论文部分内容阅读
【摘要】文章对道路地质情况和软土地基物理力学特点 ,阐述水泥深层搅拌桩在高等级道路软基处理中的设计、施工,在城市道路软基加固中的运用。
【关键词】高等级道路;水泥深层搅拌桩;软基处理;质量控制
Shallow talk the cement in the road soft Ji processing deep mix blend a stake of design and construction
Luo Feng
(The Guangdong hat living the limited company of the civil engineering techniqueGuangzhouGuangdong511400)
【Abstract】Article to road geology circumstance and soft soil foundation physics mechanics characteristics, elaborate cement deep mix blend the stake is in the Gao the soft Ji processing of the grade road of design, construction, in the city road soft Ji reinforce of usage.
【Key words】Gao grade road;The cement is deep to mix blend a stake;Soft Ji processing;Quality control
某市中心区公路, 沿线穿越的地貌单元为园缓低丘陵和冲海积平原,地形稍有起伏,高程为1.14~8.15米。且经铁路、北渠、水稻田积水区(水深为0.2~0.6米)、多处有池塘(水深为0.8~3.0米)。该道路为该市最宽的市政道路,60米宽,八车道,施工工期短,根据实际情况决定采用水泥搅拌桩进行地基处理,并在桩顶设置 50cm土工格栅加筋砂石垫层。下面主要对该路段水泥搅拌桩的设计、施工及检测控制作一系统的阐述,以供同行参考。
1. 工程地质条件
①根据钻探揭露,该段地质由上自下依次为:人工填土层:依次为耕植土、素填土、杂填土,总厚度一般为0.50~6.50m,呈灰色、松散状,稍湿,成分由粘粒、粉粒、砂砾、建筑垃圾、砖块及碎石组成。近期回填,欠固结。
②粉质粘土:灰黄色,可塑~硬塑,稍湿,厚度1.7~6.3m。中等韧性,切面稍光滑,坡积形成。
③淤泥:深灰色,饱和,流塑,厚度1.3~9.1m。韧性高,无摇振反应,较光滑,海积成因。
④粗砂:浅灰、灰黄色,饱和,松散~中密,厚度0~1.9m。颗粒级配不均匀,分选性较差,冲积形成。
⑤粉质粘土:灰黄色,可塑~硬塑,稍湿,厚度0.5~5.3m。中等韧性,切面稍光滑,冲洪积形成。
⑥粗砂:浅灰、灰黄色,饱和,松散~中密,厚度0.4~3.8m。颗粒级配不均匀,分选性较差,少量粘性土,冲洪积形成。
⑦残积砾质粘土层:灰黄色、浅黄色,可塑~硬塑,稍湿,厚度1.8~16.1m。为花岗岩风化残积而成。
⑧全风化花岗岩:灰黄色、灰白色,坚硬,稍湿,厚度0~4.1m。
⑨砂土状强风化花岗岩:灰黄色、灰白色,厚度1.2m(未揭穿)。
2. 软基加固原理与设计计算
水泥深层搅拌法是采用专用深层拌和机械,将预先制备好的水泥浆等固化剂注入软土中,并与软土就地强制搅拌均匀形成拌和土,利用水泥的水化及其与土粒的化学反应获得强度,而使地基得到加固的方法。
2.1承载力设计。
(1)桩长:根据该场区地质条件及类似工程的成功经验,路基下的搅拌桩平均桩长以穿过软弱土层进入下卧持力层(残积砾质粘土层)1米为准。这里以该市政道路设计,设计桩长10.0m为例。
(2)桩径:d=0.50m。
(3)容许侧摩阻力:取 f=20KPa;
(4)单桩承载力:深层水泥搅拌桩的单桩承载力有两种确定方法,即由侧摩阻力所提供的承载力和由桩体强度所提供的承载力,取其中较小值作为单桩容许承载力。
一方面,由侧摩阻力所提供的单桩承载力为:
Rk1=πdlf=3.14×0.50×10.0×20=315.00KN
其中,桩端反力作为安全储备。
另一方面,若水泥掺合量为α=15%,水灰比0.50,对水泥土28d龄期时搅拌桩的单轴抗压强度(无侧限)Qu>1.35MPa,则由桩体强度所提供的承载力为:
