粉噴樁在某高速公路軟土地基處理中的應(yīng)用
摘要：粉噴樁是一種效果顯著、應(yīng)用廣泛的軟基處理方法。文中結(jié)合工程實例，介紹了粉噴樁的概念、適用情況；講述了粉噴樁施工前的準(zhǔn)備工作、施工的具體操作方法和操作要點；闡述了粉噴樁施工的質(zhì)量控制與質(zhì)量檢測方法
關(guān)鍵詞：公路；軟土地基；粉噴樁；摻入比；質(zhì)量檢測
粉噴樁是利用專門的噴粉攪拌鉆機(jī)將水泥、石灰等粉體固化劑噴人軟土地基中，并將軟土與固化劑強(qiáng)制攪拌，利用固化劑與軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)復(fù)合地基的軟基處理方法。粉噴樁一般用于處理表層軟土厚度大于3～4m的軟土地基。適宜的土類為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土和含水量較高的軟粘土。由于粉噴樁加固軟基效果顯著、施工工期短且工后沉降小，目前被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、市政工程、民用建筑與機(jī)場等的軟基處理中。
1工程概況
湖南內(nèi)某高速公路第二合同段(K～K16)經(jīng)過某滯洪區(qū)，該區(qū)處于淮河沖、湖積平原，3月份地下水位距地表0．3～1．m。該段表層為低液限粘土，厚度1．0～2．5m，含水量為20．2，空隙比為0．69～0．83，塑性指數(shù)為20~23，自由膨脹率為30～55，承載力小于14kPa。該層為一相對硬殼層，在涵基開挖至1～1．m后持力功能已基本喪失。表層以下為低液限粘土，厚度一般大于5m，含水量為28．2，空隙比為0．69～0．82，塑性指數(shù)為11～17。該層為近期沉積，工程性質(zhì)較差，受擾動后變?yōu)橄∧唷?/p>
為確保工期、減小不均勻沉降并徹底解決因地基下沉造成后期道路及結(jié)構(gòu)物病害，經(jīng)多方案比較決定對滯洪區(qū)內(nèi)構(gòu)造物兩頭及涵洞地基采用粉噴樁加固處理。粉噴樁設(shè)計樁徑為0．5m，樁長依據(jù)具體情況從5m變化到12m，樁平面布置呈梅花形在涵基下及近橋臺26m范圍內(nèi)樁距為1．3m，涵兩側(cè)及橋臺26m外樁距為1．5m。粉噴樁所用固化劑為425號普通硅酸鹽水泥，施工中水泥摻人比為14，設(shè)計要求90d強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為1900kPa。該路段共處理橋8座、涵洞14道，累計2．34km。單樁累計總長度424614延米，計58055根。
2粉噴樁施工需要的主要機(jī)械
粉噴樁施工需要的主要機(jī)械有螺旋鉆機(jī)、噴粉機(jī)、空壓機(jī)和發(fā)電機(jī)等。螺旋鉆機(jī)主要由液壓步履式底架、井架、導(dǎo)向減壓構(gòu)件、傳動系統(tǒng)、鉆具、液壓系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成。
3粉噴樁施工前的準(zhǔn)備工作
3．1準(zhǔn)備施工技術(shù)資料
粉噴樁施工前應(yīng)準(zhǔn)備下列施工技術(shù)資料：施工場地的工程地質(zhì)報告、土工試驗報告、室內(nèi)配合比試驗報告、粉噴樁設(shè)計樁位平面圖、原地面高程數(shù)據(jù)
表、加固深度、�；颐娓叱桃约皽y量結(jié)果。
3．2搞好“三通一平”
施工前應(yīng)搞好“三通一平”工作，即修通機(jī)械進(jìn)場的臨時性道路，架通生活及施工用電，接通生活用水；整平場地，清除樁位處地上及地下障礙物，如大石塊、樹根和生活垃圾等，施工場地低洼時應(yīng)用粘性土填平，不得回填雜土。
3．3施工放樣
場地整平后，放樣人員在認(rèn)真熟悉圖紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工放樣。首先放出路基、構(gòu)造物的中線和邊線，然后根據(jù)設(shè)計樁位平面布置圖定出每根粉噴樁的樁位，并用小木樁做好標(biāo)記，每根樁的平面誤差不得大于5cm。
3．4室內(nèi)配合比強(qiáng)度試驗
施工前應(yīng)在代表性地段鉆取原狀土進(jìn)行室內(nèi)配合比強(qiáng)度試驗。由于該路段上部土層相對較粘，與水泥的攪拌均勻程度較差，所以野外取土宜控制在粘土層內(nèi)1．5～2．0m，試件分別按l2、l3、l4的水泥摻入比進(jìn)行配合比強(qiáng)度試驗�？紤]到工期的要求，試件采用600℃、濕度大于90、24h的高溫快速養(yǎng)生法制取。依據(jù)試驗結(jié)果，經(jīng)分析和比較，決定采用l4的水泥摻入比施工。
