钉型双向水泥搅拌桩技术在市政道路施工中的应用

林志伟

(福建涵城建设工程有限公司,福建 莆田 351100)

软土地基由于其承载力低、压缩性大等特点,在工程建设中一直都是一个较为突出的技术难题,目前针对软土进行的地基处理方法主要是排水固结法、水泥土复合地基等。排水固结法具有施工成本低、改良效果好等特点,但是地基土在排水固结过程中往往需要耗费较长的时间,几个月甚至几年时间不等,施工工期漫长,对于工程建设的进度有较大的限制作用。水泥土搅拌桩是通过专用的施工机械进行深层搅拌,搅拌过程中掺入一定配比的水泥等物料,达到改良地基土的目的。实践证明,这种方法虽然能有效降低地基土的压缩性,但搅拌质量等难以控制。钉型水泥土双向搅拌桩是一种特殊的水泥土搅拌桩,它是以水泥土搅拌桩为参考,在搅拌之后对地基土再次进行处理,以达到提升承载力、降低压缩性的目的。目前,钉型水泥土双向搅拌桩逐渐成为一种被大面积应用的地基处理方法。

1 工程概况

1.1 工程简介

莆田市荔城区玉湖新城古山、埭里片区市政及配套设施工程主要包含古荔路、文龙路B段、玉湖路二期、尚济街、荔浦路、陡门路等六条道路及核心区景观工程。

项目沿线主要为田地及菜地、古山村民房、木兰溪等,场地主要属海陆交互相地貌单元,均存在下卧软弱土层,切分布变化较大,因本项目道路等级较高,管线等接口对路基沉降要求较高,因此对淤泥厚度超过3 m的软土路段、成片的池塘、河道路段采用(钉型)双向水泥搅拌桩处理。包含路段:K0+030～K0+200、K0+266.7～K0+792.1、K1+053.9～K1+140.9,路基宽度42 m,双向水泥搅拌桩总长度共计242 320 m。

1.2 地质概况

本场地主要属海陆交互地貌单元。场地主要由素填土、杂填土、粉质黏土、淤泥、中砂、卵石及不同风化程度的花岗岩层等组成。场地各土层在水平向和垂直向分布及性质变化均较大,均匀性较差,属于不均匀地基。拟建场地主要为田地及菜地、古山村民房、木兰溪等,沿线地表被第四系地层所覆盖。沿线地面标高一般为3.90～6.60 m。

2 施工工艺

2.1 施工前准备

通过详细审核工程地质勘察报告和相关设计文件,然后再做施工图会审工作,可以提前解决好可能出现的各项问题。同时,技术部门结合程序文件当中的相关规定,可以向项目部发放和工程相关的技术规范、图纸要求,使其提前了解施工工艺。同时,在技术质量部门的引导和组织之下,再展开工程质量策划工作,使质量策划结果可以在施工或者是方案编制过程当中体现出来。通过对工程技术资料表格进行详细核对,然后再结合公司当中的质量体系程序规定,做好工程质量体系的记录工作。结合已经批准的编制技术质量和安全交底书,对相关施工人员做好相关的施工交底工作。

提前安排好施工现场各类分供方的报审流程,确保工程材料的采购和保管等工作能够按照既定步骤实施。由于业主方所成交的主便道通常无法与施工需求相一致,且无法及时提供实际的施工指导。因此,相关部门需要做好进场施工便道的修建工作,保证材料和设备的有序进场。及时安排好各项材料储备场地的准备工作,并妥善安排好小雨施工的接桩防雨设施准备工作。结合计划组织工作人员、设备以及材料及时进入到施工现场上,然后再按照既定的用电方案把总电源接入到各个分电箱当中[1]。

2.2 主要施工技术参数

钉型双向水泥搅拌桩施工前应先对场地进行整平处理,对于淤泥层底深度>3 m段路基(沟槽开挖、桥台处理范围除外),采用钉型双向水泥搅拌桩处理,上部扩大头直径100 cm,下部桩径60 cm,各段处理深度详见特殊路基处理图纸。正三角型布置,桩间距取1.8 m。采用42.5R级普通硅酸盐水泥。

桩体硬土层倾斜若坡率大于10%时桩底应设置台阶,钉型双向水泥搅拌桩平面采用等边三角形布置,根据填土高度、软土层厚度和沉降要求布设桩间距。

水泥搅拌桩处理范围坡脚线外侧至少一排桩基,桩应打透硬土层并进入硬土层不小于150 cm,局部深厚软土路段以桩长控制。

双向水泥搅拌桩处理长度原则上以桩底地质控制为主,长不超过12 m时采用直径60 cm的双向水搅拌桩处理;长12～15 m时采用钉型双向水泥搅拌桩处理,上部扩大头直径100 cm,长度3.5 m,下部桩径60 m;桩长大于15 m时采用钉型双向水泥搅拌桩处理,桩体上部采用扩大头的形式,规格为φ1.0 m×4.5 m,桩体下部直径为φ0.6 m;部分路段限于土层条件及周边环境的影响可以根据实际情况进行灵活调整。

