粉喷桩加固流塑状软土地基的试验研究

张家柱，　代世军

(1.安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥　230088；2.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 蚌埠　233000)

粉喷桩加固流塑状软土地基的试验研究

张家柱1，2，代世军1，2

(1.安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥230088；2.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 蚌埠233000)

摘要:天然地基的含水率高达48.2%～64.2%的流塑状软土地基，选择采用粉喷桩进行加固处理，通过选择合理的加固方法和合适的施工工艺控制参数，使得加固后的粉喷桩外观整齐，桩身灰土均匀，未出现桩身倾斜和断桩等不良现象。试验结果表明：复合地基承载力特征值fspk≥150kPa, 是加固前天然地基承载力的2.50倍以上；压缩模量是加固前天然地基的7倍以上，大大地减少了建筑物的沉降量和不均匀沉降量，达到了预期的效果，采用粉喷桩处理流塑状的软土地基是可行的。

关键词:软土地基；粉喷桩；承载力特征值；控制参数；效果分析

0引言

1加固方案的确定

1.1方案的选择

建筑物基础底面以下为② 层淤泥及淤泥质土,厚度6.0m左右,呈流塑状。根据上部荷载计算出基础底面以下的地基承载力特征值不小于130kPa。故选用水泥粉体搅拌法(粉喷桩,下同)进行加固处理。其主要设计参数指标为:桩径500mm,桩中心距1.0m,呈梅花型布桩,桩身穿过② 层淤泥及淤泥质土层进入③ 层粉质黏土层的深度不小于1.50m。桩身水泥土28d龄期的无侧限抗压强度不小于1.70MPa。桩顶高程为13.60m,桩底高程6.10m,有效桩长7.5m。

1.2粉喷桩复合地基承载力复核

(1)单桩竖向承载力特征值计算。依照桩周土和桩端土的抗力确定单桩竖向承载力特征值为:

(1)

其中,up为桩的周长,m;up=πD=1.57m;qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa,按本次勘察报告取q1=5kPa, q2=15kPa;lsi为桩长范围内第i层土的厚度，m,按本次勘察报告取l1=6m,l2=1.5m;αp为桩端端阻力发挥系数,按本次勘察报告提供的土层特性取αp=0.5;qp为桩端端阻力特征值，kPa,按本次勘察报告取qp=160kPa。

则Ra=1.57(5×6+15×1.5)+0.5×160×0.25×3.14×0.502=82.4+15.7=98.1kN

依照桩身材料的强度确定的单桩竖向承载力特征值为:

(2)

其中,fcu为桩身同配比的立方体抗压强度,MPa,fcu取1.70MPa;η为桩身强度折减系数,η取0.25。

则Ra=ηfcuAp=0.25×1700×0.25×3.14×0.502=83.4kN

故复核计算时Ra取83.4kN。

(2)复合地基承载力特征值计算。根据文献[1]的规定,按式(3)计算复合地基承载力特征值:

(3)

其中，λ为单桩承载力发挥系数,按本次勘察报告提供的土层特性取0.90;Ra为单桩竖向承载力特征值，kPa,由式(1)计算结果Ra=83.4kN;m为面积置换率,m=22.7%;β为桩间土承载力发挥系数,按本次勘察报告提供的土层特性取1.0;fsk为桩间土承载力特征值,kPa,按本次勘察报告取fsk=60kPa。

满足加固要求。

2粉喷桩的主要施工工序及控制措施

2.1水泥土的室内试验结果

试验选取粉喷桩桩身穿过的② 层土中的代表性试样进行室内水泥土的配合比试验,28d龄期水泥土的掺入量与无侧向抗压强度成果如表1所列。

表1　水泥土室内配合比试验成果

2.2施工工艺控制参数

根据表1水泥土的室内配合比试验成果,经比较分析,拟定粉喷桩在② 层淤泥及淤泥质土的水泥掺入量按16%,施工掺入量按照室内配合比试验掺入量增加1%,故施工控制掺入量为17%。施工中的主要控制参数指标如表2所列。

