浅谈粉喷桩加固高速公路软土路基的关键设计及施工

　　摘要:高速公路软土地基处理技术至今仍是工程中探索的热点问题之一。论文重点阐述了粉喷桩对高速公路软土路基的加固机理和作用，重点对粉喷桩的设计及施工工艺部分进行了探讨和总结，从而推广粉喷桩在高速公路软土路基工程中的应用。
　　关键词：粉喷桩，软土路基，加固处理
　　引言
　　粉喷桩复合地基由于能显著改善地基承载力，减小地基沉降，并能有效抑止地基土体侧向变形而成为一种较理想的处理软土地基方式，在工程中得到广泛的应用。但由于地质条件及粉喷桩复合地基本身问题的复杂性，目前对粉喷桩复合地基的认识仍处于不断探讨与研究之中。尤其是对其承载机理、承载力计算、沉降分析等方面的研究还不完善，有待进一步深入研究。
　　1粉喷桩加固软土路基机理及特点
　　1.1粉喷桩加固软土路基的机理
　　粉喷桩处理软土路基的机理包含两个方面内容，一是固化剂（水泥或石灰）与软土发生一系列物理化学反应而形成强度和刚度都比软土大得多的水泥土或石灰土机理；二是水泥土桩或石灰土桩与桩间土构成复合地基的作用机理。
　　对于粉喷桩复合地基的加固机理主要有以下几个方面：
　　（1）置换作用（也称桩体效应），桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减小了桩间土承担的荷载。这样由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小。
　　（2）垫层作用粉喷桩通过喷注粉体与地基土原位均匀搅拌硬结成桩体，并与桩间土复合形成一个复合地基或称复合层。
　　（3）挤密作用粉喷桩就地搅拌且喷注水泥粉与地基土形成桩体的过程中，不再向地基中注入附加水，反而桩体中的水泥粉对周围软土是有吸收、发热和膨胀作用，对桩周围土同样可起到挤密作用。
　　（4）加筋作用粉喷桩除了提高地基的承载力，还可起到提高土体的抗剪强度，增加软基路堤填筑的稳定性。
　　1.2粉喷桩加固软土路基特点
　　工程实践证明，该方法具有以下优点：
　　（1）粉喷桩施工较为简单易行，由于桩身早期强度提高较快，施工效率高，因此特别适用于工期紧或要求快速提高强度等方面的工程；
　　（2）粉喷桩施工时振动小、噪音低，可以在市区内和密集建筑物群进行施工；
　　（3）粉喷桩可以根据上部结构的需要，其加固形式和方式比较灵活；
　　（4）相比钢筋混凝土桩基相比，可节约钢材并降低工程造价；
　　（5）土体加固后容重基本不变，不会因加固土体重量增加而引起下卧层的附加沉降，能够有效地减少和控制沉降量和工后沉降量。
　　2粉喷桩加固高速公路软土路基的关键设计及施工
　　2.1工程概况
　　安徽铜汤高速公路K132+500~K135+150段地势低洼，地下水位高，土质松软，土体含水量大，不宜用作路基填筑材料。该地区软基地段地貌上普通属第四纪滨海积和湖沼积平原，软土呈流塑状态，具有高压缩性，大孔隙化，高含水量，极低抗剪性，极低承载力及中等灵敏性的特性，孔隙比e=1.007~1.875，快剪力C4R=0.5～17kpa，压缩模量Es=1.15～4.8Mpa，液性指数IL=0.98～2.113，灵敏度S=3.6左右，软土层厚浅的一般地段有5～18米不等，深的地段达40余米左右，因此工程地质条件复杂，地基物理性质差。采用粉喷桩处理措施来减小软土地基的总沉降量，达到满足工程设计的需要。
　　2.2软基处治的推荐设计方案
　　通过试验、观测与研究之后，结合该地区软基厚度较小、施工期沉降较大、工后沉降较小的特点，提出该地区软基处治的推荐设计方案如下：
　　2.2.1粉喷桩复合路基设计思路

