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·路基工程·收稿日期:20160728旋喷搅拌桩在软土地基处理工程中的应用毛忠良(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)摘 要 介绍了铁路工程中常用的软基处理方法,通过将目前软土地基加固方法中常规的水泥土搅拌技术和高压射频注浆技术进行有机结合,提出了旋喷搅拌桩的加固特点,对加固效果进行了初步试验和分析,并在工程实践中取得了成功,取得了明显的经济和社会效益。 对探索在软黏土地基处理的新加固方法,做了有益的尝试,为类似工程地质条件下的地基处理实践,提供了可以借鉴的成功案例。关键词 旋喷搅拌桩 高含水量 软土地基 处理技术中图分类号 TU447 文献标识码 B 文章编号 1009 4539(2016)11005605 TreatmentforSoftSoil ⁃ FoundationUsedbyJetgroutedMixingPile MaoZhongliang (ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo. Ltd.,Beijing102600,China)Abstract Maintreatmentmethodofgeneralsoftfoundationinrailwayconstructionwasintroducedinthepaper,treatmenteffect ⁃ ofjetgroutedmixingpilewasproposedbycombiningthetechnologyofcementdeepmixedwithjettechnologyeffectively.⁃Prelim ⁃ inarytestandanalysisfortreatmentresultofjetgroutedmixingpilewasraised. Itwasofgreateconomicvalueandsocialbenefit topopularizethenewtreatmentmethodforthesoftsoilof highmoisturecontent andorganicmatterfoundation,successfulcase providedinthepapermaybeservedasareferenceforfoundationtreatmentinsimilarengineeringgeologicalconditions. Keywords ⁃ jetgroutedmixingpile;highmoisturecontent;softsoil foundation;treatmenttechnique 1软土特征及地基处理方法的发展 1.1软土的基本特性我国地域辽阔,软土类型众多,其主要分布在我国的沿海、沿湖地区。 按《铁路特殊路基设计规范》 (TB10025-2006)一般规定[1]:软土指在静水或缓慢流动环境中沉积,具有含水率(w≥Wl)、孔隙比大(e≥1. 0)、压缩性高(a0. 1~0. 2≥ 0.5× 1/MPa),强度低(Ps <0.8MPa)等特点的软黏土。 1.2铁路软土地基处理技术的发展水泥土搅拌技术和高压射频注浆法技术(我国称 “旋喷法”),于 20 世纪 70 年代由日本开发并应用,在欧洲、日本、美国地基处理工程中得到了广泛的应用,我国于 1983 年引进该技术,逐步应用于铁路、公路、市政工程、港口码头、工业与民用建筑专业等。目前国内常用的软土地基处理技术[2]主要包括两大类:排水固结法和复合地基法。 堆载预压、降水预压等都属于排水固结法,可起到加快排水固结的作用,但不能减少总沉降量,在有限的时间之内,路堤的工后沉降大;复合地基法[3]又分为刚性桩复合地基(如CFG 桩、PHC 桩等)和柔性桩复合地基(如砂桩、二灰桩、碎石桩和水泥土搅拌桩等),刚性桩复合地基由于加固效果好、加固质量高等优点,能够有效地控制工后沉降。 柔性桩复合地基造价低,但控制沉降效果差,且加固深度有限,对于深厚软土加固效果较差,尤其对工后沉降要求很高的高速铁路地基加固时,其工后沉降往往难以满足规范要求。