水泥粉喷桩在高速公路软土地基处理中的应用.doc

水泥粉喷桩在高速公路软土地基处理中的应用黄和平1 罗利芳2 杜鹏广3（1江西省交通科学研究院 南昌 330038）(2 江西公路开发总公司 南昌 330008)(3 江西省公路桥梁工程局 南昌 330008) 摘 要：本文结合利用水泥粉喷桩处理国道主干线南昌绕城公路乐化至温家圳段高速公路软土地基的施工实际，介绍了水泥粉喷桩处理软土地基的原理、特点、适用范围、施工、质量检验与控制，说明水泥粉喷桩是保证高速公路软土地基的稳定、减少地基沉降及加快施工进度等的一种行之有效方法。关键词：道路工程；水泥粉喷桩；处理；软土地基；应用0 前 言在高速公路建设过程中，软土地基处理是否成功是保证工程建设质量的关键因素。目前通常采用：垫层及浅层自治、反压护道、粉喷桩、浆喷桩、挤密碎石桩、塑料排水板、土工合成材料加筋、等（超）载预压等处理方法对天然软土地基进行补强或加固处理，保证路基稳定，减少路基沉降以及加快施工进度。然而每一种处理软土地基技术都有其各自的适用范围和局限性，因此在利用不同的技术时，必须根据不同的工程地质状况，合理地选择一种或几种技术对软土地基进行加固处理，使路基满足强度、变形和稳定性要求。本文结合国道主干线南昌绕城公路乐化至温家圳段高速公路K22+970-K24+000段利用水泥粉喷桩处理软土地基的实际情况，说明水泥粉喷桩是保证高速公路软土地基的稳定、减少地基沉降及加快施工进度等的一种行之有效方法。1 工程概况本工程路线主要位于1个地貌单元，赣江西支至终点为赣抚冲积平原，地形平坦开阔，区内水系发育，湖泊、水塘众多，主要有赣江西、中、南支及瑶湖、老抚河等。 K22+970-K24+000路段位于乐温高速公路A7标，地表覆盖层为第四系全新统的冲积（Q4al）层，具有明显的二元结构，上部粘土层一般为黄褐色、灰褐色的低液限粉土、低液限粘土层，湿、软塑，厚度一般为2m-6m，局部达到8m，经土样试验和检测，其物理和力学性能指标如下：含水量（W）=35.2%-68.8%孔隙比（e）=1.139-1.650塑性指数（IP）=11.2-36液性指数（Il）=1.006-1.823压缩系数（a1-2）=0.41-1.69MPa压缩模量（ES）=1.69-5.0MPa凝聚力（C）=0.2-13.3KPa内摩擦角（）=3.9-11.1水平方向固结系数（Ch）=（0.34-3.16）10-3cm2/s以上物理力学指标表明，该土层地基属于不良软弱地基，其承载力基本值较小仅为30kPa -60kPa，它具有高压缩性，承载能力低，透水性差，对路基危害大，不宜作为持力层。根据相关规范和标准要求，本工程水泥粉喷桩设计桩径为50cm，间距1.5m，按梅花型布置，桩长以穿透软、流塑层进入硬塑层不少于50cm为原则，通常为6m-12m，水泥（32.5级普通硅酸盐水泥）为干粉。根据地基含水量的大小，采用水泥喷入量为45 kg/m-60kg/m。含水量在40%以下时，水泥用量为45kg/m；含水量在40%-60%之间，水泥用量为50kg/m；含水量在60%-70%之间，水泥用量为55 kg/m；含水量70%时，水泥用量为60kg/m。设计要求桩体28天无侧限抗压强度1.2MPa。本工程自2003年12月开始施工，软土地基处理于2004年5月结束。2 水泥粉喷桩处理软土地基2.1原理水泥粉喷桩处理软土地基，是以水泥作为固化剂，将水泥用机械拌入软粘土中，当水泥拌入软粘土遇到土中的水，即发水化和水解反应。