高压旋喷桩在市政道路路基处理中的应用及效果分析
2023-01-25庄云翼
庄云翼
0 引言
软土具有含水量高、透水性差、压缩性高、抗剪强度低、固结时间长等特点。在市政工程施工时,经常碰见软土地基,从而导致地基的沉降量大或者不均匀沉降等问题,这直接影响施工进度以及施工安全,因此需要对软土进行特殊处理。处理软土地基广泛的方法之一就是高压喷射注浆法,其中高压旋喷桩与传统的注浆法相比具有节约施工成本、提高施工效果好以及缩短施工工期等优点,对公路软土地基具有明显改善作用。高压旋喷桩的施工对施工人员的专业性要求较强,为了保障旋喷桩的施工质量,需要提高相应的作业人员对旋喷桩施工工艺的熟悉度。目前,许多学者已经对高压旋喷桩在软基处理方面的应用做了有益的探索,例如周勇等[1]固结灌浆及高压旋喷桩地基软基处理施工关键技术,王定顺等[2]探讨了高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究,敖江忠等[3]对旋喷桩连续施工引起的地表变形开展了一系列的现场试验研究,谢之逸等[4]深入分析了高压旋喷桩在高压线下部公路软基处理的设计。本文的创新之处在于以福建省泉州市某市政道路工程为具体实例,在对高压旋喷桩的地基处理原理、固结机理、成桩机理等进行分析的基础上,总结了高压旋喷桩应用于某市政道路路基的处理情况,探讨了对高压旋喷桩施工过程中的施工工艺、施工方法、注意事项。
1 高压旋喷桩的地基处理原理
1.1 固结机理
将高压喷嘴置于设定位置的软土层内,然后将水泥浆液或一些特制浆液喷入土体内,钻杆保持一定的旋转速度均匀喷射,喷管在喷浆的同时徐徐提升,喷射出的浆液和土粒的混合体凝固成型后形成一定强度的圆柱形固结体,由该固结体承担上部荷载从而达到加固的效果。依照喷射出的介质一般分为单管法、二重管法及三重管法,而单管法在工程中应用最多。单管法的喷射介质仅含有浆液;而二重管法与三重管法则包含两种或多种介质,二重管法是利用二重喷射管喷出两类介质(浆液和空气),其中空气负责切割土体,浆液则在土体内形成较大的固结体,达到加固效果;三重管法是使用三重注浆管将浆液、空气以及水喷射至土体中以形成更大的空隙,而增加固结体的体积,实际施工中的加固体直径甚至能达到2m,从而对原本的软土实施非常有效的加固。其中的加固效果是三重管法效果最好,二重管法的效果稍低,单管法最低。
1.2 成桩机理
高压旋喷桩是将介质在20~40MPa的高压射流作用下对土体起到切割和搅拌作用,使原土地呈现稀松状态。喷射出的浆液与某些粒径小的土发生交换并随着泥浆水被带出(冒浆现象),其余进入这些孔洞的浆液又与原土粒有规律地结合形成新的固结体。最终在软土地基中形成的固结体与喷管浆液的移动方向及土体物理性质密切相关。
2 高压旋喷桩在市政道路路基处理中的应用
2.1 工程概况
福建省泉州市某市政工程,道路长度为265.475m,规划红线宽18m,机动车道左右二幅各7.5m,人行道两侧各1.5m;全线地形平坦,地势宽广阔,海拔2.0~4.5m,沿线水池多,土层含水量高。路线所经过的地层主要是冲积层,部分存在湖相沉积,同时还具有海、陆相互沉积的特征,沿线内部的岩石种类较多,基岩埋藏深度较深,大部分约80~ 150m。该市政工程沿线分布着大量软土地基,厚度范围为5~15m,但部分厚度达到25m,地层探测为第四系松散堆积层。另外,地表往下16m范围内的粉土、粉砂可液化。因沿线的地质条件不太好,道路路基需经过加固后方可施工,且缺乏路堤填料。土层主要力学参数如表1所示。
表1 土层主要力学参数表