水泥土搅拌桩和旋喷桩作为现阶段铁路路基处理软土地基加固的主要措施,在我国得到了广泛的发展和应用,取得了大量的实践经验和研究成果。 1.3高压旋喷桩与水泥土搅拌桩的优缺点 1.3.1高压旋喷桩利用高压泵(压力一般大于 20MPa)将水泥浆液通过钻杆端头的特制喷头,冲击破坏土体,使浆65铁道建筑技术 RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·路基工程·液和土体拌和形成固结体,由于其具有较强的钻进和切削能力,使其适应地层范围较广,加固深度较大;设备较简单、机架高度低,轻便,施工简便,速度快,安全性高,尤其在铁路既有线增建第二线、高压线下等受施工净空控制的环境中,对设备高度有安全高度要求的地区地基处理等方面,更具有优势,缺点是,由于其喷浆压力大,喷射范围随地层软硬变化,导致桩径大小无法控制,水泥浆用量不易控制,造成水泥浆的浪费,当孔口泥浆外溢时,对环境有影响,如压力控制不好,对邻近建筑物有影响,导致其变形和位移;总之,地基处理费用偏高。 1.3.2水泥土搅拌桩[4]适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、素填土、粉土、黏性土以及无流动地下水的松散砂土等地层。 在施工方法上,按其使用加固材料的状态,可分为浆液搅拌法(湿法) 和粉体搅拌法(干法)。利用低压力泵(压力一般小于 2MPa)将水泥送至地基深处,通过搅拌叶片将土和地层搅拌均匀,形成强度较高的水泥土状体,其加固深度[5]浆喷一般不大于 18.0m,粉喷不大于 15.0m。 优点是施工机械简单、速度快,工程造价低,虽然通过采用双向搅拌技术,大大改善了搅拌过程中对原地基土的扰动,避免了冒浆现象,提高了桩身的均匀性及桩身强度,但由于设备本身的限制,导致难以穿透较硬土层,加固深度有限,喷浆压力过小,导致桩身强度偏低。 2旋喷搅拌桩的加固原理及施工工艺 2.1旋喷搅拌桩加固原理通过对施工机械设备的改进及创新,分析两者的优缺点,扬长避短,将水泥土搅拌桩的搅拌工艺和旋喷桩的高压射频技术有机结合,通过改进的搅拌桩设备,用较高压力(一般控制在 10~20MPa)喷射水泥浆液,切削土体,并将高压喷射的水泥浆通过钻头的改进,见图 1,将其限定在设计的范围内,同时采用双向搅拌技术,将浆液和土体进行充分搅拌,减少水泥浆对周围土体的扰动,其桩身强度介于搅拌桩和旋喷桩之间,同时可以根据对桩身不同部位的强度要求采用变径等工艺,最大限度地利用桩身的强度,可大大提高旋喷搅拌桩的性价比。 本文在连云港港口集团铁路专用线中采用钉型旋喷搅拌桩加固软土地基设计,取得了一些阶段性成果。 图 1搅拌桩头的改进 2.2旋喷搅拌桩施工工艺桩机就位 -缩径至设计直径 -旋喷下沉至设计桩底设计标高 -旋喷提升至桩顶标高 -旋喷下沉至桩底设计标高 -搅拌提升至桩顶标高(关闭高压泵 )- 扩径旋喷下沉并搅拌至扩大头底 - 旋喷并搅拌提升至桩顶标高 -旋喷搅拌下沉至扩大头底 -搅拌提升至桩顶标高(关闭高压泵)。 2.3旋喷搅拌桩试桩施工技术参数(见表 1)表 1旋喷搅拌桩试桩施工技术参数序号名称技术参数备注1钻进速度/(m·min -1) 1.35(三挡 )0.73(二挡)试桩方案2提升速度 1.35(三挡 )0.73(二挡) 扩大头用二挡3喷浆压力/MPa 15~204流量 /(L·min -1)525成桩时间/min90 25m 桩长 3旋喷搅拌桩的工程应用 3.1工程概况连云港港旗台作业区液体散货泊位内部专用铁路工程地基处理工程位于连云港港旗台作业区,北侧为 30 万 t 航道(连云港区)及相应码头泊位,南侧为旗台山与南防波堤。 本工程由西向东依次经过海军营地陆域、25 万 t 级矿石码头后方堆场区域、液体化工罐区陆域与旗台吹填区 ⁃21 区,液体化工围堰、旗台港区围堤、南防波堤为本工程围护建筑。海军营地陆域、25 万 t 矿石码头堆场铁路装卸线东延伸段区域、液体化工罐区陆域已形成陆域并已完成先期处理,旗台吹填区 ⁃21 区已吹填形成陆域。 3.2工点设计情况 3.2.1地质概况本工程地处连云港东部港区,陇海铁路起点站连云港站以东 4.5km 处,大部分位于新的吹填、抛填区域,软土及吹填土成因类型及地层结构较为复杂、最大软土厚度达 40m,工程力学性质差,为确保施工机械的稳定和施工安全,有效控制路基工后沉降,业主已经对吹填区采用真空预压和塑料排水板进行先期处理。 