水泥搅拌桩技术应用于某高速公路工程软基处理实例分析

1 概述

某高速公路沿线软土广泛分布, 且层厚、埋深不一, 物理力学性质差异大。该工程针对本段软土路基的特点, 采用水泥搅拌桩技术对地基进行处理, 取得了明显的工程效益和社会效益。

1.1 工程地质

本合同段水量丰富, 水位埋深1.0m～1 0.0m, 水质属HCO3～Ca Mg型水, 对混凝土无侵蚀性, 软土地基处于河谷漫滩地, 一般地质分层 (由上而下) 为以下几点。

(1) 低液限粘土:灰黄色, 厚度小于1m～1.5 m, 呈硬塑状, 为硬壳层且有湿陷性, 地下水位埋深多小于2.1 m, 容许承载力[α]=80kPa～120kPa, 极限摩阻力T0=30kPa。

(2) 灰黑色淤泥:流塑一般厚度4m～6m, 含水量49.6%～92.1%, [δ0]=60kPa, [δ0]=25kPa, 孔隙比e=0.396～0.688, 压缩系数:0.11Mpa～0.19Mpa, 内摩擦角4°。

(3) 砂砾石:中密, 含水量饱和, 允许承载力280KPa, 极限摩阻力140KPa。

1.2 方案比选

(1) 采用塑料排水板及铺砂砾垫层的排水固结方案, 经做试验观测, 承载力达不到设计要求, 沉降量大。

(2) 采用土工布及铺砂垫层, 经做试验观测, 承载力达不到设计要求, 且沉降量较大。

(3) 选用水泥搅拌桩固结处理, 桩尖坐在砂砾石层上, 经试验观测, 承载力大于3 4 0 K P a, 沉降量较小, 且经济, 施工速度快。

1.3 水泥搅拌桩的设计要求

桩径:50mm。

桩长:要求打穿淤泥层, 在砂砾石层上, 一般11m～15m。

桩距:1.5m×1.3m (排距) , 等腰三角形布置。

桥头20m内及涵洞基础:1.5m×0.75m (排距) 。

水泥掺入量:搅拌桩水泥用量不小于50kg/m。

桩身强度:9 0 d龄期无侧限抗压强度1900KPa。

复合地基承载力:280KPa。

2 水泥搅拌桩施工

搅拌桩处理软土是通过专门的机械将水泥与土搅拌后强制压入软土中, 在原地基中形成强度、刚度较大的桩体, 同时也使桩周土体性质得到改善, 桩体与桩间土形成复合地基共同承担外荷载。

2.1 影响加固质量的关键因素

桩体的强度及支承桩体的地层承载力, 要求桩长打穿淤泥层, 桩尖坐在砂砾层上, 且桩身强度达到设计要求。

2.2 影响桩身强度的主要因素

(1) 水泥渗入比:水泥搅拌桩的强度随水泥掺入比的增大而增大。

(2) 龄期:桩身强度随龄期增大而增大, 三个月龄期强度作为标准强度, 2 8 d强度作为标准强度的6 0%～7 5%。

(3) 土样含水量:当掺入比相同, 桩身强度随着土样含水量降低而增大, 试验表明:每米掺入5 0 k g水泥时, 土样含量从9 2.1%降低到2 5%, 桩身强度从5 8 0 K P a增加到2600KPa。

(4) 搅拌的均匀性:水泥和软土之间强制搅拌越均匀, 桩身强度也越高。

2.3 施工工艺

基于以上认识, 在搅拌桩施工中, 必须抓以下施工环节。

2.3.1 严格按搅拌桩施工规范施工

按设计桩距, 排距测量放样, 施工工序如下。

(1) 钻机就位:吊钻机对准位后, 使钻杆垂直, 倾斜度小于1%, 桩位偏差小于5 c m。

(2) 搅拌水泥浆液:采用3 2 5号硅酸盐水泥, 水灰比控制在0.4～0.6范围内, 每延米深层搅拌桩水泥用量不小于5 0 k g。

(3) 喷浆搅拌提升:搅拌头下沉到设计深度后, 开启灰浆泵, 通过管道送浆至搅拌头出浆口, 出浆口启动搅拌桩机及拉紧链条装置, 按设计规定的提升速度 (0.5m/min～0.8 m/m i n) 边喷浆搅拌, 边提升钻杆, 使浆液和土体充分拌和。

(4) 重复搅拌下沉:搅拌钻头提升至桩顶以上5 0 c m后, 关闭灰浆泵, 重复搅拌下沉至设计深度, 重复喷浆搅拌提升, 一直提到地面。

2.3.2 搅拌桩的质量控制

搅拌桩处理软基属隐蔽工程, 且通常是昼夜连续施工。为了在施工过程中加强对施工工艺、水泥用量、桩长、施工速度的控制, 我们专门派两名施工员, 同时有两名监理工程师旁站监督, 由监理工程师逐桩签字认可。做到每桩都有完整的记录, 主要监理内容为以下几点。

