作用形成复合地基,共同承担上部建筑物的荷载。其具有设备简单,施工方便,噪音小、无振动、工期短,投资少且不污染环境,对相邻建筑物无不利影响的特點,对软土厚度大、含水量高、孔隙比大、力学强度低的地基有较好的加固效果,近年来被广泛的运用于工程实践。
2.水泥土的加固机理。水泥(或水泥浆)与软(粉)土采用机械搅拌加固的机理是基于水泥加固土(简称水泥土)的物理化学反应过程。由于水泥的掺量很小(仅占被加固土重的7%～15%),水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质——土的围绕下进行的,所以硬化速度缓慢且作用复杂,因此水泥加固土强度增长的过程比混凝土缓慢。
普通硅酸盐水泥主要是由CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3等成分组成。用水泥加固软土时,水泥颗粒表面的矿物与土中水产生水化反应和水解作用首先生成氢氧化钙Ca(OH)2,和含水硅酸钙(CaO•2SiO2•nH2O)。两者能迅速溶解于水,逐渐使土中水饱和和形成胶体,另一方面使水泥颗粒表面重新露出,再与土中水发生作用形成水化物。当水泥的各种水化物和胶体溶液形成后,按下面途径继续反应形成水泥土:
①水泥水化物中的一部分自身继续硬化,形成早期水泥土的骨架。
②水泥水化物及其溶液与活性粘土颗粒发生反应(如粘上矿物表面所带的Na+和K+与水化物Ca(OH)2中的Ca+进行当量吸附交换)形成上团粒后又进而结合成团粒结构,同时进一步凝聚反应形成水稳水化物,并在空气中逐渐硬化。
③随着水泥水化反应的深入,Ca(OH)2的碱活性作用和矿渣水泥水化作用又生成水化物。最终形成水泥与土颗粒相互连结成难以分辨的致密空间网络结构,使水泥土具有足够的强度和水稳性,达到了加固目的。
3.搅拌桩的加固形式。搅拌桩的布置型式对处理效果影响较大,一般根据工程地质特点和上部结构要求可采用柱状、壁状、格栅状以及长短桩相结合等不同处理形式。
3.1柱状处理形式。当表层及桩端土质较好,需处理局部饱和软粘土夹层时,采用柱状处理形式可充分利用桩身材料强度与桩周摩阻力。
3.2 壁状和格栅状处理形式。在深厚软土层或土层分布很不均匀的场地,对于上部建筑长高比大、刚度小、易产生不均匀沉降的长条状住宅楼,采用壁状和格栅状处理形式可以有效地克服不均匀沉降。
3.3 长短桩相结合的处理形式。当地质条件复杂,同一建筑物坐落在两类不同性质的地基土上时,采用长短桩相结合的处理形式可以调整沉降量和节省材料降低造价。
3.4 块状。上部结构单位面积荷载大,对不均匀下沉控制严格的构筑物地基进行加固时可采用这种布桩形式。
4.工程实例。
4.1 工程概况。温溪路龙景立交至龙华段城市化公路改造工程,起于核龙线与清平高速公路相交的龙景立交,沿线穿过坂田、民治、龙华、大浪四个街道,沿途有较多的工厂和居民区,终点与龙大高速公路相接,道路全长9.11公里。目前为双向六车道的一级公路,需改造成双向8车道的城市主干道,并设人行道、非机动车道、绿化带,配备市政管线并完善全线交通标志标线、安全设施等附属设施。
4.2 工程地质。地层岩性自上而下为:①第四系人工填土层(Qml);②第四系植物层(Qpd);③第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl);④第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl)Ⅰ、淤泥质粘土Ⅱ、砾砂;⑤第四系中、上更新统坡残积层(Q3-2dl+el);⑥第四系中更新统残积层(Q2el);⑦燕山期侵入岩(γ53)Ⅰ、全风化层Ⅱ、强风化层Ⅲ、中等风化层。
4.3 水泥搅拌桩应用。
