粉喷桩复合地基在软基加固中的应用

2022-09-12

粉喷桩是利用粉状水泥或石灰做固化剂, 在钻孔过程中使用特制的深层搅拌机械将固化剂喷入软土地基的深层, 经搅拌使原位土与固化剂均匀混合并发生一系列物理化学反应, 使软土硬结成具有一定整体性、水稳定性和一定强度的桩体。粉喷桩复合地基的基本组成部分为:上部路堤填土、中部砂石褥垫层或由网组成的复合网垫、下部由粉喷桩组成的桩土加固区、最下部的天然软土层或持力层。粉喷桩主要应用于软土地基的处理, 粉喷桩施工时常用的粘结材料有石灰、水泥等。由于深层搅拌法施工速度快、无振动、无噪音、无地面隆起、不排污、不排土、不污染环境及对相邻建筑物无不利影响等, 所以粉喷桩在地基加固、基坑支挡结构及形成止水帷幕等多方面得到广泛的应用。

1 粉喷桩的加固机理、设计原则与沉降特性

粉喷桩处理软土地基的机理包含两个方面内容, 一是固化剂 (水泥或石灰) 与软土发生一系列物理化学反应而形成强度和刚度都比软土大得多的水泥土或石灰土机理;二是水泥土桩或石灰土桩与桩间土构成复合地基的作用机理。水泥土加固土的机理, 一般认为有包括几个过程:水泥的水解和水化反应、粘土颗粒与水泥水化物的作用、碳酸化作用。水泥粉喷桩加固地基承载力的提高和沉降量的减小归因于桩体与桩间土构成复合地基, 并共同承载上部荷载, 即复合地基效应, 主要包括桩体作用、垫层作用、挤密作用和加筋作用。粉喷桩设计的基本原则:考虑桩的置换作用、应力集中效应, 进而减少总沉降;考虑粉喷桩加快地基的排水固结速度和对地基的挤密作用;粉喷桩的直径及设计深度、间距应经稳定性验算确定并应满足工后沉降要求, 相邻桩的净间距不应大于4.0倍的桩距, 桩深、桩径确定同时要考虑地质条件和施工机械设备的实际。

粉喷桩和桩间土形成的复合地基所产生的沉降减小的主要部位在有桩的加固区, 而下卧层由于加固区存在, 高应力区降低应力水平, 扩大高应力区范围并向下移, 下卧层压缩量增加。粉喷桩复合地基的沉降大小受桩间距、桩长、桩模量以及填土速率对路基沉降的影响。

2 粉喷桩复合地基的工程应用

2.1 粉喷桩适用的土质

水泥土搅拌法最适宜于处理各种成因的饱和软粘土 (淤泥、淤泥质土) , 也可用于处理粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。使用粉喷桩时应当注意: (1) 当粘土的塑性指数大于25时、黄土含水量小于25%时, 不适宜采用水泥土搅拌法。 (2) 它对含有伊利石、氯化物和水铝石英灯矿物质的粘性土以及有机质含量高、PH值较低的粘性土加固效果较差。 (3) 在海水渗入地区, 地下水中含有大量硫酸盐, 因硫酸盐与水泥发生反应时, 对水泥土具有结晶性侵蚀, 会出现开裂、崩解而丧失强度, 为此应选用抗硫酸盐水泥, 使水泥土中产生的具结晶膨胀物质, 以提高水泥土的抗侵蚀性能。

