公路软基处理中水泥搅拌桩的应用探讨

1 水泥搅拌桩固结软土地基的原理

水泥土搅拌桩加固地基的基本原理是:水泥和软土通过充分混合, 水泥吸收周围土层的水分而发生一系列的物理化学反应, 使混合体凝结硬化, 使天然软土地基形成复合地基, 以起到提高地基承载力、增强路基稳定性及减少路基沉降的作用。 (1) 当粘土与水泥相接触时, 水泥颗粒与粘土中的水发生化学反应生成坚硬的钙化物固体。 (2) 当水泥的各种水化物生成后, 有的自身继续硬化, 形成水泥骨架;有的则与其周围的粘土发生化学反应生成不溶于水的化合物。

2 沉降计算方法

水泥土加固的复合地基沉降量包括加固区沉降量S和加固区下卧层沉降量S两部分组成。对加固区下卧层沉降量, 通常采用常规的分层总和法, 下卧层顶面荷载即为实体深基础底面的平均应力。对加固区沉降量, 则通常有下面几种算法。 (1) 实体深基础法。将加固后的群桩视为一个格子状的假想实体深基础, 其计算式为:

式中:L水泥土搅拌桩长 (m) , p为群桩实体深基础顶面的平均应力 (k Pa) , Po为群桩实体深基础底面的平均应力 (k Pa) , Esp实体深基础的变形模量 (k Pa) 。

(2) 应力修正法。

式中:S为加固前软土地基的沉降值, λ为桩土置换比, n为桩土应力比。

(3) 复合模量法。

在常规的变形计算公式中, 用各土层的桩土复合模量Espi来代替原土层模量Esi。

式中:σzi为第i层复合土层上的附加应力, hi为第i层复合土层上的厚度, Esi为桩间土的变形模量, λ为复合地基置换率, Epi为第i层水泥土桩的变形模量。

实体深基础法是基于刚性群桩的整体剪切破坏模式提出的, 它用于计算刚性群桩的承载力及软弱下卧层强度检算。在桩距较小, 水泥土桩更接近刚性条件时, 计算结果相对比较符合实际。总体来说, 实体深基础法计算的加固区沉降量人为影响因素较大, 计算结果一般偏小, 有时候与实际情况出入较大。水泥土桩是介于刚性和柔性之间的一种桩基础, 从理论上说, 应力修正法比较复合该桩的承载和变形特征, 且计算简单, 但是扩散角不易确定, 受人为主观的影响较强, 容易使结果出现较大偏差复合模量法基于经典的分层总和法沉降计算理论, 只是用加固土层的桩土复合变形模量来代替天然地基土变形模量。这种方法不仅理论基础充分, 而且可以计算出加固区各土层的分层沉降以及中心和边缘处沉降, 且不存在通过假设来推求下卧层顶面应力的难题, 计算结果比较稳定, 基本复合实际情况, 是计算水泥土桩沉降量的比较好的方法。

3 水泥搅拌桩施工过程中的质量控制的几个重要方面

3.1 桩长按进入持力层控制

与塑料排水板真空预压处理方案相比, 采用水泥搅拌桩处理沉降量要减小60%~85%, 沉降的分布亦有明显的改变, 通过试桩中, 承载力静压试验, 在桩身范围内的沉降量减小很多, 而桩尖以下的软土沉降量有所增大。在桩长11m范围内的沉降量与桩尖以下沉降量的比值达1∶1.5。而且由于大部分荷载由桩体承受, 所以桩周土中孔隙压力较低, 而桩尖以下土体中的孔隙压力较大, 而且很难消散, 因此, 水泥搅拌桩宜尽量打至持力层上 (一般控制为qc=800kpa) , 并且进入持力层50cm左右。在施工过程中, 桩底设计标高往往与持力层并不一致, 容易出现桩长以设计标高控制的现象, 如在桩尖下尚留几米软土, 则会有较大的工后沉降量, 预压很长时间也很难稳定。故水泥搅拌桩实际施工桩长应按进入持力层控制。

