HAS固化剂在软基处理中的应用

2013-07-10屈国庆

交通科技 2013年3期

唐涛屈国庆

（湖北交通职业技术学院武汉 430079）

1 工程概况

本项目为湖北省随岳高速公路一期土建工程9标，起止里程为：K146＋390～K152＋877.597，全长6.488km，设计路基宽26m，沥青混凝土路面。全线主线路基2.8km，匝道及连接线2.7 km，均为填方，平均土填高度为4.8 m。区内地势平坦低洼，湖塘密布，沟渠纵横，地表水、地下水十分丰富，地下水位较高，一般在地表以下0.5～0.8m，软土地基广泛分布于全线，以河相、湖相沉积、冲积的淤泥质粘土、淤泥质亚粘土为主。设计上对桥头处理或暗构造物处软基深度≤13 m时采用了粉喷桩处理，累计设计粉喷桩处理软基数量超过29万m。原设计采用干喷普通硅酸盐水泥，水泥喷入量按以下原则进行：当软土层中含有粘土、亚粘土、淤泥质土层时，喷粉量取50 kg／m；当软土层中含有淤泥层时，喷粉量60 kg／m，本标段设计喷粉量取50kg／m。先期采用普通硅酸盐水泥作为粉体，由于受地下水影响，成桩后经瑞雷波检测，桩体中下部均匀度较差，承载力较低。为解决上述问题，降低施工成本，保证施工质量，参考有关资料及类似施工成果，决定选用新型材料HAS固化剂作为加固材料。

2 HAS粉喷桩施工

2.1 HAS固化机理

粉喷桩是利用专门设备，借助压缩空气，将粉体加固材料喷射入地基中，并在加固的深层软土地基中强制原位搅拌压缩。搅拌后固化剂吸收周围水分，产生一系列物理、化学反应，使软土硬结形成具有一定强度的固土桩体，并与桩间土共同作用组成复合地基，可提高地基承载力，减少工后沉降。

HAS土壤固化剂［1］是一种灰渣胶凝材料，它由矿渣及矿渣组合物为主体原料（80%以上），配以适量的活化剂混合粉磨制成一种新型水硬性胶凝材料。HAS固结体早期强度高，后期强度稳定发展；固化土体耐水性和耐久性好，软化系数大于0.9，抗硫酸盐介质侵蚀系数大于1.0；HAS固化剂本身有微膨胀性，克服了传统水泥干缩大、易开裂等问题；固结土体，施工简单易行。

2.2 HAS粉喷桩设计要点［2］

2.2.1 桩径

粉喷桩的桩径通常是按粉喷钻机确定的，本项目采用的是直径50cm 的粉喷桩。

2.2.2 固化剂掺入量

固化剂掺入量通常为被搅拌土体质量的7%～15%，可根据具体土质通过实验确定。本项目掺入量取为30kg／m（粘土、亚粘土、淤泥质土层时）。

2.2.3 桩距

粉喷桩的桩距一般为0.5～1m，当以单桩承担加固面积时，可根据下式确定：

式中：a为桩距，m，适用于正方形和等边三角形；Ac为单桩承担的处理面积，m2。

2.2.4 桩长

确定桩长可采用下列几种方法：

（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，应按实际情况确定桩长。

（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入比和试验的无侧限抗压强度，求出单桩承载力计算桩长。

（3）根据总荷载和总桩数，先计算单桩承载力然后计算桩长。

2.3 施工方案

采用HAS固化剂作为粉体，其施工工艺同采用普通硅酸盐水泥作为粉体基本类似，本项目采用－液压步履式PH－5型喷粉桩机。

2.3.1 施工准备

（1）粉喷桩施工场地应清除障碍后大致整平，并保证施工过程及固化过程中场地内不积水。

（2）粉喷桩施工设备严禁使用非定型产品或自行改装设备；设备必须配备性能良好的能显示钻杆进尺时电流变化的电流表、显示管道压力的压力表和计量固化剂喷入量的电子秤或流量计（并做好各种计量装置的标定工作）。

（3）根据现场取样土进行室内配比试验，确定单位喷粉量。

2.3.2 施工放样

施工前根据高程水准点及平面控制桩，按施工图设计的轴位和间距，用全站仪进行逐桩定位放样，并在桩位处打入木桩标示。粉喷桩平面误差控制在5cm 内。本项目逐桩平面间距采用1.2m×1.2m梅花形排列。

2.3.3 钻机对位调平

钻机就位时钻头应严格按照桩位控制，钻尖对准木桩，偏差不得大于10cm，同时钻架用水平尺控制调平，保证钻杆的垂直偏差控制在1.5%之内。

2.3.4 工艺性试桩

不同地区具有不同的地质条件，为克服施工的盲目性，确保施工质量达到预期效果，减少不必要的损失，在正式开工前必须进行工艺性试桩，试桩应达到下列要求，以掌握该场地的主要技术、施工参数［3］。

（1）满足设计喷灰量的钻进速度、提升速度、搅拌速度、喷气压力、单位时间喷灰量等。

（2）确定搅拌的均匀性。

（3）掌握下钻和提升的阻力情况，选择合理的技术措施。

（4）根据地层、地质情况确定复拌长度，工艺性试桩不少于5根。

2.4 施工质量控制

由于粉喷桩成桩检测时间较长，出现质量缺陷返工处理需耗费较多资金成本，且严重影响后续路基、结构物施工进度，因此必需做好施工过程质量控制工作。

（1）工艺技术要求。通过工艺性试桩试验确定HAS固化剂喷入量为50kg／m；正常钻进不大于1.0 m／min下沉，钻机电流控制在60～90A之间，电压控制在360～390V 之间；喷灰时管道压力一般控制在0.25～0.4 MPa。