水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生离子交换、团粒化作用、硬凝反应和碳酸化反应，生成新的化合物，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体，并与桩间土共同作用组成复合地基。经过处理后的土体压缩性明显减小，抗侧向变形能力有所提高，从而提高桩土的强度，因此要求有一定的水泥喷入量。而随着土质与施工条件的差异，掺入比提高与桩土强度增加的百分比是不完全一致的。当掺入比5时水泥与土的反应过弱，固化程度偏低，强度就不能满足设计要求，因而在实际工程中水泥掺入软土中，吸收周围水分，并经过一系列物理化学作用生成一种特殊的具有较高强度、较好变形特征的复合地基，只有当水泥掺入比5才能取得处治的效果。它对提高软土地基承载能力、减少地基的沉降量及保证桥头高填土路基稳定性具有明显的效果。2.2特点水泥粉喷桩与其他处理软土地基的方法相比较，具有以下特点：1、由于该方法是以水泥作为加固料，不需向地基另加水分，可以充分地吸收地下水，因此加固后的地基柱体承载力与相类似的浆喷柱相比要高，其固结效果要好；2、该方法加固水泥土柱与周围土体形成复合地基，不需要预压即可获得较高的复合地基承载力及复合变形模量，加固土柱体的压缩量仅为0.6%左右，下卧层的沉降量一般情况下也能减少地基沉降总量的1/3至2/3；3、施工时低压操作，安全可靠，无污染，无振动，无噪声，对周围环境及建筑物无不良影响；4、本方法可以根据不同土质条件及设计要求，分别选择其合理的配合比。2.3适用范围水泥粉喷桩适用于淤泥质土、粘性土、粉土、杂填土等天然含水量在35-70的软土地基。在喷粉量相同时，其强度随土的天然含水量的降低而增大。大量试验证明，地基土的含水量在50-85范围内变化时，含水量每降低10，强度可提高30以上。据研究表明水泥粉喷桩对含有多水高岭石、蒙脱石等松土矿物的软土，效果较好，对含有氯化物和水铝英石等粘土矿物的粘性土、有机质含量高、pH值低的粘土加固效果较差。3 水泥粉喷桩的施工3.1施工准备3.1.1准备施工资料 水泥粉喷桩施工前应准备下列施工技术资料：施工场地的工程地质报告，土工试验报告，室内配比试验报告，水泥粉喷桩设计桩位图，原地面高程数据表，加固深度与水泥桩顶面高程以及测量资料等。3.1.2场地平整、清除障碍 如场地低洼，应回填粘性土；施工场地不能满足机械行走要求时，应铺设砂土或碎石垫层。若地表过软，则应采取防止机械失稳措施。3.1.3施工机具准备 进行机械组装和试运转。3.1.4工艺 水泥粉喷桩的施工工艺应根据设计要求的配合比和实测的各项施工参数通过试桩来确定。试桩一般为根，通过试桩来确定满足设计喷入量的各种技术参数，如钻进速度、提升速度、搅拌速度、喷气压力、单位时间喷粉量；确定搅拌的均匀性；掌握下钻和提升的阻力情况，选择合理的技术措施；根据地层、地质情况确定覆喷范围等内容。3.1.5水泥 水泥粉喷桩所用的水泥(32.5级普通硅酸盐水泥)应符合设计要求，并有产品合格证，并经室内检验合格才能使用，严禁使用受潮、结块变质的水泥作为加固料。3.2施工工艺流程3.2.1水泥粉喷桩施工可按图流程进行图1 粉喷桩施工工艺流程3.2.2操作步骤为 1、深层搅拌机械就位；2、预搅下沉(至设计标高)；3、搅拌提升，同时喷干水泥粉至地面以下0.5m处(设计桩顶)；4、在桩上部的3m-5m长范围内重复搅拌一次(1/3-1/2)桩长、桩上部强度要求较高；5、重复搅拌提升，直到离地面下0.5m，上部回填5%灰土(或水泥土)并压实；6、关闭搅拌机械移位至下一桩位。3.3施工注意事项3.3.1控制 控制钻机下钻深度、喷粉高程及停灰面，确保水泥粉喷桩长度。3.3.2严禁 严禁使用没有粉体计量装置的喷粉机。3.3.3定时检查 定时检查粉喷桩的成桩直径及搅拌均匀程度。