为节省投资,对先期处理完后的软土路基的处理措施需根据各板块的功能要求、路堤填土高度、先期处理后的软土力学指标分别进行地75铁道建筑技术 RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·路基工程·基承载力,沉降计算,根据不同区域进行不同方案的地基处理[6]。 其中除整体道床区域外,一般采用悬浮桩处理,以节省投资,在借鉴连盐铁路地基处理成熟经验的基础上,采用钉形旋喷搅拌桩[7]进行深厚层软土处理是本次设计的亮点和创新点;具体地层的物理力学指标见表 2。表 2软土物理力学特性指标钻孔编号地层编号地层深度/固快快剪m Ccq/kPa Ccq/kPa Cq/kPa Cq/kPa颜色状态或密实度地基基本承载力σ0/kPa定名YJZ11①⁃3 0~2.4灰色松散100中砂①⁃4 2.4~9.511 9.9(5) (0.2)灰色流塑40淤泥②⁃1 9.5~2015 9.98 0.5灰色流塑40淤泥②⁃2 20~37.8023 9.512 0.7灰色流塑40淤泥③⁃6 37.8~39.015 0.9灰色软塑120粉质黏土③⁃8 39.0~48.418 1.2灰色软塑70黏土 3.2.2设计方案路基处理 A 区地质条件较好,基底采用重型碾压处理,重型碾压的碾压遍数应根据实验性施工确定,满足基床表层压实标准,碾压范围为坡脚外 2.0m。 3.2.3B 区、C 区、D 区及坡脚范围路基处理 B 区、C 区、D 区均位于旗台吹填区,先期处理(塑料排水板 + 真空预压)均已完成;现地面标高为 4. 4~7. 0m, 原滩面标高为 -1. 2~ -4.9m,淤泥底标高为 -33~-21.9m,局部地势变化较大,淤泥层以下为黏土层或粉细砂层。C 区为[6]过渡段,采用钉形旋喷搅拌桩加固处理[7],钉形桩扩大头直径为 0.9m,扩大头高 4.0m,以下桩径 0.5m,桩长 16~25m,正三角形布置,桩间距为 2.0m,加固范围至路堤坡脚。 3.3设计计算[8]钉形旋喷搅拌桩的下部桩径不宜小于 500mm,上、下桩径比(D/d)宜在 1.8~2.4 之间。复合地基承载力特征值,应通过现场复合地基载荷试验确定,初步设计时也可按下式估算[9]:fspk= m1Rka/AP1+ β(1 -m1) fsk式中,fspk为复合地基承载力特征值(kPa)。 fsk为处理后桩间土承载力特征值(kPa),宜按当地经验取值,如无经验时可取天然地基承载力特征值。 β 为桩间土承载力折减系数,宜按当地经验取值,如无经验时可取 0. 75~1. 0。 m1为扩大头部分面积置换率,m1= D2/d2e,D 为扩大头直径(m),de为一根桩分担的处理地基面积的等效值径(m),等边三角形布置时,de =1.05S;正方形布置时,de =1.13S;矩形布置时,de =1.13S1·S2;S、S1、S2分别为桩间距、纵向间距和横向间距。 Ap1为扩大头部分截面积(m2)。 Rka为单桩承载力特征值(kN)。复合土层的分层与天然地基相同(在变截面处应分层计算),各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量与桩体压缩模量按照面积置换率加权平均,即:Espi =miEp +(1 -mi)Esi式中,Espi为第 i 层土体深度范围内,复合地基压缩模量(MPa);Ep为桩体压缩模量(MPa),可取 (150~180)fcu;mi为第 i 层土体深度范围内,桩体面积置换率;Esi为第 i 层土体深度范围内,地基土压缩模量(MPa)。计算深度范围内压缩模量当量值:Esp=∑Ai∑AiEspi式中,Ai为第 i 层土体深度范围内,附加应力系数沿土层厚度的积分值。扩大头[10]深度范围内复合土层平均压缩变形量 s1(mm)按下式计算:s1=∑n1 i= 1p0Espi(Ziai -Z i-1a i-1)式中,ai,a i-1为扩大头深度范围内第 i 层土,底面和顶面平均附加应力系数;Espi为扩大头第 i 层土深度范围内复合土层的复合模量(MPa);Zi,Z i-1为扩大头深度范围内第 i 层土底面和顶面深度(m)。