粉噴樁的施工技術

韓洪興 姜玉松 聶 瓊

1 工程概況

黃陵—延安高速公路是西部大通道包頭—西安—重慶—北海在陜西境內的重要組成部分。在HY1793+365～HY1794+440,HY1798+000～HY1798+480和HY1799+000～HY1799+580三段均為天然濕地,出露地層主要為淤泥、淤泥質黏土、黏土、含黏性土碎石。為減少對濕地自然環境的破壞和防止水污染,設計采用粉噴樁處理地基,樁徑0.8 m,按正三角形布置,樁中心距2.0 m,排距1.75 m,樁長8 m～12 m,打穿淤泥黏土層至底下0.6 m為處理范圍,共制樁18 140根,進尺194 420 m。

2 粉噴樁加固軟基的原理

2.1 粉噴樁在軟土地基的力學和變形特征

粉噴樁是“粉體噴射攪拌樁”的簡稱,就是利用專用的噴粉攪拌鉆機將水泥、石膏等粉體固化劑噴入軟土地基中,并將軟土與固化劑強制攪拌,利用固化劑與軟土之間所產生的一系列物理、化學反應,使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的樁體,并與周圍的土體一起形成復合地基,使樁土共同作用以提高地基承載力。粉噴樁可分為兩種形式,即端承型和摩擦型,原則上粉噴樁應穿透軟弱土層到達強度較高的土層(簡稱硬土層)。用粉噴技術形成的復合地基,其沉降變形應為粉噴樁群體范圍內的壓縮變形和粉噴樁群體底部未被加固土體的壓縮變形之和。粉噴樁群體范圍內的壓縮變形量根據荷載、樁長、樁身強度、天然地基土強度、置換率、復合地基的變形模量等估算。

2.2 復合地基的抗剪性能

復合地基形成過程中粉噴樁對周圍的土體進行了一系列的物理、化學過程,形成復合地基后,復合地基中存在的粉噴樁本身強度遠大于軟基強度,并且粉噴樁與原地基組成的復合材料強度也遠大于軟土地基,因此形成的復合地基比原軟土地基的抗剪強度有較大幅度的提高。

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

粉噴樁施工工藝流程見圖1。

3.2 技術要求

1)施工準備:按設計文件要求及施工現場的實際情況編制施工方案,安排施工順序流程。用人工配合推土機,挖掘機進行清表,整平場地,同時建立相應的測量網,準確放出粉噴樁樁位。2)機械進場,鉆機就位:機械進場后,移動攪拌主機,使鉆頭對準所標定的樁位,調整機身井架及鉆桿垂直度,將深度計調零,試機檢查管線是否暢通,儲灰量是否大于一根樁用灰量加50 kg,丈量好鉆桿長度,標上明顯標志,以便掌握鉆桿鉆入深度、復攪深度,保證設計樁長。3)鉆進、送氣:鉆機就位經檢查無誤后開始下鉆,待鉆頭接近地面時啟動空氣壓縮機送氣,繼續鉆孔至堅硬土層,確保工程質量。4)噴粉、攪拌:鉆頭鉆進至加固深度后,停止鉆進,鉆頭反轉但不提升,打開送料閥門噴送水泥粉,從水泥計量器讀數上確認送粉后開始提升鉆桿。整個噴粉制樁過程為邊噴粉、邊攪拌、邊提升的連續作業。5)停灰、復攪:當攪拌鉆頭提升離地表30 cm時,關閉噴粉系統,鉆頭在原位旋轉1 min后,再鉆進至設計樁底處,復攪一次,即將鉆頭再邊攪拌邊提升至地面。在噴粉過程中,每延米的噴粉量與設計配比的誤差不得大于3 kg,總的噴粉量與設計誤差不得大于8%。在確認成樁的其他指標滿足設計要求后方可移動鉆機,進行下一根樁施工,否則應立即進行補打。