本项目的市政道路所设计的高压旋喷桩的桩径0.5m,桩间距1.0m,断面桩长11m,共8根,呈方形布置如图1所示。
图1 高压旋喷桩设计示意图
2.2 施工工艺
在旋喷注浆桩施工开始前,需要做好施工场地平整工作,提前挖好排浆沟以便后期泥浆的排出。正式施工前应制作2~ 3根工艺试验桩,确定旋喷桩的施工工艺及桩的参数。然后将钻机安装至孔位中心并确保垂直,采用跳桩法施工防止孔间串浆。钻孔后用沙袋堵住孔口,防止碎屑落入孔中。值得注意的是,在插管时,为防止泥沙堵塞喷嘴,喷水和插管可同时进行,但水压力不应大于1MPa,防止破坏沿途的渗透土层。喷管达到预定深度后,先送气,待到气体压强到达指定值时再送浆液,等喷射压力达到设计压力后再提升喷管。旋喷桩应由下而上均匀喷射至设计标高,在这个过程中严格控制浆液的凝固时间、浆体流速、运送量、输送压力以及提升速度等参数。在喷射施工完成后,对送浆管进行清理工作以备后续继续施工。
2.3 施工方法
由于设计环节和相关细节的复杂性,因此现场作业人员对高压旋喷桩的施工图纸要有比较全面和深入的了解,也需要对设计细节有充分的了解。在此基础上,按照既定的施工工艺和施工方案进行施工。
首先,施工前要做一系列的施工准备工作。其中较为重要的两个任务是测量放线和桩孔定位。测量放线的过程中根据设计图纸按坐标点依次进行,对每个点都需要复核确保其正确性。准确记录图纸上的孔位信息(包括孔号、编号以及桩号)。另外,还需要根据基准点测量不同桩孔的标高,桩孔定位和测量放线方向须满足施工要求,一般要求纵横偏差值不得大于50mm,垂直度偏差值低于桩长的1%。
其次,钻孔质量在一定程度上决定了旋喷桩的施工质量,因此在施工过程中的相关操作必须高度重视。在现场严格按照相关施工方案和设计规范要求进行施工。当钻机到达指定位置时,应对钻机进行固定,以保证钻机的稳定性。
最后,在注浆完成的基础上进行灌注施工。水泥浆液质量必须满足相关要求,这对整体质量有十分重要的影响。有条件的情况下,可以在施工现场建立搅拌机现场配置水泥浆液。在配浆的过程严格遵守相关规范,确保浆液内材料配比的科学性,同时充分搅拌保障浆液的一致性和均匀性;还需要保证旋喷过程浆液的运输量,避免浆液供应不足的问题;在低温天气下,充分考虑气温对非连续性喷射可能出现的影响,对运浆管道采取一定的保暖措施。
除此之外,在注浆作业前检查运浆管道的通透性,避免运送浆液过程中出现堵塞现象。在所有准备工作完成后开始注浆,开始注浆时要保证旋喷管的位置是否准确,然后开始喷射介质(浆液、空气、水的混合体),旋喷管上升直到预定位置方才停止喷射,旋喷管提升速度通常控制在10~25cm/min的范围内。目前高压旋喷桩施工的实际情况,注浆过程浆体流速不小于30L/min,气压不小于0.7MPa,水压不高于26MPa。
2.4 注意事项
高压旋喷桩为了避免施工过程时的异常冒浆、机械故障等突发事件发生,在施工前和施工中都应采取一定的手段来处理此类事件的发生,从而保证施工的顺利进行,确保施工质量达到相关要求。常见的问题及处理方法有:
(1)如果旋喷注浆时没有发生流量变化,但压力值出现变化,那么很可能旋喷管存在渗漏问题,这种情况下应对整个旋喷管的密封性进行检查,消除渗漏问题后再继续施工。
(2)如果旋喷注浆时出现大范围冒浆现象,综合分析现场的实际情况进行处理。假如施工线路的土体处于疏松的状态,可能是因为此处土体粒径小的缘故,可以继续施工。而如果存在隧道或者空洞时,应使用速凝浆液减少浆液的冒出。
(3)如果冒浆情况非常严重,考虑可能是喷浆量过大造成的。可以在喷射压力不变的情况下降低浆液流量或者适当地增加喷管旋转速度或者加快旋喷管的提升速度。
