粉喷桩处理软土路基的设计及施工工艺

2022-09-11

国内由铁道部第四勘测设计院于1983年初开始进行粉体喷射搅拌法加固软土的研究, 并于1984年在广东省云浮硫铁矿铁路专线上单孔4.5m跨盖板箱涵软土地基加固工程中使用, 后来相继在武昌和连云港用于下水道河槽挡土墙和铁路涵洞软土地基加固, 均获得良好效果。它为软土地基加固技术开拓了一种新的方法, 并在铁路、公路、市政工程、港口码头以及工业和民用建筑等软土地基加固方面推广使用。本文着重介绍了它的机理、设计和施工。

1 粉喷桩处理软土路基的作用机理

粉喷桩处理软土路基是用于加固饱和粘性土地基的一种新方法。它是利用水泥 (或石灰) 等材料作为固化剂, 通过特制的搅拌机械, 在地基深处就地将软土和固化剂 (粉体) 强制搅拌, 由固化剂和软土间所产生的一系列物理—化学反应, 使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土, 从而提高地基强度和增大变形模量。

2 粉喷桩加固地基

以填土地基承载力达到100kPa的设计要求为例, 按复合地基理论并结合以往施工经验, 确定粉喷桩施工具体参数。复合地基承载力的确定fspk=mRkd/AP+β (1-m) fsk式中:fspk为复合地基承载力标准值, 取150k Pa, m为面积置换, AP为桩的截面积, β为桩间天然地基土承载力标准值, fsk为桩间土承载力折减系数β=0.4, Rkd为单桩竖向承载力, 按工地试验室试配。以如下施工具体参数优为例, 桩位按正方形布置, 桩径为φ=5 0cm, 间距为a=1.5m, 桩长=l110m, l2=8m。垫层:桩顶施作砂垫层, 垫层层厚0.5m。

3 喷粉搅拌桩施工工艺

3.1 基本原理

喷粉搅拌桩的原理是通过水泥水解、水化反应所生成的水泥水化物与土颗粒发生离子交换、团粒化作用、碳酸化反应以及硬凝反应等一系列物理-化学作用, 形成有一定强度和稳定性的水泥加固土。水泥加固土的强度取决于被加固土的性质 (含水量、有机质含量及烧失量等) 和加固所使用的水泥品种、标号、掺入量以及外加剂等。加固土的抗压强度随着水泥掺入量的增加而增大, 其强度标准值宜取试块90d龄期的无侧限抗压强度, 一般可达500kPa~3000kPa。

3.2 施工机械选择

搅拌桩的机具设备包括PH—SA型喷粉搅拌桩机、空压机、翻拌车、起吊装置、储灰罐等配套以及各种控制仪表等。本方案采用PH—S A型深层搅拌机, 该机主要由电动机、减速器、搅拌部分、输浆部分、横向系板、导向滑块、外壳等组成。

4 粉喷桩关键施工

4.1 关键技术

关键技术是喷粉, 即将粉体成桩固化剂 (本工程为水泥干粉) 用压缩空气输送到钻头并射到土层中去。喷粉直接关系着成桩的质量。喷粉操作一般在喷气操作后进行, 其操作程序是:开通喷粉球阀和蝶阀、关闭喷气阀, 按下无级变速器电机启动按钮, 使旋转供料器运料到喷射管, 喷入土层。以上操作要求迅速连贯, 一气呵成。

4.2 操作方法

(1) 对正桩位, 调平桩机机身, 保证桩的垂直度, 启动主电机下钻, 待搅拌钻头接近地面时, 启动空压机送气, 继续钻进。钻到设计孔深时, 停止钻进, 钻头反转, 但不提升。实际工作中, 钻孔深度D由深度尺盘按D=H+a1+a2确定。其中H为设计加固深度;a1为搅拌钻头喷射口与地面齐平时深度尺盘的读数, 可事先调整为=0;a2为机身调平后, 桩机横移槽距地面的高度。

(2) 打开送料阀门, 关闭送气阀门, 喷送加固粉料。确认加固粉料已到桩机后, 提升搅拌钻头。为便于控制成桩质量, 一般不得使用Ⅲ档提升。提升到设计标高时, 停止喷粉。停止喷粉深度应结合搅拌提升的速度确定, 见表1。打开送气阀, 关闭送料阀, 但空压机不要停机, 搅拌钻头提升到桩顶时, 停止提升, 在原位转动2min, 以保证桩头均匀密实。

(3) 搅拌钻头在钻至设计桩底深度时进行第二次搅拌。将搅拌钻头提出地面, 停止主电机、空压机, 填写施工记录。

(4) 移动桩机到下一个桩位。

5.3 操作要点

(1) 机身调平以钻杆是否垂直为依据, 实际操作时在机身设置激光对中仪进行控制。钻头钻至设计深度, 应有一定的滞留时间, 以保证加固水泥干粉到达桩底, 一般在开工前通过观察确定滞留时间。当用30m送料管时, 滞留时间为2~4min。

(2) 粉喷或喷气时, 当气压达到0.45Mpa时, 管路可能堵塞, 此时应停止喷粉, 将钻头提升至地面, 切断空压机电源, 停止送气, 查明堵塞原因, 予以排除。整个制桩过程一定要保证边喷粉、边提升连续作业。在空气湿度大、粉体流动性差、喷气压力大、单位桩长喷粉量大时, 应开通灰罐进气球阀, 以对罐料加压。如出现断粉, 应及时补喷, 补喷重叠长度不能小于0.5m, 粉喷桩搅拌下沉时尽量不用水冲下沉。当遇较硬土层下沉太慢时, 方可适量冲水。采用水冲下沉时, 喷粉提升前, 必须将喷粉管内的水排净, 同时, 还应考虑冲水成桩时对桩强度的影响 (土层含水量增加10%, 水泥土的强度降低10%~15%。

(3) 桩顶设计标高与地面标高接近时, 地面以下1 m范围内喷粉、搅拌、提升宜用慢速, 当喷粉即将出地面时, 宜停止提升, 搅拌几秒, 以保证桩头均匀密实。

(4) 喷粉开始时, 应将电子秤显示屏归零, 使喷粉过程在电子计量显示下进行。喷粉搅拌时, 记录人员应随时观察电子秤的变化显示, 以保证各段 (通常以1m为一个单位) 喷粉均匀。

(5) 粉体固化剂入罐时必须过筛, 以保证入罐固化剂粒径最大不超过0.5m, 没有纸屑、石块等杂物。水泥采用425R普通硅酸盐水泥, 掺入比为1 5%。