HAS固化劑在軟基處理中的應用

唐 濤 屈國慶

（湖北交通職業技術學院 武漢 430079）

1 工程概況

本項目為湖北省隨岳高速公路一期土建工程9標，起止里程為：K146＋390～K152＋877.597，全長6.488km，設計路基寬26m，瀝青混凝土路面。全線主線路基2.8km，匝道及連接線2.7 km，均為填方，平均土填高度為4.8 m。區內地勢平坦低洼，湖塘密布，溝渠縱橫，地表水、地下水十分豐富，地下水位較高，一般在地表以下0.5～0.8m，軟土地基廣泛分布于全線，以河相、湖相沉積、沖積的淤泥質粘土、淤泥質亞粘土為主。設計上對橋頭處理或暗構造物處軟基深度≤13 m時采用了粉噴樁處理，累計設計粉噴樁處理軟基數量超過29萬m。原設計采用干噴普通硅酸鹽水泥，水泥噴入量按以下原則進行：當軟土層中含有粘土、亞粘土、淤泥質土層時，噴粉量取50 kg／m；當軟土層中含有淤泥層時，噴粉量60 kg／m，本標段設計噴粉量取50kg／m。先期采用普通硅酸鹽水泥作為粉體，由于受地下水影響，成樁后經瑞雷波檢測，樁體中下部均勻度較差，承載力較低。為解決上述問題，降低施工成本，保證施工質量，參考有關資料及類似施工成果，決定選用新型材料HAS固化劑作為加固材料。

2 HAS粉噴樁施工

2.1 HAS固化機理

粉噴樁是利用專門設備，借助壓縮空氣，將粉體加固材料噴射入地基中，并在加固的深層軟土地基中強制原位攪拌壓縮。攪拌后固化劑吸收周圍水分，產生一系列物理、化學反應，使軟土硬結形成具有一定強度的固土樁體，并與樁間土共同作用組成復合地基，可提高地基承載力，減少工后沉降。

HAS土壤固化劑［1］是一種灰渣膠凝材料，它由礦渣及礦渣組合物為主體原料（80%以上），配以適量的活化劑混合粉磨制成一種新型水硬性膠凝材料。HAS固結體早期強度高，后期強度穩定發展；固化土體耐水性和耐久性好，軟化系數大于0.9，抗硫酸鹽介質侵蝕系數大于1.0；HAS固化劑本身有微膨脹性，克服了傳統水泥干縮大、易開裂等問題；固結土體，施工簡單易行。

2.2 HAS粉噴樁設計要點［2］

2.2.1 樁徑

粉噴樁的樁徑通常是按粉噴鉆機確定的，本項目采用的是直徑50cm 的粉噴樁。

2.2.2 固化劑摻入量

固化劑摻入量通常為被攪拌土體質量的7%～15%，可根據具體土質通過實驗確定。本項目摻入量取為30kg／m（粘土、亞粘土、淤泥質土層時）。

2.2.3 樁距

粉噴樁的樁距一般為0.5～1m，當以單樁承擔加固面積時，可根據下式確定：

式中：a為樁距，m，適用于正方形和等邊三角形；Ac為單樁承擔的處理面積，m2。

2.2.4 樁長

確定樁長可采用下列幾種方法：

（1）當因地質條件及施工因素限制樁長或根據土層結構情況可以定出樁底標高時，應按實際情況確定樁長。

（2）當攪拌樁的加固深度不受限制時，應先通過室內試驗選定固化劑摻入比和試驗的無側限抗壓強度，求出單樁承載力計算樁長。

（3）根據總荷載和總樁數，先計算單樁承載力然后計算樁長。

2.3 施工方案

采用HAS固化劑作為粉體，其施工工藝同采用普通硅酸鹽水泥作為粉體基本類似，本項目采用－液壓步履式PH－5型噴粉樁機。

2.3.1 施工準備

（1）粉噴樁施工場地應清除障礙后大致整平，并保證施工過程及固化過程中場地內不積水。

（2）粉噴樁施工設備嚴禁使用非定型產品或自行改裝設備；設備必須配備性能良好的能顯示鉆桿進尺時電流變化的電流表、顯示管道壓力的壓力表和計量固化劑噴入量的電子秤或流量計（并做好各種計量裝置的標定工作）。

（3）根據現場取樣土進行室內配比試驗，確定單位噴粉量。

2.3.2 施工放樣

施工前根據高程水準點及平面控制樁，按施工圖設計的軸位和間距，用全站儀進行逐樁定位放樣，并在樁位處打入木樁標示。粉噴樁平面誤差控制在5cm 內。本項目逐樁平面間距采用1.2m×1.2m梅花形排列。

