水泥搅拌桩结合砂桩在软基处理中的应用

张之峰 周 莉

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司 广东中山 528403)

1 引言

我国沿海地区广泛存在着软土地基,主要为淤泥、淤泥质土和淤泥质粉砂等。软土地基具有物理力学性质较差、地基承载力低、含水量高、孔隙比大、透水性差、强度低、高压缩性、高灵敏度等不良特殊性能。当其受到震动时,土层结构易受破坏,抗剪强度和承载力随之大幅下降,从而引起地面震陷,甚至成流塑状态的特征。其承载能力不能满足工程建设的要求,因而人们提出了各种软土加固技术。

一般软基承载力不足的处理方案有换填法、预压法、深层搅拌桩法、混凝土预制管桩法、钻孔灌注桩法等。建筑物基底防渗不足的处理措施有钢板桩防渗、混凝土板桩防渗、搅拌桩防渗等。选择地基处理方案的原则是:经济合理、安全可靠、符合环保要求。在沿海地区多选用水泥搅拌桩对软土地基进行处理。

2 水泥搅拌桩应用于软基处理的不足之处

2.1 水泥搅拌桩的基本原理

早在两千多年以前,我国就广泛地将三合土(石灰、粘土和砂)技术应用于建筑工程,二十世纪60年代,国外开始用水泥石灰等材料搅拌加固深层软土地基,我国于二十世纪70年代后期也致力于深层搅拌技术的研究和应用。随着这项技术的发展,目前,此法不仅应用于地基加固和边坡支护,而且广泛应用于防渗工程项目中。

水泥搅拌桩是利用水泥等材料作为固化剂,通过特制的搅拌机械,在地基深处,就地将软土和固化剂强制搅拌,由固化剂和软土间产生一系列的物理和化学反应,使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥搅拌桩。这种水泥搅拌桩与桩周土一起组成复合地基,从而提高地基承载力,减少地基沉降。

由于水泥搅拌桩施工简单、造价低廉等特点,在我国沿海地区防渗工程中得到了广泛应用。

2.2 水泥搅拌桩在软基处理中的不足之处

近些年,水泥搅拌桩广泛应用于水工建筑物地基处理和防渗处理,也渐渐反映出它的不足之处。

首先,水泥搅拌桩在软土中所需的凝固时间过长,影响施工工期。由于沿海地区软土地基多为淤泥或淤泥质粉砂,含水量较大,水泥搅拌桩在软土中凝固较缓慢,抽芯检查常常呈流塑状,复合地基承载力难以满足设计要求。特别是对于破堤工程,需在枯水期施工,施工工期较短,水泥搅拌桩凝固时间过长直接影响工期,难以完成上部建筑物工程,从而增大防汛压力。

其次,水泥搅拌桩防渗墙未凝固成形之前在软土中自然沉降较快,在防渗工程中易与建筑物底板脱离,易发生透水事故。

水工建筑物软基处理属于隐蔽工程,如处理不

好,一旦被构筑物所覆盖,便构成隐患且不易检查及补救。

水泥搅拌桩桩体的变形、轴力和侧阻力主要集中在桩顶到临界桩长的范围内,传到桩端的荷载占桩顶荷载的比例较小,桩体的破坏主要发生在浅层。如何加快水泥搅拌桩桩顶到临界桩长的范围内的固结速率成为解决水泥搅拌桩不足之处的核心问题。砂桩具有排水效果较好的作用,故提出了水泥搅拌桩结合砂桩的软基处理方法。

3 水泥搅拌桩结合砂桩的工艺原理

3.1 砂桩的基本原理

砂桩在十九世纪30年代源于欧洲,直到二十世纪50年代,才在国内外得以迅速发展,施工工艺才逐步走向完善和成熟。起初,砂桩法用于处理松散砂土地基,视施工方法不同,又可分为挤密砂桩和振密砂桩两种,其加固原理是依靠成桩过程中对周围砂层的挤密和振密作用,提高松散砂土地基的承载力,防止砂土振 (震)动液化。后来,国内外也逐渐将砂桩用来处理软弱粘性土,其加固原理是利用砂桩的置换作用和排水作用提高软弱地基的稳定性。砂桩在软弱地基中可形成砂桩复合地基,如对它再行加载预压,可进一步提高复合地基的承载力,减少地基沉降量,并改善地基的整体稳定性。