表2　粉喷桩主要工序控制参数

2.3主要施工工序及控制措施

(1)施工场地平整。由于被加固的土层为流塑状的淤泥和淤泥质软土,为了避免施工过程中桩机的移动造成对未凝固水泥土桩身的挤压破坏,产生断桩现象,将建基面以上的杂物等清除后采用素土回填并压实,回填素土厚度不小于1.50m。

(2)施工分序。为了避免施工中振动、搅拌对相邻桩体的影响,粉喷桩的施工中采用间隔跳打的方式进行。2序桩与1序桩之间的施工间隔时间>24h。

(3)持力层位置的确定。为了保证桩端进入持力层位置,施工中对持力层位置的确定标准必须同时满足下列两方面要求,一是进入③ 层粉质黏土不少于1.50m,二是钻进采用3档时的电流表电流值达到70～80A,并持续钻进30s以上。

(4)桩底留灰。当钻进达到桩底时,原位搅拌使桩底土体充分松动、粉碎,不提升边搅拌边送灰,使得桩底留灰量不少于60kg。

(5)喷灰提升。为保证桩身喷灰的均匀性,喷灰采用“2喷2搅”的方式进行,即第1次钻进达到孔底后,提升喷灰,喷灰量按照30kg/m控制,当喷灰达到桩顶后再下沉喷灰,喷灰量仍按照30kg/m控制,直至桩底。喷灰时均采用3档位均速提升,从而使桩身达到规定配合比的水泥掺入量。

(4)停止送灰。每次喷灰的停灰面均需达到桩顶设计标高500mm以上。

(5)复搅下沉。喷灰搅拌完成后,再对桩身全程进行1次复搅。

(6)意外停灰的处理。施工过程中,因故停灰时,需及时查明原因,在恢复送灰前将搅拌头下沉至停灰点以下0.50m处,恢复供灰时,再喷灰搅拌提升。

3效果检验及分析

3.1桩身水泥土的轻便触探试验

施工过程中对桩身水泥土采用轻便触探试验的方法[3]进行检验,为了避免将已凝固的水泥土桩身

图1　1d龄期桩身水泥土、天然地基土N10关系图

打碎而破坏,在桩身水泥土龄期达到24h后,即进行轻便触探试验,从而确定桩身喷灰量的均匀性和水泥土强度,图1所示的是1d龄期桩身水泥土与天然地基土N10(贯入度10cm,下同)关系图。

由图1可知:贯入度10cm时水泥土桩身1d龄期的锤击数为11～40击,平均值为20.4击,离差系数0.45,与其对应的加固前天然地基土的锤击数为3～10击,平均值为5.38击,离差系数0.42。桩身水泥土的锤击数普遍高于对应处天然地基土,说明桩身水泥土喷灰和搅拌是均匀和连续的,随着龄期的增加桩身水泥土的强度会逐渐增大。由图中看出桩身深度1.50m～2.0m处锤击数偏高是因为该天然地基土层中夹有簿层粉土层所致。

3.2开挖检查及桩身水泥土抗压强度试验

粉喷桩施工完成将桩体开挖至设计标高后,选择10根桩沿桩周开挖至桩顶以下1.5m,暴露整个桩体经检查和观测:水泥土搅拌桩外观整齐,灰土均匀,未见桩身倾斜和断桩等不良现象。设计桩径为500mm,实测桩径为508mm～522mm,均大于设计桩径。同时采用钻机连续抽取粉喷桩桩身水泥土芯样,观测桩身为比较坚硬的水泥土凝结体,强度较高,桩身芯样较完整、连续。桩身部位水泥土试样的无侧限抗压强度成果如表3所列。

表3　桩身水泥土无侧限抗压强度试验成果

3.3单桩竖向承载力试验

在场地上随机地选择3根单桩进行垂直静载荷试验。采用“慢速维持荷载法”加(卸)荷载,最大试验荷载200kN。试验成果如表4所列。

表4　单桩静载荷试验成果

由表4的试验结果可知:单桩极限承载力特征值Qu≥200 kN;在承载力特征值100kN作用下,相应的桩顶沉降量为2.64mm～5.83mm。

3.4单桩复合地基承载力试验

场地上随机地选择3处试验点进行单桩复合地基和1处试验点天然地基进行垂直静载荷试验[4],承压板面积等于1根单桩所承担的处理面积,均采用边长为930mm×930mm正方形钢质承压板,刚度满足试验要求。采用“慢速维持荷载法”加(卸)荷载,试验成果如表5所列。