2.3.3 鉆機對位調平

鉆機就位時鉆頭應嚴格按照樁位控制，鉆尖對準木樁，偏差不得大于10cm，同時鉆架用水平尺控制調平，保證鉆桿的垂直偏差控制在1.5%之內。

2.3.4 工藝性試樁

不同地區具有不同的地質條件，為克服施工的盲目性，確保施工質量達到預期效果，減少不必要的損失，在正式開工前必須進行工藝性試樁，試樁應達到下列要求，以掌握該場地的主要技術、施工參數［3］。

（1）滿足設計噴灰量的鉆進速度、提升速度、攪拌速度、噴氣壓力、單位時間噴灰量等。

（2）確定攪拌的均勻性。

（3）掌握下鉆和提升的阻力情況，選擇合理的技術措施。

（4）根據地層、地質情況確定復拌長度，工藝性試樁不少于5根。

2.4 施工質量控制

由于粉噴樁成樁檢測時間較長，出現質量缺陷返工處理需耗費較多資金成本，且嚴重影響后續路基、結構物施工進度，因此必需做好施工過程質量控制工作。

（1）工藝技術要求。通過工藝性試樁試驗確定HAS固化劑噴入量為50kg／m；正常鉆進不大于1.0 m／min下沉，鉆機電流控制在60～90A之間，電壓控制在360～390V 之間；噴灰時管道壓力一般控制在0.25～0.4 MPa。

（2）鉆進定位整平后，正轉鉆頭以分檔逐級加速的順序預攪下沉至設計深度、鉆至接近設計深度時，應低速慢鉆，并原位鉆動1～2 min。為保持鉆桿中間的送風通道的干燥，從預攪下沉開始直到噴粉為止，應在鉆桿內連續輸送壓縮空氣。在確認加固料已噴至孔底時，按不大于0.8 m／min的速度反轉提升、噴灰、攪拌。當提升到設計停灰標高后，應當慢速原地攪拌1～2min。

（3）粉噴樁樁身施工時，采取中－低速檔鉆進（或提升），切勿采取高檔快速鉆進（或快速提升）。施工過程中，攪拌頭每旋轉一周，其提升高度不得超過18mm。

（4）當粉噴樁攪拌頭到達設計樁底以上1.5 m 時，開啟噴粉裝置，提前進行噴粉作業，到達設計標高后邊噴粉邊攪拌提升，當攪拌頭提升至地面以下50cm 時，停止噴粉。

（5）在樁上部1／3范圍內應重復攪拌一次，并且復攪長度不足5 m 的按5 m 施工。特別需要指出的是，對于軟土天然含水量大于70%的地段，要求復攪長度應貫穿軟土層。

（6）嚴格控制噴粉標高和停粉標高和固化劑噴入量，確保粉噴樁的長度。中途不得中斷噴粉，嚴禁在尚未噴粉的情況下進行鉆桿提升作業。

（7）每臺粉噴樁施工時，現場技術主管和旁站監理共同記錄攪拌下沉和提升的時間，時間誤差不大于5s，并記錄噴粉量。

（8）粉噴樁機的粉體發送器必須配置經國家計量部門確認的具有瞬時檢測并記錄出粉量的粉體計量裝置及攪拌深度自動記錄儀，無粉料噴入計量裝置的粉料發送器嚴禁投入使用，儲灰罐儲灰量應不小于一根樁的用量加50kg，當重量不足時，不得開始下一根樁的施工，同時輸送粉料的管道不宜太長，一般控制在60m 以內。

（9）噴粉途中如遇停電、機械故障等原因噴粉中斷，則進行復噴，粉噴樁復噴接樁重疊長度應大于1m。

（10）施工中發現噴粉量不足時，實行整樁復打，復打的噴粉量仍應不小于設計量。

（12）施工中應隨時檢查粉噴樁的成樁直徑及攪拌均勻程度。對使用的鉆頭應定期復核檢查，其直徑磨耗量不得大于10mm。同時在噴粉攪拌過程中應隨時觀察噴粉機、空壓機的運轉情況及壓力表的顯示情況，并觀察送粉膠管的顫動情況。發現異常情況，壓力連續上升或突然下降，應停止提升，原位攪拌、查明原因，排除故障后再繼續施工。

