浅析浆喷桩在公路施工中的应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 浅析浆喷桩在公路施工中的应用 摘要：浆喷桩是一种软基处理的 施工方法，在公路工程中已有较广泛应 用。浆喷桩作为复合地基处理方法，从 加固机理到设计方法还处于半理论半经 验阶段。分析浆喷桩地质条件的适应性， 工艺参数的理论计算与试桩数据之间的 差异，探讨施工工艺，理解关键工序的 含义，以做好施工控制。 中国论文网 /2/view-12873457.htm 关键词：公路；浆喷桩；设计； 施工；工艺；分析 Abstract: plasma spray pile is a kind of soft foundation treatment construction method, in highway construction for more extensive -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 application. Plasma spray pile composite foundation as a treatment method, from strengthening mechanism to design method is still in a half theory half experience stage. Analysis the geological condition of plasma spray pile adaptability, process parameters of the theoretical calculation and test pile the differences between data, this paper discusses the construction technology, understand the meaning of the key working procedure, to do the construction control. Keywords: highway; Plasma spray pile; Design; The construction; Technology; analysis 中图分类号：X734 文献标识码： A 文章编号： 水泥土搅拌桩是利用水泥、石 灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制 的深层搅拌机械，在地基深处就将软土 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 和固化剂强制搅拌，利用固化剂与软土 之间所产生的一系列物理化学反应，使 软土硬结成具有整体性、水稳性和一定 强度的优质地基。对于提高软土地基承 载能力，减少地基的沉降量有明显效果， 适用于加固淤泥、淤泥质土、粘土、粉 质粘土、粉土等软土地基。按其施工工 艺分为浆喷桩和粉喷桩 2 种。浆喷桩加 固深度可达 20m，粉喷桩不宜超过 15m。浆喷桩具有对地基土的含水量适 应性更广，处理深度更深的特点。 1 地质情况对浆喷桩的影响 1) 对于含水量较大的软土地基， 由于浆喷桩的浆液搅拌需在水泥中加入 一定比例的水，而水泥水化反应所需水 量仅为水泥重量的 23，多余的水储存 在原本含水量很高的桩体及桩周围土中， 加大了土的含水量，施工中会发生冒浆 现象，水灰比增大，导致桩体实际水泥 掺入比大为降低。当土的含水量在 5085范围内变化时，含水量每降 低 10，水泥提高 30，因此对于饱 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 和软土地基应优先采用粉喷桩施工。 2) 对于有机质含量较高的软粘土， 用水泥加固后的强度一般较低，因为有 机质使土层具有较大的水容量和塑性， 较大的膨胀性和低渗透性，并使土层具 有一定的酸性，会降低其透水性，阻碍 水泥水化反应的进行，影响水泥土强度 的增长，因此可增加水泥掺人量，来保 证桩体达到一定的强度。 3) 当粘土的塑性指数，Ip 大于 25 时，容易在搅拌头叶片上形成泥团， 引起抱钻后无法完成水泥土的拌和。 4) 硫酸盐能与水泥土中的氢氧化 钙起作用生成石膏，当石膏数量超过一 定范围时，会在水泥土空隙中结晶产生 体积膨胀破坏，对于地下水中含有大量 硫酸盐的地区，应选用抗硫酸盐的水泥、 矿渣水泥等，来提高水泥土的抗侵蚀性 能。 5) 水泥土发生化学反应时，如果 土中 pH 值低，需消耗 OH 一，减少水 泥水化物的生成量，导致水泥土的强度 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 降低，因此对于 pH 值低的土层，可掺 人少量石灰来提高水泥土的强度。 