粉喷桩及其加固机理在软基处理中的应用研究

摘要:公路交通是一个国家国民经济赖以发展的重要基础设施。西部大开发公路当先行,随着西部大开发战略的实施,公路建设事业突飞猛进,其规模和数量不断扩大,然而我国是一个多山的国家,尤其是西部地区,自然地理、工程地质环境复杂,公路建设不可避免地要穿越一些软弱地基的地区,这样,高等级公路建设中的公路软弱路基的处理问题就越来越成为一个十分突出的重点和难点问题。为此,笔者以河南境内商周高速公路全长137.24km为依托工程,撰写本文。

关键词:粉喷桩;加固机理;软基处理

1 粉喷桩及其加固机理

粉喷桩是一种新型的地基加固处理技术,它利用特殊的搅拌机械,在钻孔过程中,将粉状的水泥或石灰喷入地下并充分搅拌混合,与周围土体发生一系列物理、化学的作用,使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的复合地基。粉喷桩复合地基主要用于加固软土,具有施工工期短、无公害、施工过程无噪音、不排污、对相邻建筑物无不利影响等优点。粉喷桩体的复合地基具备多个方面作用。

桩体作用:由于粉喷桩体的刚度较周围土体大,在刚性基础下变形时,地基中应力将按材料模量进行分布,因此,桩体上产生应力集中现象,大部分荷载由桩体承担,这就使得复合地基承载力较原地基有所提高,沉降量有所减少,随着桩体刚度增加,其作用就会发挥得更加明显。

垫层作用:桩与桩间土复合形成的复合地基,由于其性能优于原天然地基,它可起到类似垫层的作用,均匀地基应力。如果桩体没有完全贯穿整个软弱土层,垫层作用就会更明显。

加速固结作用:粉喷桩水泥硬化过程会吸收周围土体中的水分,另外,粉喷桩还会减小地基土的压缩系数,虽然它也会降低土的渗透系数,但前者的减幅通常较后者大,因此可加速软土层的固结。

加筋作用:粉喷桩复合地基除了可以提高地基的承载力外,还可以用来提高土体的抗剪强度,增加土的抗滑能力。对于软土边坡的支护,粉喷桩就既起到加固的作用又起到加筋的作用。

粉体喷射搅拌桩处理软基是一项复杂的设计、科研工作。这种软基处理方法对于加固淤泥类土效果较显著,加固

后可很快投入使用,适应快速施工的要求。

2 粉喷桩参数选取的研究

在影响粉喷桩质量的各因素中,除了水泥掺入比(掺入的水泥重量/被加固软土的天然重量)、掺入粉体的质量、桩土置换率等指标外, 还与桩长、桩径、布桩形式、施工工艺、地基土的性质有关,尤以与有机质含量及含水量的关系甚为密切。因此应综合考虑各种因素,选取适当的参数以满足粉喷桩复合地基承载力和沉降的要求,同时也应符合经济合理的原则。

在商周高速公路K18+270～471竹叶沟段,采用了粉喷桩处理,根据地基土的性质和承载力设计要求,对各参数的选取分别进行了如下分析。

桩长的确定:粉喷桩的桩长通常要根据计算确定,应尽量选择天然承载力较高的土层作为持力层。但是由于桩的轴向应力在桩的上部3～5倍桩径范围内比较集中,以下收敛较快,当桩具有一定的长度时(一般大于8m),则桩端持力层对单桩承载力影响很小,所以桩长时对桩端持力层的要求不是很严格的。桩长与桩身强度、置换率、天然地基承载力有直接的关系,因此要进行综合考虑。

一般确定桩长可采用以下几种方法:①当因地质条件及施工因素限制桩长或根据土层结构情况可以定出桩底标高时,应先按实际情况定出桩长;②当搅拌桩的加固深度不受限制时,应先通过室内试验选定固化剂掺人比 P和试验的无侧限抗压强度,求出单桩承载力,计算出桩长;③根据总荷载和总桩数,先选定单桩承载力,然后求出桩长。

在商周高速公路K18+270～471竹叶沟段,软弱土层厚度较大,有的可达5.0m,而其下的碎石土又是良好的持力层,所以根据土层结构情况设计桩长为7.0m,桩端进入碎石土层内,可满足工程需要。

桩径、桩距、布桩形式的确定:粉喷桩的桩径通常是按粉喷钻机确定的,目前常采用的粉喷钻机的钻孔直径为0.5m。粉喷桩的桩距一般为1.0～1.5m,当已确定单桩承担的加固面积时,可根据下式确定桩距:

a= (1-1)

式中:a——桩距(m);

Ac——根桩承担的处理面积,一般取1～2m2。

通常桩距a和一个桩承担的面积Ac要进行互相试算和调整后确定。而桩的布置情况要根据公路的设计等级、路面情况、构造物的类型等所要求的承载力、沉降量进行综合分析,由于粉喷桩的强度和刚度与刚性桩比较接近,根据这一特点,设计时只需要在结构物基础范围内布桩即可。

在商周高速公路K18+270～471竹叶沟段,粉喷桩径按粉喷钻机确定为0.5m;单桩承担的处理面积与桩距互相试算和调整后分别确定为1.247m2和1.20m。为节省工程量,布桩形式采用梅花形,其优点是挡住未加固淤泥质土侧向挤出,从而减少因场地原因未处理范围内淤泥质土的总沉降量。粉体掺入比确定:在一定的荷载下,一般来说粉体掺入越多,桩身强度越大,土置换率越高。但复合地基承载力是由桩体和桩周土强度共同决定的,从经济和合理的角度分析,粉体的掺入量需控制在一定值,一般粉体的掺人量占加固土体的7%～15%,规范定为10%～15%。粉体掺入量受土中含水量的影响非常大,土的含水量小于30%时,土中的水份不足以使粉体进行水化作用,含水量大于70%时,土壤孔隙比往往较大,若按常规掺入粉体数量,由于水分过多,将形成不了桩体或形成强度达不到要求的桩体,不能满足设计要求,所以必须加大粉体掺入量。

结语

本次工程所处地段的软基土主要是淤泥质粉质粘土,孔隙较小,含水量多在30%左右,故在土质试验的基础上,通过借鉴类似工程经验确定出粉体掺入比为15%。本文以商周高速公路软基段为对象,对高等级公路软基处理的不同方法进行了深入的定性和定量研究。详细分析和评价了抛石挤淤法、粉喷桩法、孔内强夯挤密法以及冲填法等四种软基处理方法的加固机理和处理效果。并且,对所提公路软基处理新方法——孔内强夯挤密法从理论上和实体工程中作了重点分析和研究。最后,对高等级公路软基处理的方法从处理效果、经济效益、适用性、环境效益以及社会效益等多方面进行综合分析比较,得出:孔内深层强夯挤密法是高等级公路软弱路基处理的最佳方法。该方法为西部大开发公路建设中的软基处理提出了一个新的思路。

参考文献

[1]崔 .山区高速公路沟谷软基处理技术研究[D];天津大学;2005年.

作者简介:马永见(1964-)男 河南荥阳人,主要从事公路桥梁教学研究。