(1) 检查桩距、桩位是否符合设计要求。 (2) 逐桩控制水泥用量:根据桩长, 按5 0 k g/m水泥用量进行搅拌, 水泥先送入罐内, 然后通过自动计量电子称控制每米水泥用量, 电子称屏幕上可以显示每米水泥用量。 (3) 桩长控制。根据设计桩长及试验桩确定的长度, 在钻杆上标明桩长, 并根据钻进时桩机的负载电流数据突变, 直至桩杆不再进尺 (表明桩尖已座在砂砾石层上) , 现场丈量, 测定实际桩长。

3 搅拌桩的质量检验

为了确保工程质量, 搅拌桩施工满足龄期要求后, 采取如下检验方法验收桩体的质量。

3.1 钻芯取样

本工程采取对于2 8天龄期进行桩体任一部位钻芯取样来验收桩体的强度, 即达到90天龄期的75%以上 (大于1.9×75%=1.43MPa) , 抽样频率为5%。

3.2 低应变动态质量检测

本检测办法的主要内容就是对桩的完整程度的检测与诊断, 即判定桩身是否完好, 搅拌是否均匀等等, 最终给定综合判定结果。

3.2.1 检测方法原理

桩基无损动态检测是根据弹性波理论, 当施工于地下的桩体达到一定强度后, 且桩长L远大于桩径D时, 在理论上可将桩身视为一维弹性杆件体, 当在桩顶施加一激励信号F (t) 时其激发的弹性波将沿桩身 (纵向) 向下传播。

由于桩端和持力层之间存在一明显的波阻抗界面, 弹性波传播至桩底将产生反射, 并被布置于桩顶的拾振器接收。若搅拌桩桩体均匀、完整、规则, 则只存在桩底一个波阻抗界面, 这样反映在时间域波形上的能量集中, 波形圆滑, 桩底反射时间 (t) 清晰, 则纵波速度:

式中L为桩长;t为反射波初至。

若桩身存在搅拌不均匀、断裂、夹泥、断桩等缺陷, 都易形成波的置前反射, 因此, 在弹性波的传播过程中, 能量分散, 反映在时间域波形上则多个波组迭加的复合波形, 且缺陷深度[L 1、L 2……]满足:

根据弹性波理论, 通过实测的桩身时间域波形, 经室内计算机对资料的处理, 即可对桩的完整性及施工质量进行全面评价。

3.2.2 资料分析与结果

根据现场测试的原始记录, 本工区低应变曲线波形较为完整, 经室内分析计算, 现根据桩身的完整程度分类描述如下。

(1) 完好桩:桩身连续性好, 桩身规则, 搅拌均匀, 无缺陷存在。反映在时域波形上规则、圆滑、无异常信息迭加, 桩底反射信号清晰。见桩原始记录所示。

该工程共测试桩2 8 0 0根, 其中完好桩共2 5 1 0根, 占抽测总桩数的9 0%。检测桩长介于12.2m～13.0m之间。

(2) 一般桩:桩身连续性尚好, 但存在有桩头破损, 桩头强度偏低, 局部搅拌不均等。反映在时域波形上:曲线基本规则, 局部有轻微异常信息迭加, 桩底反射信号基本清晰。

通过对该工程抽检的2 8 0 0根桩中, 一般桩共有2 9 0根, 基本上全部表现为桩头的局部破损和浅部的搅拌不均匀现象, 占抽测总桩数1 0%。

3.3 复合地基静载荷试验

采用接近于复合地基实际工作条件的试验方法, 依据《建筑地基处理技术规范》 (JGJ79-91) , 测定复合地基的轴向承载力, 为设计提供基础设计的校核依据, 确保工程质量和复合地的使用安全。

3.3.1 试验装置

采用“堆载法”, 即采用平行放置的横梁 (钢梁) 作为堆载平台, 平台由试验基坑周围的土层支撑, 平台上堆放的配重块 (钢锭) 通过平台下的主梁—测力传感器—千斤顶—压板, 把垂直荷载用力施加到压板面积之上。

3.3.2 试验设备

试验采用J C Q-5 0 3型静力载荷测试仪, 配以700kN液压千斤顶, 由DYB-1A电动高压油泵供油, 压力测量采用GYL-2A-2 k N测力传感器, 沉降观测采用中国航空精密机械研究所生产的电子数显位移传感器 (量程50mm, 分辨率0.01mm) 。压板面积1.0×1.0m2。以上设备调试安装完毕即可进行桩基静荷载的自动测试、自动测读、判稳、自动补载、自动记忆、自动输出打印等等。