Rk2=ηquAp=0.3×1600×0.237=113.76KN
式中:η——qu的折减系数,η=0.25~0.33,此处取 η=0.3;
Ap——桩体截面积,取0.19635m2。
由于RP1> RP2,所以取单桩容许承载力为 RP=RP2=113.76KN。
(5)复合地基承载力:深层搅拌桩复合地基承载力fspk为
fspk=RKAP +β(1-m) fsk
式中: m——桩的置换率;
fsk——天然地基承载力,按地质报告,取 fsk =200KPa;
β——fsk的折减系数,表示桩间土参与相互作用的程度,β=0~1.0,此处取β =0.9。
由此可见,在桩长一定的情况下,复合地基承载力 fspk取决于置换率m的大小。在满足承载力要求的前提下,应变化置换率的大小,使之适应沉降平稳过渡的要求。
根据地质资料,该段路基中,取 m=0.10,将有关参数代人式中得
fspk=210.00KPa>113.76KPa
即复合地基承载力满足基底分布压力的要求。
(6)桩距:实际桩距应根据上部结构荷载的分布确定。计算平均桩距为
dɑvɑ=(APm)12=(0.19635/0.1)0.5=1.4m
2.2沉降校核。
复合地基的总沉降s分为桩群体压缩变形s1和桩端下卧层的沉降变形s2,s= s1+s2。
(1)桩群体压缩变形s1
s1=(pz+pz1)12ESP
Esp=mEp+(1-m)Es
式中pz ——搅拌桩复合土层顶面的附加压力值(KPa);
pz1——搅拌桩复合土层底面的附加压力值(KPa);
ESP——搅拌桩复合土层的压缩模量(KPa);
Ep——搅拌桩桩体的压缩模量,可取(100~200) fcu(KPa),对较短的桩或桩身强度较低者可取低值,反之可取高值(KPa);
ES——桩间土的压缩模量(KPa);
l——搅拌桩桩长(m)。
对龄期为90d的搅拌桩,可取 Ep=100 qu=1.6×105KPa;根据地质报告,该场区土体的平均压缩模量可取 Es=4.345MPa=4.345×103KPa。因此,计算可知,Esp =19910.5KPa。
将所算得的 pz、pz1 、 ESP等代人式中求得桩群体压缩变形 S1=82.87mm。
(2)桩端下卧层的沉降变形S2
按分层总和法计算桩端下卧层的沉降变形S2。
经过计算分析,该基础中各处的S2 在52.3~112.6mm之间,S2平均为82.45mm。因而,该基础的最大沉降量为 Smax=183.5.0mm<300mm;平均沉降量为S平均=142.5mm。
综合考虑新旧路面沉降差要求,路基水泥搅拌桩桩间距取为1.5米。
3. 施工控制
3. 1施工前准备工作。
施工前在现场取有代表性土样,进行室内配合比试验,由于施工工期紧,设计要求桩身的7d抗压强度不小于 413KPa,水灰比 0. 4～0. 5之间经试配 7d强度达到 610KPa。由于本段软基土体的物理力学性质偏差较大,为了确保桩身质量,开工前根据地质剖面图进行分段分区进行试桩。因该场地有多处池塘,这些地方已先行抽水和清淤,回填土并予以压实处理。
通过试桩,确定采用四搅四喷的施工工艺,钻机的钻进、提升速度控制在 0. 5～0. 8m /mim为了保证地面以下 0. 5～1. 0m范围内加固土的密实程度及桩头水泥均匀性,搅拌头提升至地面原地喷浆 10～15S,并适当加大喷浆压力。
3. 2施工过程中的质量监控。
根据本工程搅拌桩数量大,工期紧,地质复杂的特点,实际施工按试桩时分区分段确定的桩长,并根据施工时桩机电流表变化,确定进入持力层情况,做好施工记录。现场监理在现场记录搅拌机进尺深度,严格控制好水泥浆液密度,经常检查喷头和输浆管以防堵塞。每根桩施工时间不少于40min。
3. 3施工质量控制总结。
结合试桩获得的技术参数和专题会中专家的意见,大面积施工前和施工过程中应重点控制好以下几点:
(1)用品质优良的水泥品种,原则上采用旋窖水泥,为了使搅拌桩质量得到保证,水泥品牌应相对固定,若需更换,必须先进行试验,以分析确定水泥品种与地下水和有机质的固结效果。
(2)外掺剂的选配,考虑外掺剂是否会对强度造成影响,与水泥是否搭配,与地下水质和有机质是否起很好的化学固结作用。