（2）钻进定位整平后，正转钻头以分档逐级加速的顺序预搅下沉至设计深度、钻至接近设计深度时，应低速慢钻，并原位钻动1～2 min。为保持钻杆中间的送风通道的干燥，从预搅下沉开始直到喷粉为止，应在钻杆内连续输送压缩空气。在确认加固料已喷至孔底时，按不大于0.8 m／min的速度反转提升、喷灰、搅拌。当提升到设计停灰标高后，应当慢速原地搅拌1～2min。

（3）粉喷桩桩身施工时，采取中－低速档钻进（或提升），切勿采取高档快速钻进（或快速提升）。施工过程中，搅拌头每旋转一周，其提升高度不得超过18mm。

（4）当粉喷桩搅拌头到达设计桩底以上1.5 m 时，开启喷粉装置，提前进行喷粉作业，到达设计标高后边喷粉边搅拌提升，当搅拌头提升至地面以下50cm 时，停止喷粉。

（5）在桩上部1／3范围内应重复搅拌一次，并且复搅长度不足5 m 的按5 m 施工。特别需要指出的是，对于软土天然含水量大于70%的地段，要求复搅长度应贯穿软土层。

（6）严格控制喷粉标高和停粉标高和固化剂喷入量，确保粉喷桩的长度。中途不得中断喷粉，严禁在尚未喷粉的情况下进行钻杆提升作业。

（7）每台粉喷桩施工时，现场技术主管和旁站监理共同记录搅拌下沉和提升的时间，时间误差不大于5s，并记录喷粉量。

（8）粉喷桩机的粉体发送器必须配置经国家计量部门确认的具有瞬时检测并记录出粉量的粉体计量装置及搅拌深度自动记录仪，无粉料喷入计量装置的粉料发送器严禁投入使用，储灰罐储灰量应不小于一根桩的用量加50kg，当重量不足时，不得开始下一根桩的施工，同时输送粉料的管道不宜太长，一般控制在60m 以内。

（9）喷粉途中如遇停电、机械故障等原因喷粉中断，则进行复喷，粉喷桩复喷接桩重叠长度应大于1m。

（10）施工中发现喷粉量不足时，实行整桩复打，复打的喷粉量仍应不小于设计量。

（12）施工中应随时检查粉喷桩的成桩直径及搅拌均匀程度。对使用的钻头应定期复核检查，其直径磨耗量不得大于10mm。同时在喷粉搅拌过程中应随时观察喷粉机、空压机的运转情况及压力表的显示情况，并观察送粉胶管的颤动情况。发现异常情况，压力连续上升或突然下降，应停止提升，原位搅拌、查明原因，排除故障后再继续施工。

（13）严格控制施工中使用的固化剂质量，确保不过期、不受潮、不结块、不变质。

2.5 粉喷桩的质量检测方法［4］

2.5.1 外观鉴定

由承包人自行开挖自检，用目测法检查桩体成型情况，搅拌均匀程度，测量成桩直径，并如实做好记录。开挖深度为0.5～1.0m 如发现桩体胶结不良等情况，应报废补桩，检查频率为2%。

2.5.2 试验检测

（1）成桩7d 内采用轻便触探仪检查桩质量，并根据轻便触探击数用对比法判定桩身强度，击数应大于原地面击数1倍。抽检频率为2%。

（2）成桩28d后，用钻孔取心法检测桩身的完整性、桩土搅拌均匀程度及桩的施工长度。每根桩取出的心样在相对薄弱地段截取一段，送工地试验室做1组（3个）30d龄期的无侧限抗压强度试验。并在每个工点留1组试样，进行3个月龄期的无侧限抗压强度试验，以测定桩身强度。钻孔取心频率为0.7%。

（3）桩体的标准强度（90d后无侧限抗压强度）为1.2 MPa，且成桩28d后无侧限抗压强度不小于0.7 MPa。

（4）对断桩、缺桩、缩颈、强度低、桩长不够、偏位较大、表面缺陷等事故，必须按设计要求进行补强处理，且不允许降低设计标准。

关于材料堆放，规程规定可燃类保温材料的库房应由不燃性材料搭设而成，并有专人看管。当材料露天堆放时，堆放场四周应由不燃性材料围挡；堆放区域禁火，其周围10m范围内及上空不得有明火作业；附近不得放置易燃、易爆等危险物品；应配备种类适宜的灭火器、砂箱或其他灭火器具；场内材料的存放量不应超过三天的工程需用量,并应采用不燃性材料完全覆盖。

3 HAS固化剂粉喷桩与水泥粉喷桩质量对比分析

由固化剂搅拌桩的成桩机理可知：当固化剂和不同性质土体搅拌成混合土时，其强度是不同的，且可被认为呈层状分布。通过瑞雷波法测定桩身不同深度的波速，即可达到检测评价粉喷桩的完整性和桩身强度的目的。尤其是施工质量不好而形成的断桩，因其缺陷部位介质与上下层介质物性差异较大，瑞雷波法更易于判别。利用多媒体原理，对波速进行色彩图形变换，显示出桩体的完整形。

本项目选取K147＋480～K147＋630段地下水位较高，以河相、湖相沉积，冲积的淤泥质粘土、淤泥质亚粘土为主路段，进行HAS 固化剂与水泥粉喷桩施工效果的对比分析。

HAS固化剂和水泥粉喷桩瑞雷波检测图见图1。