2.3 施工工法

(1)实施步骤

钉型双向搅拌桩四搅四喷(扩大头)+两搅两喷(桩体)施工工艺流程如图1所示,具体实施步骤如下。

图1 钉型双向搅拌桩四搅四喷(扩大头)+两搅两喷(桩体)施工工艺流程图

①做好桩机就位等工作。确保搅拌机能够到达事先所预定好的装备,并使其保持对中状态。

②做好喷浆搅拌下沉等工作。首先是搅拌机启动起来,然后再逐步扩大头搅拌将叶片打开,使其沿着导向架逐步向下切土。此外,还要确保灰浆泵处于开启状态,并向土体喷水泥浆,同时确保两组叶片处于正向、反向旋转的状态,不断切割搅拌土体,并通过这种方法来扩大头达到设计深度[2]。

③逐步提升喷浆搅拌。喷浆搅拌,并通过这种方法去扩大头桩顶标高。

④使喷浆搅拌下沉。这样做的主要目的是扩大头设计深度。

⑤缩径喷浆下沉。这样做的主要目的是确保两组叶片处于正向、反向旋转的状态,不断切割搅拌土体,并通过这种方法来扩大头设计深度,然后再关闭好灰浆泵。

⑥提升喷浆搅拌。确保两组叶片处于正向、反向旋转的状态,不断切割搅拌水泥土,至下部桩体设计桩顶标高位置。

⑦扩径提升搅拌。这样做的主要目的是使叶片伸展至扩大头直径,确保两组叶片处于正向、反向旋转的状态,不断搅拌水泥土至地表。

⑧做好桩顶处理等工作。在桩顶1～1.5 m左右的范围,连续展开4次喷浆搅拌工作,然后再结合人工方式做好单桩施工工作。

⑨清洗完毕管中残存水泥浆。直到管中残存水泥浆完全被清洗干净为止,然后再清洗干净搅拌头部位的软土。

⑩移位。桩机移至进行下一桩位,重复进行上述步骤的施工。

总之,施工前必须保证机架垂直,偏差不大于1.0%,保证机架底盘水平,桩位偏差不大于50 mm,桩径和扩大头高度不小于设计值。

(2)施工要求

钉型双向水泥搅拌桩参数及要求如表1所示。桩与桩搭接时间不得超过24 h,否则应采取局部补桩或注浆措施,桩垂直偏差不得超过1.0%,桩位偏差不得超过50 mm,桩径偏差不得大于4%。施工中因故停浆时应将搅拌机下沉到停浆面0.5 m下,待浆液再次得到有效供应后再次实施提升搅拌作业。在接近地面位置,如喷浆口的高程一旦满足设计所需的标高位置时则应立即停止提升作业,再搅拌几秒,确保桩头部位的浆液均匀密实。

表1 钉型双向水泥搅拌桩参数及要求

2.4 单桩标定

(1)浆液制备

根据设计要求的水泥掺入量及水灰比配制浆液,由于项目的特殊性,水泥采用P·O 42.5及以上矿渣水泥,选择1∶0.55的水灰比制备水泥浆液,配制出的水泥浆流动性好,便于泵送、喷搅,浆液密度为1.75±0.0 g/cm3。为了保证水泥浆质量的可靠性及稳定性,采用自动制浆系统。

采用自动制浆系统,使用电子计量装置监控各项指标,避免了传统方式人为造成的浆液比重差异等问题的产生,同时保证了水泥浆的用量,确保成桩质量。自动制浆系梁工艺流程如图2所示。

图2 自动制浆系梁工艺流程图

(2)桩机参数

①控制下钻速度和提钻速度。根据对应的地质选用合适的卷扬机2档、3档和4档不同档位相对应的下钻和提钻速度。下钻和提钻速度:钻进速度0.8～1.2 m/min;提升速度0.8～1.2 m/min;②用标准计量桶。计量桶几何尺寸为1 000 mm×1 000 mm×600 mm。

2.5 施工要点

根据成桩试验所得出的技术参数完成施工作业,正方形布置好桩位,确保桩径能够集中在Ф600～1 000 mm之间,1.8 m的桩间距。紧密结合施工地段的实际情况,选择整体难度偏大的桩位展开工艺性试桩工作,这样做的主要目的是明确钻杆下沉、搅拌机转速、钻进速度等参数及工艺。通常情况下,需要用电流监测表来控制好喷浆搅拌的下沉速度,并确保额定值高于实际的工作电流。在钻杆进入到设计桩长的时候,再进行提钻喷浆作业。有些情况下,会遇到土质黏或者是深度大等问题,这样也会引发堵管问题,需要对其进行疏通。在管道疏通好之后,需要在管道上下1 m左右的范围当中进行复喷和复搅,这样可以有效避免断桩问题的出现。为了能够确保桩顶强度更大,需要在设计桩顶下2 m左右的地方进行复搅,桩底喷浆时间应当控制在20 s以上,确保浆液都到达桩端位置。另外,每台桩机所确定好的电流可被用来控制桩长,(电流值I=60～70A)。