　　2.2.2软基处理标准
　　（1）路堤稳定控制标准
　　高速公路的路堤，在施工期和运营期，使用有效固结应力法（快剪与固结快剪指标）计算，最小稳定系数K≥1.20。
　　（2）工后沉降控制标准
　　路基工后沉降≤20cm；涵洞工后沉降≤20cm；桥头工后沉降至10cm。
　　（3）路堤施工期采用填筑速率控制施工。
　　2.2.3软基处理推荐设计方案
　　（1）桥头、涵洞和园管涵的基底处理
　　桥头路基采用粉喷桩+7OCm石渣处理，处理长度为桥头每侧15m。暗板涵、箱涵、园管涵的基础采用粉喷桩+7ocm石渣处理，处理长度为基础每侧5m。
　　（2）路基的基底
　　路基高度>3m，软土厚度>15m的路段，可采用粉喷桩+70cm石渣处理。
　　2.2.4粉喷桩的设计参数
　　（1）粉喷桩强度设计要求为：R7d≥0.96MPa；R28d≥1.60MPa；R90d≥2.50MPa。（2）承载力要求：复合地基承载力≥220kPa。
　　（3）桩径、桩长：桩径为50cm，路基上顶面宽度28米范围内桩长为10m，路基边坡范围内桩长为7m，该试验段路基填土高度6米，加固区长度为35m；
　　（4）桩的布置：最小桩间距1.2m，桩径在平面上呈三角形（梅花形）布置。
　　（5）桩的置换率：m=15.0%。
　　2.3粉喷桩处理软基施工技术
　　2.3.1材料
　　（1）生石灰
　　生石灰应是磨细的，最大粒径应小于Zcm，石灰中应无杂质，氧化钙、氧化镁含量不应小于85%，其中氧化钙含量不应低于80%。
　　（2）水泥
　　水泥采用普通水泥或矿渣水泥，应是国家免检产品，严禁使用过期、受潮、结块、变质的劣质水泥。对非免检厂生产的水泥，应分批提供有关标号、安定性等试验报告。
　　（3）粉煤灰
　　粉煤灰化学成分中要求二氧化硅和二氧化二铝的含量应大于70%，烧失量应小于10%。也可采用石膏粉作为填加剂，有利于强度的提高。施工实际使用的固化剂和填加剂必须通过室内试验的检验，符合设计要求后方能使用。
　　2.3.2成桩试验
　　在粉喷桩进行大量施工前，必须要进行成桩试验，成桩工艺性试验桩数不宜少于5根。试验应取得技术参数。
　　2.3.3施工机械
　　粉喷桩的施工机械主要由步履机构、动力机构、传动机构、操作机构、粉体发送器、空气压缩机、搅拌钻头等组成
　　2.3.4施工工艺
　　施工程序为：整平原地面—钻机定位—钻杆下沉钻进一上提喷粉强制搅拌一复拌一提杆出孔—钻机移位。
　　2.3.5质量控制
　　粉喷桩施工应根据成桩试验确定的技术参数进行，操作人员应随时记录压力、粉喷量、钻进速度、提升速度等有关参数的变化。并应满足下列要求：
　　（1）严格控制喷粉标高和停粉标高，不得中断喷粉，确保桩体长度；严禁在尚未喷粉的情况下进行钻杆提升作业；
　　（2）根据设计桩长，派专人进行成桩搅拌时间的记录，误差不得超过5S。
　　（3）为确保桩身质量，对于桩身上部1/2桩长或不小于8m的范围内必须进行二次复搅以便使桩体质量上下均匀一致。
　　（4）施工机具设备的粉体发送器必须配置粉料计量装置，并记录水泥的瞬时喷入量。严禁无粉料计量装置的粉体发送器投入使用；贮灰罐容量应不小于一根桩的用灰量加50kg；当贮量不足时，不得对下一根桩开始施工；钻头直径的磨损量不得大于1cm；
　　（5）控制重复搅拌时的提升和下沉速度，以保证加固深度范围内每一深度均得到充分搅拌；
　　（6）原始施工记录应对每桩的深度、加灰量等情况及时、准确进行现场记录，严禁事后补记，并及时移交给施工技术负责，施工技术负责应及时汇总、登记。施工技术人员负责人应随时检查施工记录，并对每根桩进行质量评定。对于不合格桩应根据其位置和数量等具体情况，分别采取补桩或加强邻桩等措施。
　　（7）为了加强桩头搅拌的均匀性，提高桩顶强度，一般在桩顶下2m～3m深度范围内再进行一次复搅，并按设计要求进行复喷复搅。如果遇土体含水量很高，强度低的软弱土，出现液化的粉土，可在向下搅拌的同时，喷射粉固化材料，改善土的稠度，防止由于压缩空气的脉动使粉土液化。
　　2.4粉喷桩质量检测
　　常用检测方法简介如下：
　　（1）轻便动力探触成桩7天内应采用轻便触探仪（10N）检查桩的质量，触探点设在桩径方向1/4处，抽检频率2%。试验过程中，可用轻便触探仪中附带的勺钻，在粉喷桩桩身钻孔，取出水泥土桩芯，观察其颜色是否一致，是否存在水泥浆富集的结核或未搅拌均匀的土团。轻便动力探触应作为施工单位一种自检手段，以检验施工工艺和施工参数的正确性。
　　（2）整桩钻探取芯用钻机对整个桩身钻取芯样，制成试块进行无侧限抗压强度试验，用以测定桩体强度。该法是检测水泥粉喷桩直观、可靠、有效的方法，这是目前喷粉桩质量检测中常用的方法，测定结果能较好地反映喷粉桩的整体质量：但该方法也存在检测时间长、钻孔费用高，钻孔取芯时间一般需在28d以后，难以对搅拌桩质量实施动态控制等问题，对取芯的工艺要求也较高，往往只能抽取少量的桩进行钻孔取芯检测。
　　（3）低应变动测法根据激振力的大小分高应变及低应变两种测试法。由于粉喷桩的桩体强度相对较低，常采用激振力较小的低应变反射波法。这种近年来新开发的原位测试技术利用电子仪器和计算机处理，效率高，质量好，应用非常广。应力波反射法测水泥粉喷桩较简捷方便，且节约工期，较适用于大数量粉喷桩普查与评价分析，但也有一定的局限性。经验波速随着龄期、强度、水泥含量、土样含水量变化存在着明显的不确定性，喷粉桩桩体强度与波速之间关系离散，造成经验波速范围波动过大，桩端阻抗与周围介质没有明显变化，桩底反射不明显，检测结果误差较大。另外，有时因搅拌不充分造成的水泥层状、片状分布将会令反射波法很难甚至无法分析。到目前为止，在国内用反射波法检测水泥搅拌桩的桩身质量目前还处于探索、发展阶段，其准确性与可靠性还有待进一步提高与完善。
　　3结束语
　　总之，粉喷桩复合地基技术能充分发挥土体及桩体材料的工程特性，经济合理地解决了这一矛盾，具有很好的应用前景，希望在我国高速公路软土路基加固方面得到了大量推广应用。
　　参考文献:
　　[1]刘松玉，钱国超，章定文.粉喷桩复合地基理论与工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.
　　[2]钱国超.喷粉搅拌桩处治高速公路软土地基的机理与设计方法[M].南京：东南大学出版社，1999.
　　[3]周金超.浅谈粉喷桩加固软土路基施工[J].山西建筑，2008，34（16)：116-117.
　　

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