|
深层搅拌法在软弱地基处理中的应用
王海兵
【镇江市港航工程公司 镇江212003】
摘 要：本文结合苏南运河丹阳市河段和江口完善段整治工程的实践，阐述了深层搅拌法在软基处理中的应用及加固机理、施工机械、工艺流程、质量检验与工程验收等。
关键词：软基处理深层搅拌法应用
基础是重力式挡土墙非常重要的部分，它关系到建筑物的稳定和沉降量。凡是基础直接建筑在未经加固的天然土层上时，这种地基称之为天然地基。若天然地基很软弱，不能满足强度和变形的要求，必须经过处理后再修建基础，这种地基称之为人工地基。我国工业与民用建筑地基基础设计规范指出：“软弱地基系指压缩层主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其它高压缩性土层构成的地基”。实际上，软弱地基还应包括可液化的饱和粉砂和粉土地基，以及湿陷性黄土和膨胀土地基等。地基处理的目的是采取适当的措施，以改善地基土的强度、压缩性、透水性、动力特性、湿陷性和胀缩性等。深层搅拌法施工是地基处理中的一种化学处理方法，它具有设备简单、操作方便、工艺合理、技术可靠、无振动、无噪音、无泥浆、无废水污染环境、成本低、效果好等特点，是很适合我国国情的一种地基加固方法。根据固化材料状态的不同，它又可分为粉喷(干燥状态的水泥)和浆喷(水泥浆)两种。现就这两种施工方法在加固机理、施工机械、工艺流程、质量检验与工程验收以及在苏南运河整治工程中的实际应用等方面作一比较分析。
1 加固机理
(1)粉喷搅拌法是利用压缩空气通过固化材料供给机的特殊装置，携带着粉体固化材料，经过高压软管和搅拌轴输送到搅拌叶片的喷嘴喷出，借助搅拌叶片旋转，在叶片的背面产生空隙，安装在叶片背面的喷嘴将压缩空气连同粉体固化材料一起喷出，喷出的混合气体在空隙中压力急剧降低，促使固化材料就地粘附在旋转产生空隙的土中，旋转到半周，另一搅拌叶片把土与粉体固化材料搅拌混合在一起，与此同时，这只叶片背后的喷嘴将混合气体喷出，这样周而复始地搅拌、喷射、提升，与固化材料分离后的空气传递到搅拌轴的周围，上升到地面释放
(2)浆喷搅拌法是利用水泥浆作固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在加固深度内就地将软土和水泥浆充分拌和，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和足够强度的水泥土的一种地基处理方法。水泥土的强度机理主要有两个方面的作用，首先是水泥的骨架作用，水泥与饱和软粘土搅拌后，首先发生水泥的水解和水化反应，生成水泥水化物，形成凝胶体-氢氧化钙，将土颗粒或小土团凝结在一起，形成一种稳定的结构整体。其次是离子交换作用，水泥在水化过程中，生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子(或钾离子)进行离子交换，生成稳定的钙离子，从而提高土体的强度。
(3)粉体喷射搅拌地基土加固与浆体比较具有如下特点：
①使用的干燥状态的固化材料可以吸收软土地基中的水分，对加固含水量高的软土、
极软土以及泥炭化土地基效果更为显著。
②固化材料全面地被喷射到靠搅拌叶片旋转过程中产生的空隙中，同时又靠土的水分把它粘附到空隙内部，随着搅拌叶片的搅拌，固化剂均匀地分布在土中，不会产生不均匀散乱现象，有利于提高地基土的加固强度。
③与浆喷深层搅拌或高压旋喷相比，输入地基土中的固化材料要少得多，无浆液排出，地面无拱起现象。同时固化材料是干燥状态的0.5mm以下的粉状体，如水泥、生石灰、消石灰等，材料来源广泛，并可使用两种以上的混合材料。因此，对地基土加固适应性强，不同的土质要求都可以找出与之相适应的固化材料，其适应的工程对象较广。