3.2 喷浆量控制

水泥搅拌桩的质量好坏与水泥浆掺入量的多少及喷浆的均匀性有直接的关系, 因此, 计量水泥浆是控制的关键。目前一般较为常用的是流量与钻机深度相结合的电子记录仪, 它能在记录上反映深度、相对应每延米的喷浆量、总浆量、施工时间等。计量控制主要应注意以下三点: (1) 要保证喷浆的均匀性, 关键是掌握好钻头的提升速度及水泥净浆的比重。水泥浆喷入必须满足每米喷浆量的要求。对于直径一定的水泥搅拌桩来说, 输浆泵单位时间内水泥浆的喷出量Q与钻头提升速度可由下式来确定:

式中:D为钻头直径 (m) ;R为软土的容重 (t/m3) ;S为水泥掺入比;V为钻头提升速度 (m/min) 。

(2) 从开始喷浆到钻头处出浆有一定时间, 钻机钻至桩底后, 必须预喷停留一段时间, 方可提钻。二次钻至桩底后即喷浆提钻, 防止搅动破坏了桩底原状软土, 使沉降量加大。 (3) 一旦断浆, 必须补浆, 且与断浆处搭接长度不小于50cm, 保证成桩的接桩的连接性。

3.3 复搅控制

水泥浆与土搅拌均匀程度是关系到水泥搅拌桩桩体强度的关键因素。大量的施工实践已充分证明水泥搅拌桩复搅与不复搅的质量相差甚大。钻头喷出的水泥浆往往呈脉冲状, 若不充分搅拌, 在桩中呈现层状, 形成一种“夹生”, 这样的桩即使水泥浆掺入量再多也没有强度。复搅的作用在于通过充分的搅拌使水泥浆与软土得到比较完全的接触与作用, 促使桩体整体性的形成。为了确保搅拌的均匀性, 施工时要严格掌握好钻机提升速度、搅拌叶旋转速度等, 当桩长较长、土体天然含水量较高、粘性重时, 宜采用“四喷四搅”的施工工艺, 并使搅拌钻杆转速不小于45转/min, 提升及下沉速度不大于1.0m/min, 搅拌叶片设置六片。防止出现“沉桩”现象。

3.4 日水泥用量与日进度指标的质量控制措施

(1) 随时抽查钻机的水平度和垂直度、钻进深度、喷浆深度、复搅时间、喷浆流量、水泥浆的比重等, 并作好相应检查记录。 (2) 及时收取记录仪打印记录, 并校核时间、桩号的连续性等, 防止出现弄虚作假现象。 (3) 在每日施工结束后对施工现场水泥用量和记录仪打印记录中的施工桩长加以统计、对比。当两者误差大于5%时, 必须查明原因后采取相应的处理措施。 (4) 核对前后左右的桩的深度和成桩时间, 如果深度相差较大或相同深度的桩成桩时间相差很大, 则认为存在搅拌不匀, 并应采取补桩处理。 (5) 根据钻杆的提升速度、每台桩机的日工作数等, 确定每日完成延米数和每根桩的施工时间。如果某台桩机完成的延米数超过规定值较多或某根桩记录器打印记录显示时间少于规定值较多, 则认为存在搅拌不匀, 并应采取补桩处理。

4 结语

水泥搅拌桩处理公路软土地基, 具有成桩效率高、成本低、工期短、施工占地面积小, 无污染、无振动、噪音小、成本低、操作简单、适应性广等特点。因此水泥搅拌桩越来越被广泛地推广和使用。但是在水泥搅拌桩施工中, 常常会出现如强度不足、垂直度不能满足规范要求的现象。为了避免水泥搅拌桩施工时出现的各种问题, 我们必须紧抓施工环节, 严格施工要求。

摘要：随着我国交通建设的迅速发展, 公路基础软土地基的处理方法有多种, 且不断在成熟。水泥搅拌桩是软土地基处理的一项新技术, 特别适用于加固饱和软粘土地基。本文结合多年的工作经验, 重点讲述了水泥搅拌桩中在公路软土地基中应用时的设计方法研究。

关键词：水泥搅拌桩,公路软基,设计方法