韩洪兴 姜玉松 聂 琼

1 工程概况

黄陵—延安高速公路是西部大通道包头—西安—重庆—北海在陕西境内的重要组成部分。在HY1793+365～HY1794+440,HY1798+000～HY1798+480和HY1799+000～HY1799+580三段均为天然湿地,出露地层主要为淤泥、淤泥质黏土、黏土、含黏性土碎石。为减少对湿地自然环境的破坏和防止水污染,设计采用粉喷桩处理地基,桩径0.8 m,按正三角形布置,桩中心距2.0 m,排距1.75 m,桩长8 m～12 m,打穿淤泥黏土层至底下0.6 m为处理范围,共制桩18 140根,进尺194 420 m。

2 粉喷桩加固软基的原理

2.1 粉喷桩在软土地基的力学和变形特征

粉喷桩是“粉体喷射搅拌桩”的简称,就是利用专用的喷粉搅拌钻机将水泥、石膏等粉体固化剂喷入软土地基中,并将软土与固化剂强制搅拌,利用固化剂与软土之间所产生的一系列物理、化学反应,使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体,并与周围的土体一起形成复合地基,使桩土共同作用以提高地基承载力。粉喷桩可分为两种形式,即端承型和摩擦型,原则上粉喷桩应穿透软弱土层到达强度较高的土层(简称硬土层)。用粉喷技术形成的复合地基,其沉降变形应为粉喷桩群体范围内的压缩变形和粉喷桩群体底部未被加固土体的压缩变形之和。粉喷桩群体范围内的压缩变形量根据荷载、桩长、桩身强度、天然地基土强度、置换率、复合地基的变形模量等估算。

2.2 复合地基的抗剪性能

复合地基形成过程中粉喷桩对周围的土体进行了一系列的物理、化学过程,形成复合地基后,复合地基中存在的粉喷桩本身强度远大于软基强度,并且粉喷桩与原地基组成的复合材料强度也远大于软土地基,因此形成的复合地基比原软土地基的抗剪强度有较大幅度的提高。

3 施工工艺

3.1 施工工艺流程

粉喷桩施工工艺流程见图1。

3.2 技术要求

1)施工准备:按设计文件要求及施工现场的实际情况编制施工方案,安排施工顺序流程。用人工配合推土机,挖掘机进行清表,整平场地,同时建立相应的测量网,准确放出粉喷桩桩位。2)机械进场,钻机就位:机械进场后,移动搅拌主机,使钻头对准所标定的桩位,调整机身井架及钻杆垂直度,将深度计调零,试机检查管线是否畅通,储灰量是否大于一根桩用灰量加50 kg,丈量好钻杆长度,标上明显标志,以便掌握钻杆钻入深度、复搅深度,保证设计桩长。3)钻进、送气:钻机就位经检查无误后开始下钻,待钻头接近地面时启动空气压缩机送气,继续钻孔至坚硬土层,确保工程质量。4)喷粉、搅拌:钻头钻进至加固深度后,停止钻进,钻头反转但不提升,打开送料阀门喷送水泥粉,从水泥计量器读数上确认送粉后开始提升钻杆。整个喷粉制桩过程为边喷粉、边搅拌、边提升的连续作业。5)停灰、复搅:当搅拌钻头提升离地表30 cm时,关闭喷粉系统,钻头在原位旋转1 min后,再钻进至设计桩底处,复搅一次,即将钻头再边搅拌边提升至地面。在喷粉过程中,每延米的喷粉量与设计配比的误差不得大于3 kg,总的喷粉量与设计误差不得大于8%。在确认成桩的其他指标满足设计要求后方可移动钻机,进行下一根桩施工,否则应立即进行补打。