④固化材料从施工现场的供给机的贮仓一直到喷入地基土中，成为连贯的密闭系统，中途不会发生粉尘外溢、污染环境的现象。
2 施工机械
(1)粉体喷射搅拌机械一般由搅拌主机、粉体固化材料供给机、空气压缩机、搅拌翼和动力部分等组成，有单搅拌轴和双搅拌轴两种形式。
搅拌设备的主要技术性能 表1
项目 技术性能
SJB-1
深
层
搅
拌
机
搅拌轴数量(根) 2
搅拌翼外径(mm) 700～800
搅拌轴转速(r/min) 46
电机功率(kW) 2×30
起
吊
设
备 工作时最小起吊高度(m) ＞14
提升力(kN) ＞100
提升速度(m/min) 0.2～1.0
固
化
剂
制
备
系
统 灰浆搅拌机容量(L) 2×20
灰浆泵输送量(m3/h) 3
灰浆泵工作压力(MPa) 1.47
集料斗容量(M3) 0.40
技
术
指
标
一次加固面积(m2) 0.71～0.80
最大加固深度(m) 10
加固效率(m/台班) 40～50
总重量(不包括起重机)(t) 约6.5
(2)我国第一台浆喷专用SJB-1型搅拌机是双搅拌头、中心管输浆方式的中型机械，它包括电机、减速器、搅拌轴、搅拌头、中心管、输浆管、单向球阀等部件，采用两台30kW潜水电机，经二级行星齿轮减速驱动搅拌轴，从而使拌和叶片起转。固化剂注入被加固土中是通过灰浆泵从中心管下端管口压开单向球阀实现的，搅拌机与吊装机是以导向系统配合使用的，搅拌头是一个重要的部件，它直接影响水泥浆和软土的拌和均匀程度，决定着地基的加固效果。搅拌设备的主要技术性能见表1。
3 工艺流程
3.1 施工前的准备工作
(1)按照施工图设计的边坡，对搅拌桩施工基面以上的土方组织开挖，以减少不必要的空搅长度。平整好搅拌桩钻机的施工现场，同时清除施工现场上有碍钻机移动和实施钻孔搅拌的一切障碍物。地表过软时，应采取换土夯实或铺设垫板等措施，以防钻机失稳。
(2)按照施工图的设计，对各排桩的轴线和桩位进行测量放样，现场桩位布置与施工图设计的误差不得大于5cm。同时在钻机组装就位过程中，应注意起吊设备的平稳和导向架的垂直，以确保桩体施工的垂直度，其垂直度偏差应控制在1.5%以内。
(3)为取得良好的地基加固效果，施工前须作好有关资料的收集、室内配合比试验、地基加固设计计算和施工工艺性设计。在正式施喷前，应进行若干根试喷工作，以期熟悉并掌握施工机械的各项性能，同时了解各参数与水泥及外掺剂用量之间的关系。
①水泥。水泥作为固化剂是提高软土强度的主要因素，一般多采用新出厂的普通硅酸盐水泥，因其活性高，早期和后期强度均较好，故而加固效果优于其它水泥品种。试验表明，水泥加固土的强度随水泥掺入比aw(掺加水泥重/被加固软土重×100%)的增加而增大，当aw=3%～5%时，水泥和土的反应过弱，固化强度较低，一般取aw=7%～15%。
②外掺剂。在浆喷深层搅拌工艺中使用的水泥浆需要用灰浆泵输送，所以要求流动性较大，水灰比一般为0.5～0.6，由于软土的含水量高，因而对水泥加固土的强度增长很不利，为了有利于输送，选用较为普通的木质素磺酸钙为减水剂。根据试验，当水灰比为0.5时，掺加0.2%水泥用量的木质素磺酸钙，同时掺加2%水泥用量的石膏为宜。
③加固土体中含水量对强度的影响。土体中的含水量对水泥浆起稀释作用，使加固体的强度下降。此外，土中有机质和可溶盐使土具有过大的水容量和塑性、较大的膨胀性、低渗透性和一定的酸性，这些都阻碍水泥水化反应的进行，并影响强度的增长。
④不同龄期对强度增长的影响。
混凝土强度在28d龄期基本上达到峰值，以后随龄期的增长，其强度的提高作为强度的安全储备。但水泥土的龄期超过28d后，强度却有明显增长，根据电子显微镜观察，水泥加固土硬凝反应的充分完成，约需100d时间，龄期超过100d后，强度继续增长，但增长速度较为缓慢，一般以90d龄期的强度作为其设计强度。
3.2 施工过程