在软基处理中,通过砂桩置换,在软土中形成大直径密实砂桩体,形成排水通道,从而加速固结速率,达到排水固结的效果。利用砂桩在这方面的优点,与水泥搅拌桩结合,弥补水泥搅拌桩的不足之处,从而形成了水泥搅拌桩结合砂桩的软基处理方法。

图1 砂桩结合搅拌桩防渗墙详图

3.2 水泥搅拌桩结合砂桩的施工方法

应用水泥搅拌桩结合砂桩对软土地基进行处理时,先按砂桩的施工方法进行地基处理,一般砂桩处理软土地基深度为水泥搅拌桩桩顶到临界桩长的范围内,即4～6m深度。通过砂桩置换,在软土中形成大直径密实砂桩体;然后在砂桩位置再施工桩径稍小的水泥搅拌桩,为保证搅拌桩桩顶与建筑物底板连接牢固,可在桩顶插入4～6m长螺纹钢筋,与建筑物底板钢筋连接锚入底板I混凝土结构中,如图1和图2所示。

图2 1-1剖面图

3.3 质量检验

水泥搅拌桩结合砂桩的质量检验仍按照水泥搅拌桩的检验方法。搅拌桩的检验指标主要有渗透系数、墙体厚度、允许比降和抗压强度。对于防渗工程中的防渗墙来说,渗透系数和防渗墙厚度是重要的检验指标,允许比降和抗压强度主要是用于反映墙体材料性能均匀程度的间接指标。

搅拌桩的质量检测形式主要有:

(1)外观鉴定:要求桩体圆匀,无缩颈和回陷现象;搅拌均匀,凝体无松散;群桩桩顶齐,间距均匀。

(2)开挖检测:作为建筑物防渗墙可由监理工程师随机指定一处,大堤防渗墙可沿堤线每500m开挖一处,每处长3～5m,深2.5～4m。要求墙体的外观质量好,整体性好,无蜂窝、孔洞,最小墙厚和垂直度实测值满足设计要求。

(3)钻孔取芯检测:水泥搅拌桩成桩7d可在搅拌桩身中心钻孔,取出桩芯,观察其颜色是否一致,是否存在水泥浆富集的 “结核”或未被搅匀的土团。在施工28d后,采用钻机抽芯取样检测水泥土的单轴抗压强度、渗透系数、抗渗比降及芯样的完整性和均匀性评价。

(4)防渗墙围井注水检测:主要是检测墙体的渗透系数是否满足设计要求。

4 水泥搅拌桩结合砂桩的软基处理效果

水泥搅拌桩结合砂桩的软基处理方法在广东省中顺大围西河水闸重建工程、拱北水闸重建工程等项目中应用,技术成熟、效果理想。通过在软土上采用水泥搅拌桩与砂桩结合的工程实践,主要体现出以下几方面优点:

(1)水泥搅拌桩与砂桩结合,砂桩在软土地基中能形成排水通道,水泥搅拌桩置于砂桩中心,从而加速水泥搅拌桩在砂桩中的固结速率,达到排水固结的效果,大大节省了工程施工工期,减少了地基的固结沉降量。

(2)从内到外,使水泥搅拌桩、砂桩与软土形成复合地基,共同承担上部荷载,提高了地基承载力和整体稳定性。

(3)将砂桩和水泥搅拌桩结合在一起形成防渗墙,提高了桩身强度,增大插筋在搅拌桩体中的粘着力,使防渗墙与建筑物底板有效连接,避免地基土下沉将防渗墙下拉脱离底板。比只用水泥搅拌桩处理的桩身强度90d龄期从1.0MPa提高到1.4MPa以上。

5 结语

水泥搅拌桩结合砂桩的软基处理方法既可适应于地基承载力不足的软土地基基础处理工程中,也可应用于深厚软土上采用刚性桩基础的泵站、水闸及船闸等穿堤建筑物的防渗工程中。

综上所述,水泥搅拌桩结合砂桩的软基处理方法施工简单、工期短、无公害、施工过程无振动、无躁音、不排污、造价低廉、实用可靠,值得在我国沿海地区软基处理工程中推广应用。

1 建筑地基处理技术规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2002

2 建筑地基基础工程施工质量验收规范[M].北京:中国计划出版社,2002

3 建筑基桩检测技术规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2003

4 软土地基深层搅拌加固法技术规程 [M].北京:中国冶金工业出版社,1991