4 质量控制措施

4.1 施工前准备阶段的控制

4.1.1 加强对机械设备的检验

1)每台钻机必须配置可以控制桩身每米喷粉量的记录器,且记录器上的任何一个可操作的按钮和开关不得用于设定和操作时间、深度、喷粉重量、桩位编号、复搅深度、复搅次数等参数,防止伪造施工记录。2)桩机上的气压表、转速表、电流表、电子称必须经过标定,不合格的仪表必须更换。3)每台桩机钻架相互垂直,两面上分别设置两个0.5 kg重的吊线锤,并画上垂直线。4)在每台桩机的钻架上画上钻进刻度线,标写醒目的深度。5)钻头直径的磨损量不得大于1 cm。

4.1.2 加强对原材料的检验

1)粉喷桩所用水泥必须经过实验室抽检,满足规范的要求,并尽量不采用那些产量较小,质量不稳定的水泥厂生产的水泥。

2)水泥的堆放应该符合防雨、防潮的要求,严禁使用过期、受潮、结块、变质的水泥。

4.1.3 施工前必须进行工艺试桩

不同地段具有不同的地质条件,为了克服盲目性,确保粉喷桩加固地基收到预期的效果,在粉喷桩施工前必须进行工艺试桩,试桩数量不少于5根。

4.2 施工中的质量控制

1)桩机就位检查:桩机就位应严格按照设计桩位及规范要求,用全站仪或经纬仪定位,检查桩位、平面偏差、桩轴线偏移(纵横方向)、钻杆倾斜度,平面尺寸直接用钢尺丈量,倾斜度可采用钻架正面与侧面两面挂重线锤控制,或在不受机械施工影响范围内成90°方向各设置一架经纬仪控制。2)成桩深度、孔径的检查:粉喷桩机一般都配有深度计,对使用的钻头应定期复核检查,其直径磨耗量不得大于10 mm,大于10 mm的应换钻头,以保证桩径满足设计要求,桩长应根据场地的标高调整,以保证有效桩长和桩顶标高的准确性。3)粉体计量控制:粉喷桩的质量好坏与水泥掺入量的多少和喷粉的均匀性有直接的关系。保证喷粉均匀性的关键是掌握好钻头的提升速度,从开始喷灰到钻头出灰有一定的时间,钻机钻至桩底后,必须预喷停留一段时间,方可提钻。停留时间由管道长度等确定。4)复搅长度的检查:在正常施工情况下,规范要求复搅长度应为有效桩长的1/3,以求得最佳经济效果和加固效果。一方面,可通过电脑显示器看出;另一方面,可通过观察钻杆钻入的长度来检查。

4.3 成桩后的质量控制

1)无侧限抗压强度的检测:成桩28 d后在桩体上部(桩顶以下0.5 m,1.0 m,1.5 m)应截取三段桩体进行现场桩身无侧限抗压强度试验,检查频率为1‰～2‰,必要时应安排进行全桩长取芯,以检测粉喷桩的质量。

2)复合地基承载力的检测:粉喷桩成桩28 d后对形成的复合地基承载力进行检测,检测方法采用单桩或多桩复合地基载荷试验,按总桩数的0.2%抽检,复合地基承载力的计算按下式进行:

其中,Nq为复合地基承载力;Nd为水泥土单桩竖向承载力,,K为总安全系数,Up为桩身截面周长,fi为桩周第i层土的极限摩阻力,li为第i层土的厚度,Ap为桩端的截面积,fp为桩端处天然土的承载力;m为面积置换率,n为软基加固区总桩数,A为软基加固区总面积;Ad为水泥土单桩截面积;Nt为桩间天然地基土承载力。

5 结语

黄延高速公路共三段软基处理采用粉喷桩,共制桩18 140根,成桩后对桩身密度和复合地基承载力等检测项目分别按规范要求的检测频次进行抽检,桩身密度检测373根,复合地基承载力检测36根,结果均达到优良标准。通过施工和检测结果证明:粉喷桩在处理软基上具有施工作业简便,速度快,效果好,工后沉降小等优点,同时能有效防止“塌孔”“缩径”“断桩”等质量事故的发生。在施工中根据其施工工艺,采取相应的质量控制措施,对于处理大面积的淤泥、淤泥质黏土、黏土、含黏性土碎石相结合的地质构造是相适应的,具有推广价值和意义。

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