水泥的攪拌均勻程度較差，所以野外取土宜控制在粘土層內(nèi)1．5～2．0m，試件分別按l2%、l3%、l4%的水泥摻入比進(jìn)行配合比強(qiáng)度試驗�？紤]到工期的要求，試件采用600℃、濕度大于90%、24h的高溫快速養(yǎng)生法制取。依據(jù)試驗結(jié)果，經(jīng)分析和比較，決定采用l4%的水泥摻入比施工。
3．5檢驗、組裝、調(diào)試機(jī)械設(shè)備
為了確保施工機(jī)械的正常使用，施工前對進(jìn)場的機(jī)械設(shè)備應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格檢驗、認(rèn)真組裝和調(diào)試。鉆機(jī)上的氣壓表、轉(zhuǎn)速表、電流表、電子稱必須經(jīng)過嚴(yán)格標(biāo)定，不合格的儀表必須更換。為了保證水泥劑量準(zhǔn)確，必須請專門的計量單位到現(xiàn)場對每臺粉噴機(jī)進(jìn)行校驗、標(biāo)定，標(biāo)定后任何施工人員不得變動同時粉體噴射機(jī)安放的位置與攪拌機(jī)施工最遠(yuǎn)處之間的距離不宜超過60m，不然，送粉管的阻力增大送粉量不穩(wěn)定。
3．6工藝性試樁
為了克服盲目性，確保粉噴加固地基收到預(yù)期效果，在粉噴樁施工前應(yīng)按設(shè)計要求進(jìn)行工藝性試樁，試驗樁不少于3根。目的是通過試驗樁檢驗其設(shè)備的適用性，確定成樁的各項技術(shù)參數(shù)，同時檢查、校核室內(nèi)試驗強(qiáng)度。依據(jù)試驗樁的經(jīng)驗，該路段固地表土層較硬且粘，宜采用3擋速度下鉆，即正轉(zhuǎn)44r／min(0．679m／min)；而下部土層相對較軟，宜采用5擋速度下鉆，即正轉(zhuǎn)108r／min(1.081m／min)。反轉(zhuǎn)噴粉時，3擋每圈上移0．015m，而擋則每圈上移0．01m。二者相比，5擋時水泥與土攪拌得更均勻，所以反轉(zhuǎn)噴灰時一般要求采用5擋�；視r若噴嘴距地表較淺，灰管內(nèi)的余灰易在地表形成灰堆，既造成材料浪費(fèi)，又污染地表，所以噴嘴距地表0．5m時�；逸^為理想。采用在鉆桿上做記號的方式控制樁長的復(fù)攪深度。由于地下溫度較低，試驗樁14d后開挖2m檢查，上部2m復(fù)攪均勻，取芯試驗無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)1．0MPa，為設(shè)計強(qiáng)度的53．2%。
4 粉噴樁的施工
粉噴樁的施工程序如下圖：
4．1操作方法
1)對正樁位，調(diào)整鉆機(jī)機(jī)身，保證鉆桿的垂直度；啟動鉆桿下鉆；待攪拌鉆頭接近地面時，啟動空壓機(jī)送氣，開始鉆進(jìn)。
2)鉆到設(shè)計孔深時停鉆，鉆頭反轉(zhuǎn)但不提升。
3)打開送料閥門。
4)確定水泥已到樁底時，提升攪拌鉆頭，不停地噴送水泥。為便于控制成樁質(zhì)量，一般不得使用3擋提升。
5)鉆頭提升到設(shè)計高程時，關(guān)掉送料閥，停止噴粉。打開送氣閥，空壓機(jī)不停機(jī)，在原位轉(zhuǎn)動2min，以保證樁頭均勻密實。
6)攪拌鉆頭再鉆到設(shè)計樁底深度，進(jìn)行二次攪拌(復(fù)攪拌)。
7)復(fù)攪結(jié)束后將攪拌鉆頭提出地面，主電機(jī)、空壓機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，填寫施工記錄表。
8)開啟液壓步履，移動鉆機(jī)至下一樁位。
4．2操作要點
1)機(jī)身調(diào)平以鉆桿是否垂直為依據(jù)，操作時以鉆錘吊線進(jìn)行控制。
2)鉆至設(shè)計深度時，應(yīng)有一定的停留時間，以保證水泥到達(dá)樁底，具體時間由工藝性試驗確定。
3)噴粉或噴氣過程中，當(dāng)氣壓達(dá)到0．45MPa時，管路可能堵塞。此時應(yīng)停止噴粉，將鉆頭提出地面，切斷空壓機(jī)電源，停止送氣。查明堵塞原因，排除故障。
4)整個制樁過程中一定要保證邊噴粉邊提升，連續(xù)作業(yè)。當(dāng)空氣濕度大、粉體流動性差、噴氣壓力大、單位樁長噴粉量大時，應(yīng)開通灰罐進(jìn)氣閥，以對料罐加壓。如出現(xiàn)斷粉應(yīng)及時補(bǔ)噴，補(bǔ)噴重疊長度不小于0．5m。