4 質量控制措施

4.1 施工前準備階段的控制

4.1.1 加強對機械設備的檢驗

1)每臺鉆機必須配置可以控制樁身每米噴粉量的記錄器,且記錄器上的任何一個可操作的按鈕和開關不得用于設定和操作時間、深度、噴粉重量、樁位編號、復攪深度、復攪次數等參數,防止偽造施工記錄。2)樁機上的氣壓表、轉速表、電流表、電子稱必須經過標定,不合格的儀表必須更換。3)每臺樁機鉆架相互垂直,兩面上分別設置兩個0.5 kg重的吊線錘,并畫上垂直線。4)在每臺樁機的鉆架上畫上鉆進刻度線,標寫醒目的深度。5)鉆頭直徑的磨損量不得大于1 cm。

4.1.2 加強對原材料的檢驗

1)粉噴樁所用水泥必須經過實驗室抽檢,滿足規范的要求,并盡量不采用那些產量較小,質量不穩定的水泥廠生產的水泥。

2)水泥的堆放應該符合防雨、防潮的要求,嚴禁使用過期、受潮、結塊、變質的水泥。

4.1.3 施工前必須進行工藝試樁

不同地段具有不同的地質條件,為了克服盲目性,確保粉噴樁加固地基收到預期的效果,在粉噴樁施工前必須進行工藝試樁,試樁數量不少于5根。

4.2 施工中的質量控制

1)樁機就位檢查:樁機就位應嚴格按照設計樁位及規范要求,用全站儀或經緯儀定位,檢查樁位、平面偏差、樁軸線偏移(縱橫方向)、鉆桿傾斜度,平面尺寸直接用鋼尺丈量,傾斜度可采用鉆架正面與側面兩面掛重線錘控制,或在不受機械施工影響范圍內成90°方向各設置一架經緯儀控制。2)成樁深度、孔徑的檢查:粉噴樁機一般都配有深度計,對使用的鉆頭應定期復核檢查,其直徑磨耗量不得大于10 mm,大于10 mm的應換鉆頭,以保證樁徑滿足設計要求,樁長應根據場地的標高調整,以保證有效樁長和樁頂標高的準確性。3)粉體計量控制:粉噴樁的質量好壞與水泥摻入量的多少和噴粉的均勻性有直接的關系。保證噴粉均勻性的關鍵是掌握好鉆頭的提升速度,從開始噴灰到鉆頭出灰有一定的時間,鉆機鉆至樁底后,必須預噴停留一段時間,方可提鉆。停留時間由管道長度等確定。4)復攪長度的檢查:在正常施工情況下,規范要求復攪長度應為有效樁長的1/3,以求得最佳經濟效果和加固效果。一方面,可通過電腦顯示器看出;另一方面,可通過觀察鉆桿鉆入的長度來檢查。

4.3 成樁后的質量控制

1)無側限抗壓強度的檢測:成樁28 d后在樁體上部(樁頂以下0.5 m,1.0 m,1.5 m)應截取三段樁體進行現場樁身無側限抗壓強度試驗,檢查頻率為1‰～2‰,必要時應安排進行全樁長取芯,以檢測粉噴樁的質量。

2)復合地基承載力的檢測:粉噴樁成樁28 d后對形成的復合地基承載力進行檢測,檢測方法采用單樁或多樁復合地基載荷試驗,按總樁數的0.2%抽檢,復合地基承載力的計算按下式進行:

其中,Nq為復合地基承載力;Nd為水泥土單樁豎向承載力,,K為總安全系數,Up為樁身截面周長,fi為樁周第i層土的極限摩阻力,li為第i層土的厚度,Ap為樁端的截面積,fp為樁端處天然土的承載力;m為面積置換率,n為軟基加固區總樁數,A為軟基加固區總面積;Ad為水泥土單樁截面積;Nt為樁間天然地基土承載力。

5 結語

黃延高速公路共三段軟基處理采用粉噴樁,共制樁18 140根,成樁后對樁身密度和復合地基承載力等檢測項目分別按規范要求的檢測頻次進行抽檢,樁身密度檢測373根,復合地基承載力檢測36根,結果均達到優良標準。通過施工和檢測結果證明:粉噴樁在處理軟基上具有施工作業簡便,速度快,效果好,工后沉降小等優點,同時能有效防止“塌孔”“縮徑”“斷樁”等質量事故的發生。在施工中根據其施工工藝,采取相應的質量控制措施,對于處理大面積的淤泥、淤泥質黏土、黏土、含黏性土碎石相結合的地質構造是相適應的,具有推廣價值和意義。

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