工程对于软弱土层埋深大于2.5米的路段,采用水泥搅拌桩处理。水泥搅拌桩按正三角形布桩,桩间距为1.2m,搅拌桩直径50cm,水泥搅拌桩要保证穿透软弱土层,进入持力层不少于1m。第一排桩从旧路基外1m处开始,人行道范围仅设置两排桩。砂垫层选用含泥量<5%的清洁中粗砂,砂垫层的四侧及底部应铺设反滤土工布,砂垫层顶部应铺设防水土工布。采用φ50钢筋砼管将水引至雨水井中,设置间距同雨水井间距,钢筋砼管于砂垫层端口处应外包反滤土工布。搅拌桩法处理段与翻填换填处理交接段设置过渡段,过渡段设在搅拌桩法处理段内,采用桩长渐变的方式处理。施工前需进行区段试桩,试桩成功后方可大面积施工。
4.4 应用分析。考虑到温溪路两侧已普遍开发,为避免施工对道路两侧房屋安全产生不利影响,尽量降低对居民生活的影响,软基处治采用水泥搅拌桩。由于且表层及桩端土质较好,故选用柱状处理形式。道路人行道与行车道受不同荷载的影响,参考普遍做法及成功经验,经过验算,进行布桩。由于项目,中粗砂等粒状材料组成的散体垫层保证桩与土共用承担荷载、调整桩与桩间土之间竖向荷载的分担比例,使得水泥土搅拌桩与桩间土能够受力变形协调。通过土工布防水及钢筋砼管横向排水,可迅速排出地下水,保证路基的稳定。保证施工工艺和成桩效果,施工前进行试桩,保证了工程质量。
5.结语。水泥搅拌桩加固软土地基,具有独特的经济与技术优势,在温州地区的软土地基加固和支护工程中得到了广泛的应用。温溪路龙景立交至龙华段城市化公路改造工程路基分项部分现已完工近一年时间,经过一年时间的路基沉降观测,未发现路基有明显沉降现象,该分项竣工验收时,各项指标均达到优良工程的标准。采用水泥土搅拌桩处理温溪路软土地基取得了令人满意的成效。
参考文献
1 叶观宝.地基加固新技术[M].北京:机械工业出版社,2002: 124～125
2 吴永立.水泥搅拌桩的力学分析及在公路工程中应用的探讨[D].河海大学硕士论文.2007
【关键词】水泥搅拌桩 复合地基 应用实践
1.前言。水泥搅拌桩是利用水泥或水泥系材料作为固化剂,通过特别的深层搅拌机械,在地基深处就地将原位土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌,利用固化剂和其它掺和料与土之间产生一系列的物理-化学反应,使软土硬结成水泥土圆柱体,桩周土得到部分改善,组成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土体。水泥加固土与天然地基共同作用形成复合地基,共同承担上部建筑物的荷载。其具有设备简单,施工方便,噪音小、无振动、工期短,投资少且不污染环境,对相邻建筑物无不利影响的特點,对软土厚度大、含水量高、孔隙比大、力学强度低的地基有较好的加固效果,近年来被广泛的运用于工程实践。
2.水泥土的加固机理。水泥(或水泥浆)与软(粉)土采用机械搅拌加固的机理是基于水泥加固土(简称水泥土)的物理化学反应过程。由于水泥的掺量很小(仅占被加固土重的7%～15%),水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质——土的围绕下进行的,所以硬化速度缓慢且作用复杂,因此水泥加固土强度增长的过程比混凝土缓慢。
普通硅酸盐水泥主要是由CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3等成分组成。用水泥加固软土时,水泥颗粒表面的矿物与土中水产生水化反应和水解作用首先生成氢氧化钙Ca(OH)2,和含水硅酸钙(CaO•2SiO2•nH2O)。两者能迅速溶解于水,逐渐使土中水饱和和形成胶体,另一方面使水泥颗粒表面重新露出,再与土中水发生作用形成水化物。当水泥的各种水化物和胶体溶液形成后,按下面途径继续反应形成水泥土:
①水泥水化物中的一部分自身继续硬化,形成早期水泥土的骨架。
②水泥水化物及其溶液与活性粘土颗粒发生反应(如粘上矿物表面所带的Na+和K+与水化物Ca(OH)2中的Ca+进行当量吸附交换)形成上团粒后又进而结合成团粒结构,同时进一步凝聚反应形成水稳水化物,并在空气中逐渐硬化。