3.3.3 试验方法

依据《建筑地基处理技术规范》 (JGJ79-9 1) , 采用接近于复合地基实际工作条件的试验方法进行试验。

(1) 加荷分级:依据规范要求, 试验最大加荷为设计荷载的两倍, 或达到地基极限承载力。

(2) 沉降观测:按《规范》要求“每加一级荷载, 在加载前后各读记压板沉降一次, 以后每半小时读记一次”直至达到相对稳定后, 施加下一级荷载。沉降观测采用每加一级荷载, 间隔5min、10min、15min各读一次, 以后每隔15min测读一次, 累计1h后每隔3 0 m i n测读一次, 直至达到相对稳定后施加下一级荷载。

(3) 沉降相对稳定标准:每一小时的沉降观测不超过0.1 m m。认为已达到相对稳定, 即可加下一级荷载。

(4) 终止加载条件:当出现如下条件之一时, 即可终止加载。

(1) 沉降量急剧增大, 土被挤出或压板周围出现明显的裂缝。

(2) 累计的沉降量已大于压板宽度的10%。

(3) 总加载量已为设计要求的两倍。

3.3.4 资料整理与分析结果

根据现场测试和试验的结果, 依据《规范》 (JGJ79-91) 复合地基承载力基本值的确定原则, 及现场工程地质条件, 取s/b=0.0 0 9 3所对应的荷载, 其承载力基本值为3 0 0 k N, 满足设计地基承载力要求。

4 讨论

4.1 同一桩各段强度判别

在质量检验方法上, 由于水泥搅拌桩承受垂直荷载, 要求全桩桩身连续均匀, 不容许存在低于设计强度的桩段, 由于各桩段强度不同, 且由最弱桩段决定桩实际承载力, 因此, 应进行全桩检测, 从实践看, 采用以上三种相结合的检测方法较能准确地、全面地检验成桩质量, 且速度快。

从检测提供的资料看, 虽然水泥含量相同, 但由于各层土质, 含水量不一样, 强度便有差别。一般淤泥层, 含砂层水泥搅拌易均匀, 强度增加明显, 效果好;而粘土层粘性大, 形成软弱段。同一根桩, 各桩段中强度不同, 承载力是由强度最低的桩段决定的。所以, 应尽量在一定的水泥含量下缩小各桩段的强度差别。实际操作上可根据地质资料提供的各层土质、含水量区别对待:对含水量大的桩段应增加水泥含量, 可通过适当减慢提升速度来实现;对含水量小含砂量大的桩段适当加快提升速度;对粘土层要反复多搅拌, 使其搅拌均匀。这样, 可有效缩小各桩段的强度差, 提高桩身整体承载力, 减少浪费。

4.2 搅拌桩适用范围

用于软基的涵洞、挡土墙基础处理, 桥头软基处理, 可有效地减少基础沉降、桥头跳车现象。

4.3 水泥搅拌桩施工应有严格的质量控制和质量检验方法

水泥搅拌桩处理软基属隐蔽工程, 常昼夜施工, 因其造价高, 对工程质量影响大, 应进行严格的质量控制, 尤其是桩长, 水泥用量对加固效果影响最大, 因此应有技术人员, 监理工程师全过程旁站, 逐桩监督, 逐桩签字, 才能有效防止偷工减料, 确保工程质量。

4.4 水泥搅拌桩是一种快速、经济、有效的软土地基处理方法

由于通过搅拌桩处理, 在原软土地基中形成强度刚度较大的柱体, 同时也使桩周围土体性质得到改善, 桩体与桩间土体形成复合地基共同承担外荷载, 因此, 经搅拌桩处理的地基, 承载力大大提高, 沉降量大大减少。由于桩体作用, 地基抗剪强度增强, 提高了地基的稳定性, 路基填土可以不受速度的限制, 大大加快施工进度。且路基沉降可在较短时间内完成, 施工后一般沉降很少。而常用的排水固结法和铺土工布法, 通过以往的施工实践, 处理后的地基后期沉降仍很大, 固结时间长, 易产生塌方滑坡等剪切破坏, 因此填土速度受到限制, 工期长;往往通车一段时间后 (2年～3年) , 由于路基变形需要整修, 因此, 虽然搅拌桩处理软基费用较其它处理方法高, 但省却工后整修的二次费用, 相比之下还是经济的。

摘要：本文结合工程实例分析了水泥搅拌桩技术应用于某高速公路工程软基处理的施工过程, 可供广大工程技术人员参考。

关键词：软土地基,水泥搅拌桩,软基处理,施工