(1)粉喷的施工顺序为：使搅拌钻头对准桩位后，启动粉喷搅拌钻机，钻头边旋转边钻进，贯入时喷射压缩空气，搅拌钻进至设计标高或层位时停止向下钻进；启动粉体发送器，使搅拌钻头一边反向旋转，一边提升，不断喷射粉体固化材料与土体拌合均匀，将搅拌钻头提升距地面30～50cm时关闭粉体发送器，停止向地基土喷射粉体固化材料，防止粉体流出地面；在每根桩第一遍喷粉以后，应坚特重新将钻头钻至设计桩尖标高处，进行不喷粉的复搅，复搅的深度以及下钻和提钻的速度应与第一次相同，以使水泥和土充分搅拌均匀，确保桩身水泥土的均匀一致。
(2)浆喷的施工顺序为：起重机悬吊搅拌机定位下沉，启动带有搅拌头的搅拌机，沿导向架搅拌下沉；搅拌机下沉至设计深度后，提升20cm，开启灰浆泵从搅拌机中心管下端管口压开单向球阀，将水泥浆压入土中，边喷浆边旋转边提升；重复搅拌下沉，使软土和水泥浆搅拌均匀；重复搅拌提升，一根柱体即告完成。
3.3 施工中应注意的问题
3.3.1 粉喷
(1)严格控制水泥质量，在粉喷前水泥必须过筛。
(2)认真控制好喷灰量和每根桩的喷灰长度。
(3)随着土层深度和土质的变化，当发现喷粉量降低时，要及时采取复喷的措施，即第一遍喷粉以后，在进行复搅的同时，进行第二次再喷粉。
3.3.2 浆喷
(1)在浆喷过程中深层搅拌机预搅下沉时，应尽量不用冲水下沉，当遇到较硬土层下沉太慢时，才可适量冲水。
(2)制备好的水泥浆不得离析，可在灰浆拌制机中不断搅拌，待压浆前再缓慢倾入集料斗中，泵送浆液必须连续。
(3)当桩顶设计标高与现场地面标高相近时，应特别注意桩头质量，可待深层搅拌机提出地面停机后，再利用搅拌机的自身重量对桩顶加固土层加压，以提高桩顶的密实性。
3.4 对不合格桩的处理
如成桩过程中发生卡管等意外事故，应在12h内采取补喷措施，补喷重叠长度不得小于0.5m，否则应重新打桩，新桩距报废桩的距离不得大于设计桩距的15%，如果设计要求相邻固结体搭接或施工壁状固结时，相邻柱体的施工间隔不得超过24h，原则上每一施工区段宜连续施工。
4 质量检验与工程验收
4.1 质量标准
(1)桩身试件强度(90d龄期)应符合设计标准，其中7d和28d龄期的试件强度应分别不低于设计强度值的40%和75%。
(2)实际喷灰量不能小于设计喷灰量，同时应保证桩身水泥土搅拌的均匀性。
(3)桩的平面位置偏差为±5cm，垂直度偏差为1.5%(桩长)，深度偏差为±10cm；成桩直径不小于设计直径2.0cm。
4.2 检测方法
(1)在开挖基槽和凿除桩头时，应对桩数、桩位、桩径及桩头强度进行检查，如发现漏桩、桩位和桩径偏差过大、桩头强度偏低等质量事故，必须采取补救措施。
(2)取样检验在成桩后7d内，在凿除桩头时，按照2%～5%的频率，分别割取6组5×5×5cm的试件进行标养，分别测定7d、28d和90d龄期的无侧限抗压强度。
(3)桩顶强度检测，一般可用16、长2m的平头钢筋，垂直放在桩顶，如用人力能压入10cm(28d龄期)，表明桩头质量有问题，一般可先挖除，再填入100＃素混凝土或砂浆。
(4)在凿除桩头过程中，经观测如对成桩的均匀性及强度有怀疑，应在7d内再挖深1m，使用带钻头的轻便触探器，在桩身中心钻取桩芯水泥加固土样，观察其搅拌均匀程度(主要观察颜色是否一致，是否存在水泥土的结核及未被搅匀的土团等)，并根据触探击数(N10)判断桩身强度是否符合设计要求。
(5)对工程地质条件复杂的场地或重要的大、中型工程，应采取现场静载荷试验方法进行测试，一般仅作单桩垂直载荷试验，必要时还应作单桩或群桩的复合地基的载荷试验。
(6)对搅拌桩要求相邻搭接的围护桩和对整体性要求严格的工程，应在有一定龄期后进行整体开挖，检查其外观质量，同时根据搅拌桩不同的用途，做好建筑物的沉降或位移观测，用以评价地基加固或支护的效果。
4.3 工程验收
搅拌桩验收时，应提供以下资料：