③随着水泥水化反应的深入,Ca(OH)2的碱活性作用和矿渣水泥水化作用又生成水化物。最终形成水泥与土颗粒相互连结成难以分辨的致密空间网络结构,使水泥土具有足够的强度和水稳性,达到了加固目的。
3.搅拌桩的加固形式。搅拌桩的布置型式对处理效果影响较大,一般根据工程地质特点和上部结构要求可采用柱状、壁状、格栅状以及长短桩相结合等不同处理形式。
3.1柱状处理形式。当表层及桩端土质较好,需处理局部饱和软粘土夹层时,采用柱状处理形式可充分利用桩身材料强度与桩周摩阻力。
3.2 壁状和格栅状处理形式。在深厚软土层或土层分布很不均匀的场地,对于上部建筑长高比大、刚度小、易产生不均匀沉降的长条状住宅楼,采用壁状和格栅状处理形式可以有效地克服不均匀沉降。
3.3 长短桩相结合的处理形式。当地质条件复杂,同一建筑物坐落在两类不同性质的地基土上时,采用长短桩相结合的处理形式可以调整沉降量和节省材料降低造价。
3.4 块状。上部结构单位面积荷载大,对不均匀下沉控制严格的构筑物地基进行加固时可采用这种布桩形式。
4.工程实例。
4.1 工程概况。温溪路龙景立交至龙华段城市化公路改造工程,起于核龙线与清平高速公路相交的龙景立交,沿线穿过坂田、民治、龙华、大浪四个街道,沿途有较多的工厂和居民区,终点与龙大高速公路相接,道路全长9.11公里。目前为双向六车道的一级公路,需改造成双向8车道的城市主干道,并设人行道、非机动车道、绿化带,配备市政管线并完善全线交通标志标线、安全设施等附属设施。
4.2 工程地质。地层岩性自上而下为:①第四系人工填土层(Qml);②第四系植物层(Qpd);③第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl);④第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl)Ⅰ、淤泥质粘土Ⅱ、砾砂;⑤第四系中、上更新统坡残积层(Q3-2dl+el);⑥第四系中更新统残积层(Q2el);⑦燕山期侵入岩(γ53)Ⅰ、全风化层Ⅱ、强风化层Ⅲ、中等风化层。
4.3 水泥搅拌桩应用。
工程对于软弱土层埋深大于2.5米的路段,采用水泥搅拌桩处理。水泥搅拌桩按正三角形布桩,桩间距为1.2m,搅拌桩直径50cm,水泥搅拌桩要保证穿透软弱土层,进入持力层不少于1m。第一排桩从旧路基外1m处开始,人行道范围仅设置两排桩。砂垫层选用含泥量<5%的清洁中粗砂,砂垫层的四侧及底部应铺设反滤土工布,砂垫层顶部应铺设防水土工布。采用φ50钢筋砼管将水引至雨水井中,设置间距同雨水井间距,钢筋砼管于砂垫层端口处应外包反滤土工布。搅拌桩法处理段与翻填换填处理交接段设置过渡段,过渡段设在搅拌桩法处理段内,采用桩长渐变的方式处理。施工前需进行区段试桩,试桩成功后方可大面积施工。
4.4 应用分析。考虑到温溪路两侧已普遍开发,为避免施工对道路两侧房屋安全产生不利影响,尽量降低对居民生活的影响,软基处治采用水泥搅拌桩。由于且表层及桩端土质较好,故选用柱状处理形式。道路人行道与行车道受不同荷载的影响,参考普遍做法及成功经验,经过验算,进行布桩。由于项目,中粗砂等粒状材料组成的散体垫层保证桩与土共用承担荷载、调整桩与桩间土之间竖向荷载的分担比例,使得水泥土搅拌桩与桩间土能够受力变形协调。通过土工布防水及钢筋砼管横向排水,可迅速排出地下水,保证路基的稳定。保证施工工艺和成桩效果,施工前进行试桩,保证了工程质量。
5.结语。水泥搅拌桩加固软土地基,具有独特的经济与技术优势,在温州地区的软土地基加固和支护工程中得到了广泛的应用。温溪路龙景立交至龙华段城市化公路改造工程路基分项部分现已完工近一年时间,经过一年时间的路基沉降观测,未发现路基有明显沉降现象,该分项竣工验收时,各项指标均达到优良工程的标准。采用水泥土搅拌桩处理温溪路软土地基取得了令人满意的成效。
参考文献
1 叶观宝.地基加固新技术[M].北京:机械工业出版社,2002: 124～125
2 吴永立.水泥搅拌桩的力学分析及在公路工程中应用的探讨[D].河海大学硕士论文.2007