粉喷桩软基处理设计

地基处理的目的是针对软弱地基上建造结构物可能产生的问题, 采取人工的方法提高地基土的抗剪强度, 增大地基承载力, 改善地基土的压缩及渗透性能等, 随着科学技术的不断发展, 地基处理方法层出不穷, 功能不断扩大, 按作用机理可较笼统地分为以下几类:换土垫层法、挤密压实法、排水固结法、化学处理法以及加筋法、深层搅拌法 (粉喷桩与深搅桩) 等。相比之下, 由于粉喷桩具有施工周期及预压期短、工后沉降小、技术简单可行且经济合理的特点, 能有效地加固软弱地基, 减少软土层沉降和整体工程工后沉降, 提高软土层的承载力。

1 粉喷桩的作用原理

粉喷桩的工作原理是:通过不断回转的专用钻机的钻头, 向周围已被搅松的土中喷出粉体物质 (如水泥、石灰等) , 经叶片将粉体物质和原软土进行强制搅拌, 经过一系列的物理-化学反应后, 生成一种特殊的、具有较高强度、较好变形特性和水稳定性的混合体, 即粉喷桩。与其它软基处理方法相比, 粉喷桩加固深软土地基具有对地基及周围建筑物扰动小、施工速度快、施工周期短、劳动强度低、施工安全、操作简便、水泥和土形成的水泥土的整体性和稳定性好及成本低、效益高等特点, 从而决定在本路段的通道、涵洞及部分地段上采用粉喷桩加固技术对软土地基进行处理。

2 搅拌桩适宜的土质条件

搅拌桩是靠水泥 (石灰等) 与土之间发生一系列物理化学反应而形成强度的, 不同的土质会产生不同的加固效果, 粘土颗粒粒径小, 表面积大, 分散性大, 稳定性差, 容易和水泥、石灰发生反应, 并且粘土较小的渗透系数常使水泥搅拌桩含水量降低, 所以搅拌桩适宜处理软粘土地基。

3 工程概述

中央大道位于余姚市滨海产业园区, 是一条园区内东西走向的城市主干道, 设计等级为城市主干道二级, 道路路幅30m, 道路全长2970m, 其中桥梁一座。根据地质勘察资料和围涂工程的情况了解情况, 本工程范围内地质情况为软弱地基, 其中上部若干米为吹填土, 穿越区域软土层最厚达11m。若不做地基处理, 计算最大总沉降量达47.26cm, 为保证工期、满足工后沉降量的要求, 在软土较深、工后沉降较大路段采用粉喷桩处理。粉喷加固软弱土层的设计主要由单桩设计、复合地基设计及沉降计算三部分组成。

3.1 粉喷桩设计

粉喷桩桩径为50cm, 梅花形布置, 采用1.50m的桩间距。用于粉体喷射搅拌桩的水泥为干粉, 采用425号普通硅酸盐水泥或矿渣水泥。粉体喷射搅拌桩施工时必须穿透软土层进入硬层不小于0.5m。根据地基含水量的大小, 采用水泥喷入量为45kg/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55kg/m;含水量大于70%时, 水泥用量为60kg/m。

3.2 粉喷桩计算

3.2.1 单桩承载力计算

宜根据室内配方试验提供的桩身强度及地质报告提供的土层摩阻力按下列公式估算, 取其小值, 有条件时可通过单桩载荷试验验证。单桩承受力宜根据室内配方试

验提供的桩身强度及地质报告提供的土层摩阻力按下列公式估算, 取其小值, 有条件时可通过单桩载荷试验验证。

其中, [P]为单桩容许承载力, kN;PF为桩身强度, kPa;η为桩身强度折减系数, 可取0.3~0.4;Ap为桩的面积, m2;UP为桩的周长, m;f1为桩周围第i层土的容许摩阻力, 碳泥可取5kPa~8kPa, 粘性土可取12kPa~15kPa;l1为桩周围第i层土的厚度, m;α为桩尖天然地基土的承载力折减系数, 可取0.4~0.6;qp为桩尖天然地基土的承载力, kPa。单桩设计应使土对桩的支承力与桩身强度所确定的承载力相近, 并宜使后者略大于前者。

3.2.2 粉喷桩复合地基计算

取各种荷载组合情况下最大的基底平均应力 (98kPa) 作为复合地基要求达到的地基承载力, 根据下式计算粉喷桩的面积置换率:fspk=m·Aa/Ap+β (1-m) fsk

式中:fspk为复合地基的承载力特征值, kPa;m为面积置换率;Rα为单桩竖向承载力特征值, kN;Ap为桩的截面积, m2;fsk为桩间天然地基土承载力特征值, kPa;β为桩间土承载力折减系数, 当桩端土为软土时, 可取0.5~0.9, 当桩端土为硬土时, 可取0.1~0.4, 当不考虑桩间软土的作用时, 可取零。

根据下式计算粉喷桩的总桩数:

式中:n为总桩数;A为基础底面积, m2。

3.2.3 复合地基沉降计算

粉喷桩复合地基变形s包括粉喷桩复合土层的压缩变形s1和桩端下未加固土层的压缩变形s2, 即s=s1+s2。

粉喷桩复合土层的压缩变形s1按下式计算:

式中:pz为搅拌桩复合土层顶面的附加压力值, kPa;pzl为搅拌桩复合土层底面的附加压力值, kPa;l为实际桩长, m;Esp为搅拌桩复合土层压缩模量, kPa;Ep为搅拌桩的压缩模量, 可取 (100~120) fcu, kPa;Es为桩间土的压缩模量, kPa。

4 结语

粉喷桩可以完全改变软土的性质, 它与桩间土形成的复合地基, 可以大大地提高承载力, 减少沉降。粉喷桩的抗侧向位移能力较好, 可在桥头两端使用该处理方法能较好地阻止土体对桥台的侧向挤压。粉喷桩处理软基是一种行之有效的工艺手段, 与其他软基处理手段相比, 具有施工方便、工期短、工后沉降小等显著优点。因此在选择这种处理措施时, 应充分考虑其适用条件, 以确保最终的处理措施经济、合理、可行。

摘要：针对目前道路建设中大量采用粉喷桩处理软土地基的工程实践, 探讨了粉喷桩的设计方法, 以提高粉喷桩处理软土地基的设计水平, 达到地基处理措施经济、合理、可行的目的。

关键词：软基处理,粉喷桩,复合地基

参考文献

[1] JTJ017-96, 中华人民共和国行业标准.公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].北京:人民交通出版社, 1997, 10.

[2] 地基处理手册编写委员会.地基处理手册 (第2版) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2000.