5)噴粉開始時，應(yīng)將電子秤顯示屏置零，使噴粉過程在電子計量顯示下進(jìn)行。噴粉時，記錄人員應(yīng)隨時觀察電子秤的變化，以保證各段噴粉均勻。
6)為保證復(fù)攪長度到位，反轉(zhuǎn)噴粉攪拌應(yīng)慢速提升，并隨時檢查復(fù)攪長度及有無異常情況，并做好記錄。施工中還應(yīng)注意保護(hù)環(huán)境，盡量減少污染。
5粉噴樁施工質(zhì)量控制
5．1水泥的控制
該工程所用水泥為425號普通硅酸鹽水泥，總量21000t。由于施工往往是24h連續(xù)作業(yè)，水泥用量非常集中。為保證質(zhì)量和進(jìn)度，提前由監(jiān)理與施工單位一起選擇幾家近年來經(jīng)常使用并證明質(zhì)量較好的大型水泥廠進(jìn)行取樣試驗，然后將不同品牌的水泥固定用于相應(yīng)的鉆機(jī)，避免摻雜使用。
5．2樁身幾何尺寸的控制
施工過程中按2%～5%的頻率隨時檢查樁長，施工前由監(jiān)理工程師對每根鉆桿進(jìn)行丈量，在鉆桿上做出醒目的標(biāo)志，控制下降深度。檢查樁徑時，一般用鐵鍬下挖10cm，其直徑偏差在+10%～0時為合格。
5．3復(fù)攪拌控制
水泥與土攪拌的均勻程度是關(guān)系到粉噴樁樁體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。實踐證明，粉噴樁復(fù)攪與不復(fù)攪的質(zhì)量相差很大。鉆頭噴出的水泥往往呈脈沖狀，若不充分?jǐn)嚢�，水泥在樁中呈現(xiàn)層狀，形成“夾生”，這樣的樁即使水泥摻入量再多對地基的加固效果也不好。復(fù)攪的作用在于通過充分的攪拌使水泥與土及土顆粒中的水得到比較完全的接觸與作用，促使樁體的形成。為了攪拌均勻，要嚴(yán)格按照試樁確定的鉆機(jī)提升速度、攪拌葉旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)進(jìn)行施工，并盡量采用全樁復(fù)攪。
6粉噴樁質(zhì)量檢測
為了驗證粉噴樁的處理效果，該項目由業(yè)主指定專門的檢測單位對成樁在合適的齡期內(nèi)進(jìn)行多方面的質(zhì)量檢測。主要檢測項目有取芯強(qiáng)度檢測、低應(yīng)變樁身完整性檢測及復(fù)合地基承載力檢測，齡期大于30d。
6．1取芯樁體強(qiáng)度質(zhì)量檢測
在該工程每個構(gòu)造物處選取3根樁，采用直徑為108mm的鉆孔，在樁徑1／4位置處分別鉆取樁上、中、下部的芯樣，加工成50mm×50mm×50mm的立方體試塊，測試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗結(jié)果顯示，試件強(qiáng)度大多已超過90d齡期的實際要求強(qiáng)度。
6．2低應(yīng)變樁身完整性檢測
低應(yīng)變樁身完整性檢測就是對樁體的宏觀完整程度進(jìn)行檢查，通過檢測來判斷樁體有無缺陷、缺陷的性質(zhì)和部位。這里所說的缺陷主要包括斷樁、縮頸和低強(qiáng)度層等，它根據(jù)打印機(jī)輸出的時域和頻域曲線來判定。如果時域曲線規(guī)律整齊，底反信號清晰或有底反跡象，頻域曲線主峰明顯，表明樁體完整；如果有同向較弱的樁問反射，說明樁間局部強(qiáng)度較低，但樁的整體性尚好；若時域曲線嚴(yán)重畸變或為多次能量較強(qiáng)的周期波，說明淺部或樁問有嚴(yán)重缺陷。該工程共檢測粉噴樁2600根，占樁總數(shù)的4．5%。檢測結(jié)果顯示，94%以上為I類樁。
6．3復(fù)合地基承載力檢測
該工程采用附加質(zhì)量法進(jìn)行地基承載力測定測點多選在涵洞處。一般情況下，分離式基礎(chǔ)兩側(cè)各選2個測點，整體式基礎(chǔ)選2～3個點。測試結(jié)果顯示，全部符合強(qiáng)度要求。
7結(jié)語
該路段建成后，在使用過程中經(jīng)受了多次洪水浸泡(有時路堤普遍浸泡2m)的嚴(yán)峻考驗。目前路基穩(wěn)定、路面平整、橋頭和涵頭無明顯下沉或跳車現(xiàn)象，證明粉噴樁處理軟基取得了令人滿意的效果。
粉噴樁加固軟土地基是一種行之有效的方法具有施工工期短、無公害、施工過程無噪音、不排污工后沉降小、對相鄰建筑物無不利影響等顯著優(yōu)點但粉噴樁施工工藝復(fù)雜、技術(shù)難度較大，而且造價相對較高。
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