(3)水泥掺入量,应通过试桩确定,原则是既合理又能满足设计强度要求。如本工程原设计 50cm桩径水泥掺量 15%,不小于 55Kg/m,经试桩确定,水泥用量按 65Kg/m控制,效果理想,且控制在 15%掺入量范围内。
(4)施工工艺控制,通过试桩掌握相关的工艺参数和工艺流程,如水泥浆液量与钻进、提升速度、喷浆压力等,另外最重要是控制好桩身土体的有效均匀环切和搅拌,达到桩身搅拌和水泥浆含量均匀的目的。
(5)大面积施工前,对试桩获得的成熟工艺及参数向施工班组进行详细的技术交底。应尽可能采用熟练的施工操作手,且人员要固定,不能随意更换,如实作好相关施工记录。
(6)对原材料需加强检验,水泥搅拌桩属露天作业,线路长,流动性大,水泥应采用经标定的计量称计量,不能按包数计量,需防潮防雨,且存放不超过三周。
4. 质量检测
4. 1轻型触探。
在成桩 3d后,采用轻型触探仪进行检测, N10贯入 30cm锤击数大于等于 20击,作为判断水泥土早期强度的合格标准,并通过试桩现场检测,与 28d抽芯结果比较,表明桩身强度是满足设计要求的。此方法操作简单,有利于尽早判断桩身强度,从而为后序施工提供保障,是监理和施工单位常采用的检测和施工控制的方法。本工程要求施工单位按照20%的检测频率进行控制。
4. 2静载试验。
单桩复合地基承载力检测频率为 5‰～10‰,结合本工程实际,经采用慢速维持荷载法和快速维持荷载法,单桩竖向承载力均大于 200KN,满足设计要求。还进行了水泥搅拌桩复合地基载荷板测试,最大测试荷载均为346KN/m2,测试均未达到极限承载状态。
4. 3抽芯检验。
采用 J-50型钻机,开孔用 110口径钻头,下部采用 90钻头钻进取芯,根据相关规范的要求,经触探和载荷试验检验后对桩身质量有怀疑时,应在成桩28天后,用双管单动取样器钻取芯样作抗压强度检验,检验数量为施工总桩数的5‰,通过抽出芯样的长度与施工记录进行比较,确定桩长偏差。由于本工程触探和载荷试验效果良好,仅对试打桩部分进行取芯,根据桩身 28d抽芯芯样无侧限抗压强度大于 1.35MPa,作为判定桩身强度合格标准。经实际抽芯检测,桩长偏差、桩身强度均满足设计要求。
5. 结论
水泥搅拌桩处理软土地基能有效地使桩、土体形成复合地基,大大降低了桩间土的应力,提高了地基的强度和承载力。实施过程中必须结合工程的实际地质条件与经验数据,通过试桩对设计参数进行验证和必要的修正,大面积施工的质量监控是水泥搅拌桩处理软基成败的关键,检测则是作为一种对设计、施工质量的评定手段。
参考文献
[1]《地基处理技术》郑俊杰编著2004-9-1华中科技大学出版社
[2]《建筑地基处理技术规范》GB50007-2002
[3]《地基处理技术发展与展望》龚晓南编著2004-10-01 中国水利水电出版社
[文章编号]1006-7619(2010)03-08-138
[作者简介]罗枫(1978.9.11-),男 ,硕士,2002年6月毕业于长沙交通学院土木工程专业,2009年1月毕业于华南理工大学道路工程专业,现从事道路桥梁施工管理工作。
【关键词】高等级道路;水泥深层搅拌桩;软基处理;质量控制
Shallow talk the cement in the road soft Ji processing deep mix blend a stake of design and construction
Luo Feng
(The Guangdong hat living the limited company of the civil engineering techniqueGuangzhouGuangdong511400)
【Abstract】Article to road geology circumstance and soft soil foundation physics mechanics characteristics, elaborate cement deep mix blend the stake is in the Gao the soft Ji processing of the grade road of design, construction, in the city road soft Ji reinforce of usage.