此外,当机械装置在施工过程中出现未知机械故障时,在未查明故障以前需要停止喷浆以及旋喷管的提升,在排除故障以后方能继续施工。
2.5 质量控制措施
首先,应确保水泥浆液的质量合格。高压旋喷桩最终的应用效果许多时候主要是由水泥浆的质量决定的,因此在施工之前应根据实际的需求设计出合理的配合比,并考虑运输、施工作业等对其进行质量优化,在水泥浆进入现场施工之前,应按照规范要求对水泥浆开展相关的检测试验,试验合格后方可用于成桩作业。
其次,高压旋喷桩的质量还受到现场工人的职业素养的控制。对于现场的施工工人以及从事管理的专业技术人员,需在施工前开展具有针对性的培训或训练,确保每位参与成桩的工作人员都能掌握高压旋喷桩的施工的工序、技术难点、验收标准等,同时做好技术交底工作。具有针对性的技术培训,是确保高压旋喷桩施工质量的必要手段。
最后,在实际作业过程中,还应当加强施工过程管理。对市政工程中的高压旋喷桩环节制定必要的操作流程、规章制度、监督机制等,并在实际作业过程中依照相关规范及规章制度严格执行。应明确现场施工过程中人员的具体责任,落实到人,如在施工过程中发现质量问题也应追责到人。
3 路基处理效果分析
3.1 无地基处理时的路基沉降
根据地质勘测报告,地下水位于地基表面下1.5m,地基竖向边界为30 m。路基监测点布置位置如图2所示,这两个监测点分别监测A点的竖向位移和B点的水平位移。图3为A、B监测点的竖向位移及水平位移随路基填筑层数的变化规律。由图3(a)可以看出,随着路基的填筑层数,监测点A的竖向位移逐渐增大,在第4层达到最大竖向位移,为5.1cm;图3(b)可以看出,随着路基填筑层数的增加,监测点B的水平位移逐渐增大,1~ 2层填筑时的增加量明显小于3~ 4层增加量,最大位移为5mm。
图2 监测点布置
图3 监测点A和B的竖向位移及水平位移
3.2 高压旋喷桩处理后的路基沉降
根据实际情况,基准点埋在路基外侧,监测路基填筑过程中路基顶部的竖向位移情况。选取间距为20m的两个断面作为监测面,每个断面埋3个监测点,构件埋于20cm的挖槽中。
试验路段沉降监测从2018年9月8日至11月24日,总共监测78d。沉降监测点沉降结果见表2。
由表2可知,位于路基中线的S6监测点的沉降最大,为2.972cm。相对于无地基处理措施的沉降5.1cm相比减小了2.128cm,说明高压旋喷桩加固软土路基能有效地减小竖向沉降。
表2 沉降监测结果
另外,对经过处理后的复合地基承载力进行平板试验,结果表明:地基承载力特征值大于200kPa,压缩模量大于15MPa,各项指标均达到上部结构设计要求。与处理前相比:表层5.6m以上的次生红黏土的承载力特征值为170kPa,变形模量为13MPa;5.6m以下次生红黏土的承载力特征值为150kPa,变形模量为9.5MPa。
4 结论
通过对高压旋喷桩在福建省泉州市某市政道路工程软基处理中的运用分析,得出如下结论:
(1)高压旋喷桩具有设备工作要求高度小、成桩质量好、施工噪音小以及施工简便的特点,适用于施工净空受限的地基处理,可以显著提高地基承载力,减小沉降。
(2)高压旋喷桩技术的专业性强,要求施工作业人员对旋喷桩的施工工艺和施工方案比较了解,同时注重施工细节保障施工质量达到加固软土路基的目的,有效保证道路工程的顺利进行。
(3)高压旋喷桩成桩的体积较小,施工时间也较短,但整体施工量大,很难做好每一桩的施工质量控制,所以在施工中必须做好相关的管理工作,对施工过程的每道程序做好控制,这也是高压旋喷桩能否发挥作用的关键。