应当保证搅拌桩垂直度偏差低于1%,桩位偏差应当在50 mm以下。在实际的施工过程当中需要详细检查搅拌头的提升速度、转数以及水泥浆配合比是否按照规定来进行的,安排专人详细做好施工记录,同时还要确保深度记录误差在50 mm以下,时间误差应当低于5 s,如果在施工过程当中出现误差,应当详实记录下来。在施工过程当中,若想形成完整桩体,要严格控制好每米水泥的实际喷入量,并安排专业的工作人员来操控阀门,确保喷塑均匀。与此同时,还应当采取有效措施保证桩头和桩底的质量,运用慢档来使喷浆搅拌更为均匀,送检工和司机之间要配合到位,确保掺入比无差错[3]。

需要严格按照检测频率抽取桩位进行复合地基静载荷与单桩载荷试验,实验时长为18 d。单桩容许承载力符合145 kN。每台桩机在施工工作开始之前,需要严格按照设计要求规定的水泥比进行实验,在确定提升速度之后不可随意修改。在实际的施工过程当中需要严格依据事先设计好的标准来进行操作,所设定好的施工工艺标准主要如下,即:(1)放样定位;(2)安装调试平钻机平台;(3)启动内钻杆电机,使喷浆口到地面呈现出300 mm的距离,然后再进行喷浆。桩底喷浆搅拌连续10～20 s左右的时间之后,再将浆泵边旋转搅拌土体边提升钻杆喷浆至地面——地面下2 m范围由于压力比较小,所以需要再实施二次叶片反压喷浆搅拌工作,桩体上0.5 m左右的范围中进行捣实,然后再将电源设备关闭好,重复上述步骤,再继续开启下一根桩的施工工作[4]。

2.6 成桩检验

钉形双向水泥搅拌桩单桩承载力要求不小于145 kPa,复合地基承载力不小于110 kPa。检测要求:钉形双向水泥搅拌桩成桩7 d后采用浅部开挖观察桩体成形情况和搅拌均匀程度,检查频率为1‰,且不少于3根;成桩28 d后进行标准贯入试验和取芯进行室内无侧限抗压强度测试,检验桩数随即抽取总桩数的5‰,且不少于3根;复核地基承载力试验应采用复核地基静载试验和单桩荷载试验,检验数量为总桩数的1‰～2‰,且每个单项工程不少于3点。

3 效益分析

3.1 经济效益

为了能够对钉型双向水泥搅拌桩处理效果作出更为全面的评价,此处主要以玉湖新城项目—尚济街L2合同为例展开了实验,通过该项目和一般水泥搅拌桩工艺之间的对比情况,可以得出如下结果。具体详情见表2。

表2 工艺对比结果

通过试验充分说明:首先,采用钉形深层双向水泥搅拌桩技术之后,桩基平均抗压强度同之前相比得到了显著的增强。其次,双搅工艺可以在很大程度上确保水泥浆的掺入量,使得桩体不会发生冒浆问题。最后,双向叶片正、反向搅拌土体,也能够大大提高工程的效率。

该试验充分证明:和普通水泥土搅拌桩相比,钉形深层双向水泥土搅拌桩虽然所花费的人力、物力资源相差不太明显,只是在电量、机械费用以及搅拌桩方面增加了10%～15%左右的花费。但是,钉形深层双向水泥土搅拌桩的成桩质量要明显更好一些。除此之外,在设计的过程当中也可通过降低水泥渗入量或者是加大桩间距的方式来控制好工程的开支。

3.2 社会效益

实验证明,钉型双向水泥土搅拌桩并不会震动或挤压附近的构造物,并且钉型深层双向水泥土搅拌桩还能够充分地利用软土资源。在实际的施工过程当中, 不会产生污染和噪音等现象, 并不会对周边环境产生明显的负面影响作用。同时,钉形深层双向水泥土搅拌桩由于具备路堤桩工作受力的特点,所以在使用过程当中能够在保证质量的同时,大大降低工程的造价问题。

此外,钉型双向水泥搅拌桩技术在玉湖新城项目—尚济街市政道路工程中的应用为莆田市首例,对莆田市地基深度较大地段施工有着较好的推广效果。

4 结束语

综上所述,钉型双向水泥土搅拌桩更适合于各种亚黏土、 黏土或者是淤泥等地质, 其处理软基深度集中在16～25 m之间。目前,钉形深层双向水泥土搅拌桩工法已经被应用在了玉湖新城项目—尚济街市政道路工程之中,全长242.32 km,钉型双向水泥土搅拌桩长度高达20万m,并且通过这种工法所取得的施工效果都非常好。