表5　单桩复合地基和天然地基的试验成果

由表5试验结果可知:场地上单桩复合地基的极限承载力特征值fspk≥300kPa。在承载力特征值fak=150kPa作用下,产生的沉降量为1.26 mm～4.19mm。

3.5加固效果分析

(1)开挖出的桩身检查和观测结果。粉喷桩外观整齐,桩身灰土均匀,未见桩身倾斜和断桩等不良现象。实测桩径均大于设计桩径。桩身水泥土匀、连续。加固后的桩身水泥土的无侧限抗压强度达到1.96～2.65MPa。

(2)施工过程中抽检的桩身轻便触探检查结果。桩身水泥土均匀、连续,未见桩身有夹泥和水泥富集现象。桩身1d龄期的锤击数N10较天然地基提高了3～4倍左右,随着水泥土龄期的增加,桩身水泥土强度的增加幅度会更大,粉喷桩在软土地基中起到了增强体的作用。

(3)特征值。加固后的水泥土单桩承载力特征值达到100kN以上;单桩复合地基的极限承载力特征值≥300kPa,复合地基承载力特征值fak≥150kPa;是加固前天然地基承载力的2.50倍以上,满足设计要求,达到了预期的加固效果。

(4)压缩模量。由复合地基和天然地基的静载荷试验得出加固后的复合地基的压缩模量到达27.35～90.98MPa,是加固前天然地基压缩模量的7倍以上,减少了建筑物的沉降量和不均匀沉降量。

4结论

对于呈流塑状的淤泥及淤泥质土,通过选择合理的加固方法和合适的施工工艺控制参数,能够达到理想的预期加固效果。本工程的实践证明:加固后水泥土粉喷桩外观整齐,桩身灰土均匀,未出现桩身倾斜和断桩等不良现象;单桩的承载力特征值fak≥100kN;单桩复合地基的承载力特征值fspk≥150kPa, 是加固前天然地基承载力的2.50倍以上;复合地基的压缩模量Es达到27.35～90.98 MPa,是加固前天然地基压缩模量的7倍以上;大大地减少了建筑物的沉降量和不均匀沉降量,采用粉喷桩处理呈流塑状的淤泥及淤泥质土地基是可行的。

[参考文献]

[1]JGJ79-2012,建筑地基处理技术规范[S].

[2]SL237-1999,土工试验规程[S].

[3]GB50021-2001,岩土工程勘察规范[S].

[4]GB50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].

(责任编辑陈化钢)

Experimental study on the soft soil foundation reinforced by powder injection pile

ZHANG Jia-zhu1，2，DAI Shi-jun1，2

(1.Anhui Construction Engineering Quality Supervision and Inspection Station，Hefei 230088，China；2.Anhui and Huaihe River Water Resources Research Institute, Bengbu 233000，China)

Abstract:Water natural foundation rate is as high as 48.2% to 64.2% of the flowing plastic soft soil foundation, selected by spray powder pile reinforcement, the reinforcement method and construction technology of suitable control parameters by choosing the reasonable, the pile reinforcement of the neat appearance, the pile soil is not uniform, the obliquity of the pile and broken pile and other undesirable phenomena. The test results show that: the value of fspk is more than or equal to the bearing capacity of the 150kPa composite foundation, bearing capacity is strengthened the natural foundation for more than 2.50 times; the compression modulus is 7 times more than before the reinforcement of natural foundation, greatly reducing the ground settlement and uneven settlement, to achieve the desired results, the method of powder injection is feasible. Pile in soft soil foundation treatment of plastic flow of the.

Key words:soft foundation；powder jet pile；characteristic value of bearing capacity；controlling parameter；effect analysis

收稿日期：2016-01-14；修回日期：2016-01-15

作者简介：张家柱(1964-)，男，安徽全椒人，岩土工程硕士，高级工程师，国家注册土木工程师(岩土)，现从事地基处理、岩土工程试验研究工作。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2016.02.002

中图分类号：TU447

文献标识码：A

文章编号：1671-6221(2016)02-0006-05