无锡市梅梁湖泵站工程软弱地基处理水泥搅拌桩施工参数的确定及优化.docx

无锡市梅梁湖泵站工程软弱地基处理水泥搅拌桩施工参数的确定及优化
2011年第3期江苏水利
无锡市梅梁湖泵站工程软弱地基处理
水泥搅拌桩施工参数的确定及优化
0引言
淤泥及淤泥质土的主要特性:①
天然含水率高于液限.孑L隙比大(淤
泥孑L隙比大于1.5,淤泥质土孑L隙比
为l～1.5);②常处于流动状态,具有
触变性.
在水利工程建设中淤泥及淤泥
质土视为软弱地基,不宜作为天然地
基.在该类土质条件下进行建筑时必
须要采取加固措施.
水泥搅拌桩加固地基适用于处
理淤泥,淤泥质土,粉土,粉质粘土,
砂土,地基承载力不大的粘性土和粉
性土等软弱或不良地基.其原理是通
过深层搅拌机械,在地基深处将土和
水泥就地强制搅拌均匀,利用水泥的
固化性,改善土体的性能,从而达到
提高地基承载力的目的.影响水泥土
加固地基质量的因素很多,如:土的
物理力学性能,原材料的质量,施工
工艺流程等,但在施工过程中水泥掺
量,水灰比等具体的施工参数更为重
要,认识并控制这些因素有利于控制
T程质量和提高工程效益.
1工程概况,地质条件及设计要求
1.1工程概况
梅梁湖泵站工程位于无锡市区
以西的太湖风景区,地处梅梁湖,梁
溪河与五里湖的交界处,西侧紧靠犊
山水利枢纽梁溪河控制闸和船闸,南
侧为五里湖控制闸,北侧为环湖公
路.梅梁湖泵站一r程的主要作用是改
善梅梁湖,五里湖及无锡地区河道的
水环境,以期形成调水循环.梅梁湖
泵站工程中建筑物的地基处理主要
采用直径60cm,间距1.2m梅花状
布置的水泥土深层搅拌桩技术,对软
土地基进行处理.
1.2地质条件
地质勘探资料表明:场地区勘探
陈远兵苍波宋力
深度范围内所揭示的土层为冲一湖
冲,湖一沼积沉积层,深层搅拌桩涉
及的主要有以下几种土质:
④层:灰,灰黄,灰褐,黄灰色粉
质粘土,重粉质壤土,杂碎砖,石块
等,含植物根茎,为犊山枢纽工程施
工时弃土和鱼塘隔堤的人工堆土.土
质松软,层厚0.5～3.9m,工区较普遍
分布.
①层:深灰,灰色粉质粘土质淤
泥,淤泥质粉质粘土,含有机质,流塑
状态,高压缩性,力学强度较低.厚度
变化大,层厚0.3～5.9m,工区内广泛
分布.土体湿容重为1.69t/m,,承载
力为55kPa.
②层:灰,灰黄局部棕黄色粉质
粘土,重粉质壤土,可塑状态,中压缩
性,局部分布较薄处土质相对较软
些.层厚0.6～5.4in,工区内较广泛分
布.土体湿容重为1.97t/m3,承载力
为150kPa,详见表1.
1.3设计要求
梅梁湖泵站工程上,下游翼墙底
板,进出水渠挡墙底板,梅梁湖进水
闸,五里湖进水闸闸室,采用布设直
径60cm,间距120cm,呈梅花形布
置的水泥搅拌桩复合地基,桩长分别
为4m,5m和6m.设计要求见表2.
本工程水泥搅拌桩的设计中没
有给出水泥掺量,水灰比等具体的施
工参数,只给出了最终检测的控制指
标.因此,施工参数和工艺流程要通
过试验确定,优化.
2施工参数的优选
2.1水泥掺量
深层搅拌桩加固软土地基的效
果,很大程度上取决于水泥掺量的选
择,以及是否适合被加固的地质条
件.根据本工程的地质资料,先到施
工现场取土,按类似土质的参数值
进行室内配合比试验.试验掺量分
别为13%,15%,17%,试验报告成果
见表3.