【Key words】Gao grade road;The cement is deep to mix blend a stake;Soft Ji processing;Quality control
某市中心区公路, 沿线穿越的地貌单元为园缓低丘陵和冲海积平原,地形稍有起伏,高程为1.14~8.15米。且经铁路、北渠、水稻田积水区(水深为0.2~0.6米)、多处有池塘(水深为0.8~3.0米)。该道路为该市最宽的市政道路,60米宽,八车道,施工工期短,根据实际情况决定采用水泥搅拌桩进行地基处理,并在桩顶设置 50cm土工格栅加筋砂石垫层。下面主要对该路段水泥搅拌桩的设计、施工及检测控制作一系统的阐述,以供同行参考。
1. 工程地质条件
①根据钻探揭露,该段地质由上自下依次为:人工填土层:依次为耕植土、素填土、杂填土,总厚度一般为0.50~6.50m,呈灰色、松散状,稍湿,成分由粘粒、粉粒、砂砾、建筑垃圾、砖块及碎石组成。近期回填,欠固结。
②粉质粘土:灰黄色,可塑~硬塑,稍湿,厚度1.7~6.3m。中等韧性,切面稍光滑,坡积形成。
③淤泥:深灰色,饱和,流塑,厚度1.3~9.1m。韧性高,无摇振反应,较光滑,海积成因。
④粗砂:浅灰、灰黄色,饱和,松散~中密,厚度0~1.9m。颗粒级配不均匀,分选性较差,冲积形成。
⑤粉质粘土:灰黄色,可塑~硬塑,稍湿,厚度0.5~5.3m。中等韧性,切面稍光滑,冲洪积形成。
⑥粗砂:浅灰、灰黄色,饱和,松散~中密,厚度0.4~3.8m。颗粒级配不均匀,分选性较差,少量粘性土,冲洪积形成。
⑦残积砾质粘土层:灰黄色、浅黄色,可塑~硬塑,稍湿,厚度1.8~16.1m。为花岗岩风化残积而成。
⑧全风化花岗岩:灰黄色、灰白色,坚硬,稍湿,厚度0~4.1m。
⑨砂土状强风化花岗岩:灰黄色、灰白色,厚度1.2m(未揭穿)。
2. 软基加固原理与设计计算
水泥深层搅拌法是采用专用深层拌和机械,将预先制备好的水泥浆等固化剂注入软土中,并与软土就地强制搅拌均匀形成拌和土,利用水泥的水化及其与土粒的化学反应获得强度,而使地基得到加固的方法。
2.1承载力设计。
(1)桩长:根据该场区地质条件及类似工程的成功经验,路基下的搅拌桩平均桩长以穿过软弱土层进入下卧持力层(残积砾质粘土层)1米为准。这里以该市政道路设计,设计桩长10.0m为例。
(2)桩径:d=0.50m。
(3)容许侧摩阻力:取 f=20KPa;
(4)单桩承载力:深层水泥搅拌桩的单桩承载力有两种确定方法,即由侧摩阻力所提供的承载力和由桩体强度所提供的承载力,取其中较小值作为单桩容许承载力。
一方面,由侧摩阻力所提供的单桩承载力为:
Rk1=πdlf=3.14×0.50×10.0×20=315.00KN
其中,桩端反力作为安全储备。
另一方面,若水泥掺合量为α=15%,水灰比0.50,对水泥土28d龄期时搅拌桩的单轴抗压强度(无侧限)Qu>1.35MPa,则由桩体强度所提供的承载力为:
Rk2=ηquAp=0.3×1600×0.237=113.76KN
式中:η——qu的折减系数,η=0.25~0.33,此处取 η=0.3;
Ap——桩体截面积,取0.19635m2。
由于RP1> RP2,所以取单桩容许承载力为 RP=RP2=113.76KN。
(5)复合地基承载力:深层搅拌桩复合地基承载力fspk为
fspk=RKAP +β(1-m) fsk