对使用的钻头定期复核检查，其直径磨耗量不得大于2cm。3.3.4停止喷粉 当钻头提升至地面以下0.5时，喷粉机应停止喷粉。3.3.5遇有故障 当喷粉成桩过程中遇有故障而停止喷粉，在第二次喷粉接桩时，其喷粉重叠长度1m。3.3.6专人记录 粉喷桩施工时，泵送水泥必须连续，水泥的用量以及泵送水泥的时间应有专人记录，其用量误差%。3.3.7垂直度 为保证搅拌机的垂直度，应检查起吊设备的平整度和导向架对地面的垂直度，每工作班检查次，使垂直度偏差不超过%。3.3.8符合施工工艺 搅拌机喷粉提升的速度和次数必须符合预定的施工工艺要求，搅拌机每次下沉或提升的时间应有专人记录，深度应达到设计要求，时间误差不得大于秒，施工前应丈量钻杆长度，并标上明显标志，以便掌握钻入深度，复搅深度。施工中出现问题应及时处理、做好记录。3.3.9储灰罐容量 储灰罐容量应一根桩的用灰量加50kg，如储量不足时，不得对下一根桩开钻施工。3.3.10水泥粉喷桩必须根据试验确定的技术参数进行施工 操作人员应如实记录压力、喷粉量、钻进速度、提升速度、钻入深度及每根桩的钻进时间等，监理人员应随时检查记录情况。4 质量检验与控制公路工程质量检验评定标准（第一册 土建工程）(JTG F80/1-2004)对粉喷桩的基本要求是：1、水泥应符合设计要求；2、根据成桩试验确定的技术参数进行施工；3、严格控制喷粉时间、停粉时间和水泥喷入量，确保粉喷桩长度；4、桩身上部范围内必须进行二次搅拌，确保桩身质量；5、发现喷粉量不足时，应整桩复打；6、喷粉中断时，复打重叠孔段应1m。实际检测项目应符合表1中的要求。表1 粉喷桩实测项目项次检查项目允许偏差检查方法和频率权值1桩距（mm）100抽查2%12桩径(mm)不小于设计抽查2%23桩长(m)不小于设计查施工记录34竖直度(%)1.5查施工记录15单桩喷粉量符合设计要求查施工记录36强度(MPa)不小于设计抽查5%3根据以上要求,通过对水泥粉喷桩按一定比例进行抽芯取样检测验证水泥粉喷桩的工程质量。从外观来看，呈浅灰青灰色，桩柱表面光滑圆顺、垂直，桩芯完整，固结性能良好；桩距、桩体竖直度均在允许偏差范围内；桩径、桩长、单桩喷粉量均符合设计要求；桩体试件28天后的无侧限抗压强度均大于设计强度1.2MPa，本分项工程为合格工程。5 结 语从我省已建和在建的高速公路来看，水泥粉喷桩处理软土地基是一种行之有效且广泛应用的方法，与其它软基处理相比，具有施工方便、工期短、工后沉降小（营运质量高）等显著优点，适用于淤泥质土、粘性土、粉土、杂填土等天然含水量在35-70的软土地基的处理。但是也存在着许多不足之处，从其设计方法及施工质量管理来看，技术难度比较大，如果掌握不好，极易出现偏差，且因其为隐蔽工程，易于留下隐患；对于天然含水量85的软土地段，使用此种软土地基其效果并不很理想；一般地段软土地基常含有机质和腐植质，对于有机质含量较高的软粘土，用粉喷桩加固后的强度一般较低；目前国内生产的粉喷桩机械处理层最深达17m，处理效果明显的应在15m以内；若粉喷桩未穿透软土层会造成未处理部分软土层的沉降量增加，沉降速度变慢。然而，只要以科学的态度，严格控制其设计方法及加强施工质量管理，就一定能得到满意的工程质量。参考文献：1 JTJ017-96,公路软土地基路堤设计与施工技术规范S2 JTG F80/1-2004,公路工程质量检验评定标准S.3 工程地质手册（第三版）Z.3.2.1水泥粉喷桩施工可按图流程进行 调平 空气压缩机送气放线、定位 钻孔对位 钻 进停灰、停气 喷灰、搅拌、提升 送灰机送灰转入下一循环 设计桩顶 成桩 设计孔深 复搅1/3桩长图1 粉喷桩施工工艺流程