（13）嚴格控制施工中使用的固化劑質量，確保不過期、不受潮、不結塊、不變質。

2.5 粉噴樁的質量檢測方法［4］

2.5.1 外觀鑒定

由承包人自行開挖自檢，用目測法檢查樁體成型情況，攪拌均勻程度，測量成樁直徑，并如實做好記錄。開挖深度為0.5～1.0m 如發現樁體膠結不良等情況，應報廢補樁，檢查頻率為2%。

2.5.2 試驗檢測

（1）成樁7d 內采用輕便觸探儀檢查樁質量，并根據輕便觸探擊數用對比法判定樁身強度，擊數應大于原地面擊數1倍。抽檢頻率為2%。

（2）成樁28d后，用鉆孔取心法檢測樁身的完整性、樁土攪拌均勻程度及樁的施工長度。每根樁取出的心樣在相對薄弱地段截取一段，送工地試驗室做1組（3個）30d齡期的無側限抗壓強度試驗。并在每個工點留1組試樣，進行3個月齡期的無側限抗壓強度試驗，以測定樁身強度。鉆孔取心頻率為0.7%。

（3）樁體的標準強度（90d后無側限抗壓強度）為1.2 MPa，且成樁28d后無側限抗壓強度不小于0.7 MPa。

（4）對斷樁、缺樁、縮頸、強度低、樁長不夠、偏位較大、表面缺陷等事故，必須按設計要求進行補強處理，且不允許降低設計標準。

關于材料堆放，規程規定可燃類保溫材料的庫房應由不燃性材料搭設而成，并有專人看管。當材料露天堆放時，堆放場四周應由不燃性材料圍擋；堆放區域禁火，其周圍10m范圍內及上空不得有明火作業；附近不得放置易燃、易爆等危險物品；應配備種類適宜的滅火器、砂箱或其他滅火器具；場內材料的存放量不應超過三天的工程需用量,并應采用不燃性材料完全覆蓋。

3 HAS固化劑粉噴樁與水泥粉噴樁質量對比分析

由固化劑攪拌樁的成樁機理可知：當固化劑和不同性質土體攪拌成混合土時，其強度是不同的，且可被認為呈層狀分布。通過瑞雷波法測定樁身不同深度的波速，即可達到檢測評價粉噴樁的完整性和樁身強度的目的。尤其是施工質量不好而形成的斷樁，因其缺陷部位介質與上下層介質物性差異較大，瑞雷波法更易于判別。利用多媒體原理，對波速進行色彩圖形變換，顯示出樁體的完整形。

本項目選取K147＋480～K147＋630段地下水位較高，以河相、湖相沉積，沖積的淤泥質粘土、淤泥質亞粘土為主路段，進行HAS 固化劑與水泥粉噴樁施工效果的對比分析。

HAS固化劑和水泥粉噴樁瑞雷波檢測圖見圖1。

圖1 粉噴樁瑞雷波檢測圖

從瑞雷波檢測圖中可以看出，水泥固化劑粉噴樁）樁體總體完整（見圖1a），上部0～2m 部分欠均勻，下部＞8m 后強度偏低。HAS固化劑粉噴樁整個樁體均完整，同時樁長和強度均能滿足設計要求。

本項目軟土地基處理施工路段共完成粉噴樁總延米29萬m，總樁數20714根，其中HAS固化劑與水泥粉噴樁施工效果的對比分析各1375根。對比分析見表1。

表1 HAS固化劑與水泥固化劑對比分析表

由表1可見，HAS作為固化劑樁心整體密度明顯好于水泥粉噴樁，同時樁體各部位強度也高于水泥粉噴樁，能提高地基的整體強度，有效減少路基工后沉降。

4 結論

（1）采用固化劑可降低施工成本，因其早期強度增長較快，在地下水豐富地段施工質量較好，現場可大規模使用。

（2）粉噴樁作為一種常用的軟土地基處理工藝，能有效地保證高速公路路基工后沉降滿足設計要求，采用HAS固化劑對臺背回填部位及小結構物基底處理更為經濟有效。

（3）通過合理地選擇軟基處理方案及加固材料，可以有效地解決高速公路路基不均勻沉降的病害成因。

［1］侯浩波，周 旻，張大捷，等.HAS土壤固化劑固化土料的特性及工程應用［J］.北京：工業建筑，2006（7）：32－34.

［2］李上紅.公路工程施工常見地質病害處治技術［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］高速公路叢書編委會.高速公路路基設計與施工［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［4］熊廣忠.公路工程施工質量監理手冊［M］.北京：中國水利出版社，2003.