式中: m——桩的置换率;
fsk——天然地基承载力,按地质报告,取 fsk =200KPa;
β——fsk的折减系数,表示桩间土参与相互作用的程度,β=0~1.0,此处取β =0.9。
由此可见,在桩长一定的情况下,复合地基承载力 fspk取决于置换率m的大小。在满足承载力要求的前提下,应变化置换率的大小,使之适应沉降平稳过渡的要求。
根据地质资料,该段路基中,取 m=0.10,将有关参数代人式中得
fspk=210.00KPa>113.76KPa
即复合地基承载力满足基底分布压力的要求。
(6)桩距:实际桩距应根据上部结构荷载的分布确定。计算平均桩距为
dɑvɑ=(APm)12=(0.19635/0.1)0.5=1.4m
2.2沉降校核。
复合地基的总沉降s分为桩群体压缩变形s1和桩端下卧层的沉降变形s2,s= s1+s2。
(1)桩群体压缩变形s1
s1=(pz+pz1)12ESP
Esp=mEp+(1-m)Es
式中pz ——搅拌桩复合土层顶面的附加压力值(KPa);
pz1——搅拌桩复合土层底面的附加压力值(KPa);
ESP——搅拌桩复合土层的压缩模量(KPa);
Ep——搅拌桩桩体的压缩模量,可取(100~200) fcu(KPa),对较短的桩或桩身强度较低者可取低值,反之可取高值(KPa);
ES——桩间土的压缩模量(KPa);
l——搅拌桩桩长(m)。
对龄期为90d的搅拌桩,可取 Ep=100 qu=1.6×105KPa;根据地质报告,该场区土体的平均压缩模量可取 Es=4.345MPa=4.345×103KPa。因此,计算可知,Esp =19910.5KPa。
将所算得的 pz、pz1 、 ESP等代人式中求得桩群体压缩变形 S1=82.87mm。
(2)桩端下卧层的沉降变形S2
按分层总和法计算桩端下卧层的沉降变形S2。
经过计算分析,该基础中各处的S2 在52.3~112.6mm之间,S2平均为82.45mm。因而,该基础的最大沉降量为 Smax=183.5.0mm<300mm;平均沉降量为S平均=142.5mm。
综合考虑新旧路面沉降差要求,路基水泥搅拌桩桩间距取为1.5米。
3. 施工控制
3. 1施工前准备工作。
施工前在现场取有代表性土样,进行室内配合比试验,由于施工工期紧,设计要求桩身的7d抗压强度不小于 413KPa,水灰比 0. 4～0. 5之间经试配 7d强度达到 610KPa。由于本段软基土体的物理力学性质偏差较大,为了确保桩身质量,开工前根据地质剖面图进行分段分区进行试桩。因该场地有多处池塘,这些地方已先行抽水和清淤,回填土并予以压实处理。
通过试桩,确定采用四搅四喷的施工工艺,钻机的钻进、提升速度控制在 0. 5～0. 8m /mim为了保证地面以下 0. 5～1. 0m范围内加固土的密实程度及桩头水泥均匀性,搅拌头提升至地面原地喷浆 10～15S,并适当加大喷浆压力。
3. 2施工过程中的质量监控。
根据本工程搅拌桩数量大,工期紧,地质复杂的特点,实际施工按试桩时分区分段确定的桩长,并根据施工时桩机电流表变化,确定进入持力层情况,做好施工记录。现场监理在现场记录搅拌机进尺深度,严格控制好水泥浆液密度,经常检查喷头和输浆管以防堵塞。每根桩施工时间不少于40min。
3. 3施工质量控制总结。
结合试桩获得的技术参数和专题会中专家的意见,大面积施工前和施工过程中应重点控制好以下几点:
(1)用品质优良的水泥品种,原则上采用旋窖水泥,为了使搅拌桩质量得到保证,水泥品牌应相对固定,若需更换,必须先进行试验,以分析确定水泥品种与地下水和有机质的固结效果。
(2)外掺剂的选配,考虑外掺剂是否会对强度造成影响,与水泥是否搭配,与地下水质和有机质是否起很好的化学固结作用。
(3)水泥掺入量,应通过试桩确定,原则是既合理又能满足设计强度要求。如本工程原设计 50cm桩径水泥掺量 15%,不小于 55Kg/m,经试桩确定,水泥用量按 65Kg/m控制,效果理想,且控制在 15%掺入量范围内。
(4)施工工艺控制,通过试桩掌握相关的工艺参数和工艺流程,如水泥浆液量与钻进、提升速度、喷浆压力等,另外最重要是控制好桩身土体的有效均匀环切和搅拌,达到桩身搅拌和水泥浆含量均匀的目的。
(5)大面积施工前,对试桩获得的成熟工艺及参数向施工班组进行详细的技术交底。应尽可能采用熟练的施工操作手,且人员要固定,不能随意更换,如实作好相关施工记录。
(6)对原材料需加强检验,水泥搅拌桩属露天作业,线路长,流动性大,水泥应采用经标定的计量称计量,不能按包数计量,需防潮防雨,且存放不超过三周。
4. 质量检测
4. 1轻型触探。
在成桩 3d后,采用轻型触探仪进行检测, N10贯入 30cm锤击数大于等于 20击,作为判断水泥土早期强度的合格标准,并通过试桩现场检测,与 28d抽芯结果比较,表明桩身强度是满足设计要求的。此方法操作简单,有利于尽早判断桩身强度,从而为后序施工提供保障,是监理和施工单位常采用的检测和施工控制的方法。本工程要求施工单位按照20%的检测频率进行控制。
4. 2静载试验。
单桩复合地基承载力检测频率为 5‰～10‰,结合本工程实际,经采用慢速维持荷载法和快速维持荷载法,单桩竖向承载力均大于 200KN,满足设计要求。还进行了水泥搅拌桩复合地基载荷板测试,最大测试荷载均为346KN/m2,测试均未达到极限承载状态。
4. 3抽芯检验。
采用 J-50型钻机,开孔用 110口径钻头,下部采用 90钻头钻进取芯,根据相关规范的要求,经触探和载荷试验检验后对桩身质量有怀疑时,应在成桩28天后,用双管单动取样器钻取芯样作抗压强度检验,检验数量为施工总桩数的5‰,通过抽出芯样的长度与施工记录进行比较,确定桩长偏差。由于本工程触探和载荷试验效果良好,仅对试打桩部分进行取芯,根据桩身 28d抽芯芯样无侧限抗压强度大于 1.35MPa,作为判定桩身强度合格标准。经实际抽芯检测,桩长偏差、桩身强度均满足设计要求。
5. 结论
水泥搅拌桩处理软土地基能有效地使桩、土体形成复合地基,大大降低了桩间土的应力,提高了地基的强度和承载力。实施过程中必须结合工程的实际地质条件与经验数据,通过试桩对设计参数进行验证和必要的修正,大面积施工的质量监控是水泥搅拌桩处理软基成败的关键,检测则是作为一种对设计、施工质量的评定手段。
参考文献
[1]《地基处理技术》郑俊杰编著2004-9-1华中科技大学出版社
[2]《建筑地基处理技术规范》GB50007-2002
[3]《地基处理技术发展与展望》龚晓南编著2004-10-01 中国水利水电出版社
[文章编号]1006-7619(2010)03-08-138
[作者简介]罗枫(1978.9.11-),男 ,硕士,2002年6月毕业于长沙交通学院土木工程专业,2009年1月毕业于华南理工大学道路工程专业,现从事道路桥梁施工管理工作。