在技术交底会上,建设,设计,监
理,施工单位认真分析,研究后达成
一
致意见,为确保基础工程的质量,
按15%和18%两种配比的水泥掺量
进行试桩.根据7d试验检测结果最
终确定后续施工的水泥掺量.
2.2水灰比
表1工程地质勘察综合成果表(部分)
含水率湿密度干密度饱和度液限塑限地基土标贯层号孔隙比
(%)(g/m)(g/m)(%)(%)(%)承载力(kPa)击数
④34.11.9O1.42O.9310044.122.1,2
①53.71.691.101.499942-221.7551
②28.31.971.540.789931.618.215013
表2设计承载力要求
设计无侧限抗压单桩复合地基
桩长(m)强度(MPa)承载力(kN)承载力(kPa)部位
梅梁湖,五里湖进出水闸基础,4≥1≥9O
.
48≥88.10梅梁湖泵站进出水渠挡墙基础
梅梁湖,五里湖进出水闸5
≥l≥107.44≥101.72翼墙基础
梅梁湖泵站上下游6
≥1≥124.40≥115-33翼墙基础
■冒瞄譬田
2011年第3期江苏水利
根据多年深层搅拌桩的施工经
验及试配结果,水灰比选用0.50.55,
考虑到水泥,水及施工气候,环境对
水灰比的影响,实际施工时采用0.5.
2.3单桩水泥用量
单桩水泥用量计算式如下:
G0=1T×D/4×LXR(1)
=Goxi(2)
G=G×i/e(3)
式中:
一
土体重量(t);
拌桩直径(m);
L—搅拌桩桩长(m);
R『_土的平均湿容重(t/m3);
G,-单桩水泥用量(t);
卜水泥掺量百分比;
G一单桩用水量(t);
i,c一水灰比.
计算结果见表4.
3试桩及施工准备工作
(1)根据计算结果进行试桩,15%
和18%掺量分别成桩两根,按照"四
搅两喷"的施工工艺施工.7d后检测
表明:15%掺量的桩不能满足设计要
求;18%掺量的桩基本能够满足要
求,但在后续的施工过程中对淤土层
要进行复搅,即要达到六搅,或改用
55kW高速电机搅拌.
(2)施工前标定深层搅拌机械的
灰浆泵输浆量,灰浆经输浆管到达搅
拌机喷浆口的时间和起吊设备提升
速度,并通过成桩试验确定搅拌桩的
施工工艺.
(3)依据设计图纸要求,确定搅
拌桩最终施工方案,做好现场平面布
置,安排施工供水,供电,合理布置水
泥制浆及泵送系统,保证操作人员通
视良好.
(4)按设计要求,进行现场测量
放样,定出搅拌桩桩位.
(5)现场布置安排制浆操作间,
制浆池,水泥储备间及供排水设施.
(6)安排好劳力组合,配备好各
工种人员.
(7)试打以确定喷浆压力,成桩
时间和修正实际施工水灰比.
4成桩效果
4.1抽芯试验
成桩后选择具有代表性的桩进
行抽芯试验,检验内容包括:桩长,桩
身水泥土搅拌均匀程度及其无侧限
抗压强度.
表3室内水泥土配合比成果表(部分)
试件试件尺寸水泥掺量龄期无侧限抗压强度
编号(mm)(%)水灰比(d)(MP
a)
rr^70.7x70.7130.570.85
70.7x70.7150.570.96
70.7x70.7l70.571.12●
表4单桩水泥用置表
桩长水泥掺量桩径水灰比土平均湿容重单桩水泥单桩
(m)(%)(cam)(thn)用量(ks)用水量(kg)
418600.51.83372.4186.2
518600.51.83465.4232.7
61860O.51.83558.5279.3
415600.51.83310.3155.1
5l5600.51.83387.9193.9
615600.51.83465.4232.7
从芯样外观上看,桩身水泥土搅
拌均匀,桩底持力层达到设计要求;
从所抽的桩中看,每根桩按从上到下
大致均匀分布;每根桩取1组(3块)
试样作抗压试验,从试验结果看,桩身
土抗压强度除有一块试样抗压强度为
0.9MPa外,其余均可满足设计要求,
桩身土抽芯试样抗压强度见表5.
ram~800mm,试验设计极限载荷为
150kN(115.33kPax2x0.64m),各桩
点试验结果见表6.