(1)施工平面和桩位布置及设计图。
(2)设计水泥掺合比的土工试验结果及材料检验报告。
(3)施工原始记录和施工记录汇总表。
(4)施工质量检验报告(包含桩身尺寸、平面位置、桩顶高程、桩身搅拌均匀性及桩身强度等)。
5 工程实例
在苏南运河镇江段的整治工程中，首次在丹阳市河段整治工程和江口段完善工程中运用深层搅拌桩技术进行软弱地基加固处理，较好地提高了地基的承载能力，保证了基础的施工质量和驳岸墙身的稳定。
(1)丹阳市河段整治工程起迄点为丹阳西老运河至新九曲河口东，全长3.735km。其主要不良持力层为淤泥质亚粘土夹粉砂，该层呈流塑、高压缩性状态，含水量大，平均达37.4%，基本承载力低，仅70kPa。不仅分布较广，长达1.39km，而且埋置较深，最深达-18m，不能作为驳岸的天然持力层，故采用水泥粉喷深层搅拌桩加固处理。设计标准为：桩径50cm，采用425＃普通硅酸盐水泥，掺入比αw为12%和15%两种，桩身设计强度(90d龄期)为2.0MPa，桩位设计按软弱土层埋置厚度分别按纵向0.55m至1.15m和横向0.64m至0.96m的间距呈梅花型布设。共打设粉喷桩8655根，总桩长63860延米，总加固土方量48200m3，平均置换率m=0.26，每加固1m3软土平均用水泥66Kg。实际桩身90d龄期平均抗压强度5.0MPa，而天然土强度仅0.07MPa，对软弱土层起到了较好的加固作用。在丹阳化肥厂深埋在地下总容量达2000t的5个大型地下油库段的驳岸基础施工过程中，采用柱状粉喷桩相互搭接(重叠搭接100mm以上)，形成的壁状加固体作支护结构，在基坑开挖施工期间有效地控制了地下水的渗流，防止基坑边坡的坍塌，确保了地下油库的安全。
(2)江口段完善工程是苏南运河航道整治入江口衔接工程，其锚泊区护岸段位于谏壁船闸上游西岸纸浆厂至古运河口，长335m。其场地工程地质条件较复杂，现地貌主要为人工地貌，表层为开凿大运河的堆填土，古地貌为古冲沟及其边缘，呈东西向，与古运河的走向基本相同，沉积较厚的软弱土层，土质性质为淤泥质粉质粘土夹泥炭，其含水量较高，承载力低，仅为60kPa，呈软-流塑状态，分布长度约150m，在部分驳岸基础下仍有该层分布，为场地内的主要不良土层，不能作为基础的天然持力层。我们对其中埋置较深的90m软弱地基进行了深层搅拌桩加固处理，其设计标准为：桩径50cm，采用425＃普通硅酸盐水泥，掺入比αw=15%，水灰比为0.5，同时掺加2%水泥用量的石膏，桩身设计强度(90d龄期)为1.0MPa，桩位设计为纵、横向0.5m间距呈梅花型布设，共打设搅拌桩630根，总桩长2835m，总加固土方量1420m3，平均置换率m=0.39，加固1m3软土平均耗用水泥110Kg，石膏2.2Kg，实际桩身强度4.4MPa，复合地基允许承载力达160kPa，而该层天然土强度仅为60kPa，从而较好地提高了地基的承载能力，确保驳岸墙身的稳定。有关技术、经济比较详见表2。
技术经济比较表 表2
工程名称 地基处
理方案 加固土体 设计标准 实际加固效果 技术经济比较
土质 基本
承载力
(MPa) 桩径
(cm) 抗压
强度
(MPa) 掺入比
aw水灰
比w/c
置换率
m 外加
剂 桩身
强度
(90d)
(MPa) 每加
固1m3
软土
水泥
用量
(kg) 复合
地基
承载
力
(KPa) 每加
固1m3
软土
造价
(元)
丹阳市河段 水泥粉
喷桩
(干燥状
态水泥) 淤泥
质亚
粘土
夹粉
砂 70 50 2.0 aw=12%～15%
=m0.26% / 5.0 66 210 46.6
江口完善段 深层
搅拌桩
(水泥浆) 淤泥
质土
夹泥
炭 60 50 1.0 aw15%
w/c0.5
m=0.39 2%水
泥用
量石
膏 4.4 110 160 71.9
|