2.2 粉喷桩适用的软土地基工程

水泥土搅拌技术主要适用的软基处理工程: (1) 水泥土重力式围护结构。在软土地基中开挖基坑 (沟槽) 时, 在开挖深度不大 (一般不超过6m) 的情况下, 可采用深层搅拌法形成的水泥土重力式挡土墙作为支护结构。当需要提高支挡结构的稳定性时, 也可用此法进行被动区加固。 (2) 同时承担竖向和水平向荷载的复合地基, 如高等级公路和铁路的桥头路段, 通过设置水泥搅拌桩复合地基过渡段, 调整桥台桩基础与相邻土基基础之间的不均匀沉降;高填方路堤的抗滑、减小沉降处理;海堤、挡土墙, 尾矿坝等的软基处理。 (3) 竖向承载复合地基:主要用作建 (构) 筑物地基, 如多层民用建筑、小型工业建筑、贮罐等的软基处理。 (4) 大体积水泥稳定土:用于防波堤、地下构筑物的软基处理, 或在软土中形成大体积水泥稳定土后再进行小直径隧道施工。 (5) 防渗帷幕。水泥土具有较好的止水防渗能力, 当软土基坑中含有砂夹层和透水性较大的土层时, 水泥土重力式围护结构可同时起防渗帷幕作用。水泥土搅拌桩也可作为止水桩与排桩式围护结构 (冲钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩) 组合使用。

2.3 粉喷桩的工程应用实例介绍

(1) 工程概况与水文地质情况。

某高速公路施工标段全长10.46km, 所处地段位于长江河谷平原工程地质区, 很大一部分为软土地基, 厚达20~30m。该软土天然含水率高, 强度低, 压缩性高, 透水性差, 具有单层和双层两种典型结构。为减小工后沉降, 保证路基稳定, 解决结构物桥头跳车等病害, 设计采用粉喷桩对软土地基进行处理, 粉喷桩共计14498根, 总长93512米。其地层分布情况:第一层为粉质粘土:灰灰黄色, 饱和, 软塑, 含褐黄色氧化斑点。层厚3m;第二层为淤泥:灰色, 饱和, 流塑。层厚7m。第三层为粉质粘土:灰绿褐黄色, 饱和, 软—可塑。局部夹大量团块—状粉土。层厚6m。第四层为淤泥质粉质粘土:灰色, 饱和, 流塑。呈层状, 层厚度约2m~3m, 层间夹薄层粉土含贝壳。第五层为粉质粘土:暗绿-黄绿色, 饱和, 硬塑。局部含粉土、粉砂。

(2) 粉喷桩的设计与施工。

根据工程特点和地质情况, 经计算分析, 粉喷桩桩长以打穿第一层软土层 (淤泥层) 为原则, 本路段粉喷桩平均桩长10m, 桩径d=0.5m, 三角形布置, 中心间距1.3m, 置换率为13.4%, 固化材料采用华新425#普通硅酸盐水泥, 粉喷桩每延米掺灰量50kg, 粉喷桩桩身90d无侧限抗压强度不低于1.2Mpa。

粉喷桩施工工艺按以下程序进行:整平原地面→钻机定位→钻杆下沉钻进→上提喷粉强制搅拌→复拌→提杆出孔→钻机移位。

(3) 粉喷桩处理路段的沉降观测。

沉降观测采用的是地表沉降观测, 在试验断面路堤中心和路肩下的原地面上埋设沉降板进行高程观测, 以确定地基的沉降规律, 根据测定数据调整填土速率预测沉降趋势。沉降板的埋设试验段从一开始铺设0.3m厚的碎石垫层及土工格栅, 四天后开始第一层填土, 填土历时118天, 填土厚度5.18m, 平均填土速率4.39cm/d。在路基施工期间, 按设计文件和规范要求进行沉降和稳定的跟踪观测, 每填筑一层土观测一次。路堤填筑完成后, 在预压期内, 半个月观测一次, 直至设定的预压期结束。等载预压历时238天, 然后开始卸载, 浇筑路面结构层。到卸载前, 中心累积最大沉降约13.3cm, 道肩约12.4cm其中填土期分别为9.0cm和10.0cm, 预压期分别为4.2cm和2.4cm, 两处的沉降相差不大, 卸载后回弹0.5cm, 卸载半年后道中沉降12cm, 道肩沉降12.1cm, 沉降趋于稳定。