从试验结果看,虽然成桩龄期
32～57d,但各试验桩点复合地基承
载力基本值均≥150kPa,满足设计
要求.
5结语
表5钻芯取样成果表
桩长试样规格试样块数试样龄期抗压强度(MPa)桩号
(rn)(mm)(n)(d)最大值最小值平均值
724.073x733322.21.41.6
954.0中73x733302.31.11.5
2275.0中73x733353.11-41.8
2815.0中73x733382.81.01-3
3406.0中73x7333l2.10.91.4
3876.073x733352.71.11.2
表6复合地基承载力成果表
成桩龄期最大试验荷载总沉降量回弹量承载力基本值桩号
(d)(kN)(mm)(mm)(kPa)
3463515020.556.11152
38l4215O18_325.62164
45151150l5.434.69170
54957l5O14-274.48178
5663215026.497.6415O
8054015018.965.77160
注:(1)试验加载采用袋装砂堆提供反力,采用慢速分级荷载法加载;
(2)试验仪器采用RS-JYC桩基静载荷测试分析系统,全过程电脑测试与控制;
(3)取S/b=0.006所对应的荷载为复合地基承载力基本值.
4.2复合地基载荷试验
选取有代表性的桩位作单桩复
合地基静载荷检测,压板尺寸为800
深层搅拌桩介于刚性桩与柔性
桩之间,具有一定的压缩性,其加固
效果的影响因素较多,(下转第25页)
2011年第3期江苏水利
浆块不再承受相应的预应力钢筋张
拉力,张拉力传递给下一段砂浆块.
当套管内的下一个砂浆块对梁底混
凝土产生的拉应力大于混凝土的抗
托强度值时,则此梁底混凝土将产生
新的纵向裂缝,造成同一根失效套管
下纵向裂缝的不连续延伸现象.
四,裂缝对梁性能的影响
1.对梁的设计承载能力基本无
影响
先张法预应力梁的极限承载能
力设计时,在正,斜截面的竖向抗弯,
抗剪能力计算中,仅考虑计算截面
(区段)内的预应力钢筋的张拉力.梁
底混凝土纵向开裂后,并未减少各截
面(区段)的预应力钢筋张拉力值,对
正,斜截面的竖向抗弯,抗剪能力无
影响.
另外,梁底纵向裂缝出现后,套
管下方的底层混凝土由一个整体变
成数个分散小块,截面的剪力流发生
变化,梁的塑性抵抗扭矩减小,抗扭
承载能力下降;在同样未超过极限值
的扭矩作用下,将发生更大的扭转变
彤.由于梁底纵向裂缝的深度相对于
梁全截面高度较小,对梁的整体抗扭
性能影响也较小.如本桥中,设裂缝
深度为4.5cm,位于裂缝区的底层混
凝土抗扭性能忽略不计,开裂后的截
面抗扭塑性降低6.7%,但截面中的
抗扭纵筋和箍筋并未受影响,故梁的
整体抗扭性能仅下降了3%.
2.降低梁的耐久性
失效段漏浆产生梁底裂缝,而裂
缝又可以使空气直接进入底层混凝
土内部,使穿过裂缝层的梁底箍筋直
接暴露在空气中,导致箍筋锈蚀加
速,促使箍筋外侧的混凝土层开裂,
剥落,缩短梁的使用寿命.
同时,在设计中,预应力钢筋问
的横向水平净距要大于底层预应力
钢筋的保护层净距,梁底混凝土受砂
浆块的影响而全截面开裂后,裂缝可
沿套管与混凝土间的接触面向上延
伸,裂缝与相邻的非失效段预应力钢
筋的净距缩短,非失效段钢筋将首先
受到裂缝侧面碳化层影响,导致梁的
使用寿命小于设计要求.本桥中,梁
底层非失效段预应力钢筋的竖向保
护层净距为45—15.2/2=37.4mm;钢
筋与同层相邻失效段套管的水平净
距为(50—24/2—15.2/2)=30.4mm,其
中24mm为失效段塑料套管的外径;
当考虑施工偏差时,非失效段钢绞线
与邻近套管的净距会更小.