下部桩体深度范围内复合土层平均压缩变形量 s2(mm) 按下式计算:s2=∑n2 j= 1p0Espj(Zjaj -Z j-1a j-1)式中,aj,a j-1为下部桩体深度范围内第 j层土,底面和顶面平均附加应力系数;Espj为下部桩体第 j 层土深度范围内复合土层的复合模量(MPa);Zj,Z j-1为下部桩体深度范围内第 j 层土底面和顶面深度(m)。 3.4旋喷搅拌桩试桩及检测要求 3.4.1工艺性试桩旋喷搅拌桩施工前应通过工艺性试桩,掌握对85铁道建筑技术 RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·路基工程·该场地的成桩经验及各种操作技术参数。 试验桩不得少于 2 根。 对缺少经验的地区应进行室内配方试验。 如发现不成桩存在施工桩长与设计不符或成桩质量有问题,应及时通知设计单位进行现场处理。 3.4.2掺灰比采用 Po42.5 级及以上矿渣水泥,掺灰量为 30% ~40%,喷射水泥浆压力 10~20MPa。 3.4.3质量控制高质量控制应贯穿在施工的全过程,实施全程的施工监理。 施工过程中必须随时检查施工记录和计量记录,并对照规定的施工工艺,对每根桩进行质量评定。 3.4.4质量检测包括强度检测和承载力检测,承载力检测应采用单桩载荷试验或复合地基载荷试验。(1)取芯检验在成桩 28d 后, 在桩径的 1/4 处用双管单动取样器在桩长范围内取芯。 检验桩体完整性和均匀性,检验数量为施工总桩数的 0.2%,且不少于 3根,每个孔在不同深度取 3 个试样做无侧限抗压强度。 取芯后的孔洞应采用水泥砂浆灌筑封闭。(2)静载荷试验在成桩 28d 后,任意抽取总桩数的 ‰2进行单桩复合地基载荷试验,或单桩载荷试验,且每项单体工程不应少于 3 点,复合地基承载力和单桩承载力均不得小于工点设计要求的承载力。 单桩复合地基载荷试验按《铁路工程地基处理技术规程》(TB 10106-2010)要求进行试验。(3)开挖检验根据施工质量情况,经钻探取芯试验和载荷试验对桩身强度和桩身完整性有怀疑时,可选取一定数量的桩体进行开挖,检查加固柱体的外观质量、搭接质量和整体性等。 4试桩及检测情况对本段内采用搅拌桩(干法和湿法)和旋喷搅拌桩在施工前进行了工艺性试桩,每种工法各试桩 27根,根据不同的水泥掺量进行试桩,每种掺量 9 根,总计 27 根,通过试桩确定水泥掺量、水灰比、泵送时间、送浆压力、提升速度、成桩时间等施工工艺参数。 4.1检测要求双向搅拌桩 90d 龄期无侧限抗压强度平均值qu90≥ 1.5MPa;旋喷搅拌桩 90d 龄期无侧限抗压强度最小值 qu90≥ 3.0MPa。 4.2检测结果通过现场随机选取不同的掺灰比试桩抽芯[11],检验成桩 28d 后桩身完整性及桩身无侧限抗压强度结果见表 3。 4.3试桩结果分析本区软土为海相软土,层厚达 30m 以上,含水量大,有机质含量高,在地表下 10m 范围内吹填土(粉砂)采用钉形搅拌桩时,湿喷和干喷的效果差距大,但 10m 以下的原状土地基采用干喷效果明显比湿喷好,故在 B 区采用钉形搅拌桩(干喷)。 在 C 区过渡段采图 2旋喷搅拌桩现场取芯照片用旋喷搅拌桩,图 2 为试桩成桩 28d 后的取芯现场照片。 从图中可以看出,桩身完整连续、搅拌均匀、芯样光滑,外观质量完全满足设计要求,成桩整体效果好,无侧限抗压强度最小值 0.90MPa,最大值为 19.83MPa,平均值为 7.17MPa。 完全满足设计要求。 结合检测过程分析原因;个别芯样较破碎,可能与取芯工艺有关。表 3不同桩型 28d 桩身无侧限抗压强度MPa地基处理方式水泥掺灰比芯样个数最小值最大值平均值变异系数水泥搅拌桩(干喷)14%27 0.67 5.91 2.70 0.5016%22 0.98 13.92 3.01 0.9018%25 0.70 4.42 2.16 0.42水泥搅拌桩(湿喷)14%15 0.10 4.47 1.39 0.7616%35 0.30 10.50 2.46 1.0018%26 0.18 10.19 2.46 1.06旋喷搅拌桩32%8 2.47 11.65 7.11 0.3535%40 0.90 19.83 7.17 0.7438%53 1.32 12.98 7.69 0.3095铁道建筑技术 RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·路基工程· 在 D 区(整体道床区),采用预制方桩,桩长 30~40m,B 区(咽喉区),采用钉形搅拌桩,桩长 14~ 18m,在 B 区与 D 区之间的过渡段 C 区,采用 18~ 25m 的旋喷搅拌桩加固,通过不同的桩长过渡,确保场区路基的总沉降和不均匀沉降[12]满足设计要求,经过对不同加固措施的综合比较分析见表4。表 4各种处理方案经济技术比较加固方案桩径 /m 桩间距/m 布置形式处理深度置换率掺灰比综合单价元/m指标元 /m2优缺点双向水泥土搅拌桩 0.5 1.4正三角形18 0.115618%52552造价省,处理深度有限旋喷搅拌桩(钉形) 0.9 2.0正三角形18 0.183635%118613造价较省,处理深度大,环保高压旋喷桩 0.5 1.5正三角形18 0.100740%98906处理深度大、造价高,污染 4.4工程措施从表 4 可以看出,如果在确定成桩没有问题的前提下,当地基加固深度在 18m 以内时,采用双向搅拌桩比较经济,当加固深度大于 18m 时,采用旋喷搅拌桩比采用常规的旋喷桩更经济。经现场检测,复合地基的承载力均大于 150kPa,满足设计要求。 结合技术可行性、经济性、工期等多方面因素考虑,为以后类似工程的设计积累了成功的案例。 5结论(1)高压注浆,通过变径工艺措施,桩形根据受力状况可随时进行调整。喷浆压力虽大(不大于 20MPa)采用对浆液的封闭装置,克服了普通旋喷桩桩径在喷浆过程中随地层软硬变化而变化的缺陷,在施工过程中,可根据地层强度或结构要求,在不同深度,采用不同桩径加固,最大限度地发挥了桩身的强度。(2)搅拌均匀,强度提高,质量可靠。对钻头的形状进行改良,在高压旋喷注浆后,采用双向搅拌工艺,将水泥浆与土进行均匀搅拌,使水泥土进行充分的水化反应,可大大提高桩身的均匀性和桩身强度。(3)对桩周土扰动小,受力合理。由于高压旋喷的浆液被限制在设计的范围,采用同心双轴同时正反转工艺,使土体对叶片产生的水平旋转力保持相互平衡,大大降低了水泥浆在喷射、搅拌过程中对桩周土体的扰动,通过采用变径的工艺,使桩身的受力更加合理。(4)可减少水泥掺量,节省工程投资。采用特殊的浆液封闭装置,解决了浆液因地层软硬变化横向流失的问题,双向搅拌技术,解决了浆液向上返浆的问题,确保喷射的浆液全方位锁定在桩身范围内,有效解决了地表因浆液流失而产生的环境污染问题,通过旋喷与搅拌技术的有机结合,充分吸收各自设备的优点,通过对设备改良及采用新的工艺,扬长避短,有效地解决了搅拌桩和旋喷桩自身存在的问题,避免了材料在施工过程中的浪费,在同等桩身设计强度条件下,可大大减少水泥的掺量,节省工程投资;实践经验表明:旋喷搅拌桩是一种经济可行,环保、施工简便的地基处理新技术,在软土地基处理领域具有很好的推广价值。参考文献 [1] TB10025-2006铁路特殊路基设计规范[S]. [2]毛忠良.NG 改良土桩在铁路软土地基处理工程中的应用[J]. 西南交通大学学报 ,2012(S1):111-115. [3]龚晓楠.高速公路软弱地基处理理论和实践[M]. 上海:上海大学出版社,1998:6. [4]刘松玉.粉喷桩复合地基理论和工程应用[M]. 北京:中国铁道出版社,2006:5. [5] TB10106-2010铁路工程地基处理技术规程[S]. [6] TB1001-2005铁路路基设计规范[S]. [7]卞保宽.铁路软土铁路路基钉型搅拌桩加固设计方法探讨[J].铁道建筑技术 ,2016(4):80-83. [8]苏 JG/ T024-2007钉形水泥土双向搅拌桩复合地基技术规程[S]. [9]席培胜,刘松玉.钉形水泥搅拌桩荷载传递规律[J].建筑结构 ,2014(14):96-99.[10] 贺微,杜广印,易耀林,等.变截面搅拌桩加固双层软弱地基承载特性[J].公路交通科技 ,2014(6):63-66. [11]TB10102-2010铁路工程土工试验规程[S].[12] 刘锋.水泥搅拌桩加固软土路基沉降分析[D]. 西安:长安大学 ,2013:19-29.06铁道建筑技术 RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据
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