五,裂缝的修补探讨
套管下梁底纵向裂缝的修补应
考虑两个条件:一是预应力钢筋能正
常伸缩,不致于再产生新的粘结;二
是新老混凝土结合良好,不致于出现
收缩或应力裂缝.失效套管下的梁底
混凝土层一般较薄,在本工程中仅有
33mm,凿除换填法:由于新增加的薄
层混凝土性能与原混凝土相差较大,
粘结不牢固等原因无法参与正常的
抗压,抗拉工作,影响了整梁的工作
性能;缝内注浆法:不具有可操作性.
所以常用的凿除换填法,缝内注浆法
等修补混凝土裂缝的办法不适用于
梁底纵向裂缝修补.为此,可采用表
面修补法处理.
对裂缝不再发展且缝宽较小的
梁底,可在裂缝表面铺设薄膜材料
(如环氧类树脂或树脂浸渍玻璃布).
(上接第22页)特别是在承载力很低
的淤泥及淤泥质土中,要达到较好的
处理效果,通过本工程的设计与施丁
参数的优选,应注意以下几个方面:
5.1桩长
增加桩长和桩身强度可以提高
单桩承载力,但桩周边土体与桩身土
体的性能差异对复合地基承载力有
一
定影响.这种差异越大,增加桩长
和桩身强度对提高复合地基承载力
的效果越小.桩加长后长细比增大,
也会减弱单桩承载力.因此,纯粹从
增加桩长或提高水泥掺量角度来达
施工时先将混凝土表面用钢丝刷打
毛,用清水洗净干燥,再将裂缝用油
灰状树脂填平,然后在其上铺设薄膜
材料.薄膜材料韧性较小,若混凝土
裂缝还处在发展过程中,修补后的薄
膜仍会出现新的裂缝.
对缝宽较大的梁底,可用改性环
氧树脂粘结剂将钢板粘结到混凝土
裂缝表面,使钢板与混凝土连接成整
体共同工作.粘结前,钢板表面应喷
砂处理,清除表面污物,锈皮,混凝土
表面应刷净,干燥,粘结层厚度一般
为3mm.外露的钢板表面应进行防
腐处理,如:喷锌或刷富锌漆.
梁底纵向裂缝的表面修补,仅是
为防止梁底混凝土耐久性能降低,还
不能有效阻止裂缝发展和在其它漏
浆处产生新的裂缝.因此,应在预应
力梁的正常最大受力状态下探寻梁
底的全部纵向裂缝,争取一次性修补
完毕.
六,结语
先张法预应钢筋失效段套管下
梁底产生裂缝的主要原因是失效段
套管破裂导致砂浆进入管内.要防止
套管破裂:一要采用强度高,韧性大
的管材;二要保证混凝土震动器不得
直接冲击套管;三要保证预应力钢筋
位置准确.由于管材选用及施工不当
导致梁底产生裂缝,属施工技术错
误,对工程质量的影响具有成批性,
同一批号的梁甚至可能全部产生裂
缝.因此,要注意失效段套管的选用,
最好采用钢质套管,在设计和施工规
范中也应明确套管选材,施工方法.
(作者单位:南通市通州区水利
局工程管理所226300)
到处理软土地基目的意义不大.
5.2面积置换率
从复合地基承载力计算公式可
看出,面积置换率越高,则复合地基
承载力越高.淤泥及淤泥质土软弱地
基本身性能较差,要想达到桩与土复
合地基的良好效果,应尽量提高面积
置换率,通过密集布桩形成桩土复合
体,从而提高其承载力.
53桩身均匀性
桩身水泥浆喷射并搅拌均匀对
提高软基加固效果起较大的作用,在
淤泥或淤泥质土中尤为重要,不但施
丁人员要有良好的素质,施工设备还
要适应.本工程选择使用55kW高速
电机驱动,施工过程中严格控制钻杆
下沉及提升搅拌速度,大大超过规范
中"加固范围内土体任一点的水泥土
每遍经过20次的拌和"的要求,保证
水泥土的搅拌均匀性,充分发挥水泥
的固化作用,从而提高桩身的强度和
复合地基承载力.
(作者单位:江苏省水利建设工
程有限公司宿迁市新沂河调度工
程管理处江苏省水利科学研究院
材料结构研究室)
■肾嘲豳一臣