2 水泥土搅拌桩的设计计算 2.1 设计要求 资料收集 拟建场地的工程地质、水文地质、 上部结构和基础工程资料。 对工程地质勘查的特殊要求 软土层的分布：由于深层搅拌 桩主要是用于加固软土，因此要特别搞 清软土层的平面分布范围、厚度。如有 数层还应分别鉴别它们的成因，软土层 之间是否还有砂质土夹层。 池塘冲沟中沉积的软土，其平 面分布通常复杂多变，缺乏规律，应有 足够数量的浅孔予以查明。人工填土应 查明填土层的物理成分和密实度，是否 夹有大石块或大建筑垃圾，是否由不同 土质堆填或为分期堆填。 地下水调查 了解其埋深，当为承压水或局部 承压时，还应了解其水头高低。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 土、水分析 粘土矿物成分分析、有机质含 量、塑性指数、水质分析。 由于不同成因的软土，土类不同， 含水量不同，有机质含量不同，水泥品 种和掺量不同，龄期不同，水泥加固土 的强度相差悬殊，因此在进行水泥土搅 拌加固设计前，应进行室内配合比实验， 以取得水泥掺量，龄期，加固土强度和 外掺剂品种及用量，做为依据。 深层搅拌加固形式的选择。 按地基加固的不同要求，可灵活 采用柱状、壁状、格栅状和块状等不同 加固形式。 (七) 复合地基的设计。 水泥土搅拌单桩和周围土体构成 复合地基，可以共同承受上部竖向荷载。 2.2 单桩承载力的计算。 当拟加固场地的土质条件，施工 机械因素等限制搅拌桩设计深度时，应 先确定桩长，根据桩长计算单桩容许承 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 载力，然后再确定桩身强度，并根据水 泥土室内强度试验资料选择相应于所需 桩身强度的水泥掺入比。 当搅拌加固的深度不受限制时， 可根据室内强度试验资料选择水泥掺入 比确定桩身强度计算单桩承载力，然后 再求桩长。 直接根据上部结构对地基的要求， 先选择定单桩承载力，即可求得桩长和 桩身强度，然后再根据室内强度试验资 料，选择相应于要求的桩身强度的水泥 掺入比。 单桩竖向承载力特征值 Ra，可 按下列两式计算，并取其中较小值。 Ra=Up qsili+qpAp Ra=fcuAP 式中 fcu-与搅拌桩桩身水泥土 配比相同的室内加固土试块（边长为 70.7mm70.7mm70.7mm，也可采用边 长为 50mm50mm5mm）在标准养护 条件下 90d 龄期的立方体抗老化强度来 均值(Kpa) -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 - 桩身强度折减系数，干法 （采用水泥粉状固化剂）可取 0.2-0.3， 湿法（采用水泥浆状固化剂）可取 0.25-0.33。 Ap-桩的载面积（m2） ； Up-桩的固长（m） qsi-桩周第 i 层土的侧阻力特值， 对淤泥土可取 4-7Kpa；对淤泥质土可取 6-12Kpa；对软塑状态的粘性土可取 10- 15Kpa，对可塑状态的粘性土可取 1218Kpa； -桩长范围内第 i 层 土的 厚度（m） qp-桩端地基土未经修正的承 载力特征值（Kpa ） ，可按现行国定标准 建筑地基基础设计规范 （GB50007- 2002）的有关规定确定。 -桩端天然地基土的承载力折 减系数,可取 0.4-0.6 承载力高时取低值。 2.3 搅拌桩复合地基承载力的计 算 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 水泥搅拌桩的承载力性状与刚 性桩相拟，设计时可仅在上部结构基础 范围内布桩。但是，由于搅拌桩桩身强 度较刚性桩为低，在垂直荷载作用下有 一定的压缩变形。在桩身压缩变形的同 时，其周围的软土也能分担一部分荷载， 因此，当桩的间距较大时组成柔性桩复 合地基。 搅拌桩复合地基的承载力标 准值可按下式计算：fspk=m+（1-m） fsk 式中：fspk-复合地基承载力特 征值（Kpa） m-面积置换率； Ra-单桩竖向承载力特征值 （KN） -桩间土承载力折减系数，当 桩端末经修正的承载力特征值大于桩周 土的承载力特征值的平均值时，可取 0.1-0.4，差值大时取低值。 当桩端土未经修正的承载力特征 值小于或等于桩周土承载力特征值的平 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 均值时，可取 0.5-0.9，差值大时设置褥 垫层时均取高值； fsk-桩间土承载力特征值 （Kpa） 2.4 置换率和桩数的计算 在通常的设计过程中，根据上部 结构对地基要求达到的承载力 fspk 和单 桩设计的承载力 Ra，按下式即可求得 所需的置换率： fspk-fsk 对于采用柱状加固时，可采用正 方形或等边三角形布桩形式，其总桩数 可按下式计算： n= 式中：n-总桩数 A- 基础底面积， 水泥搅拌桩的总桩数确定后，根 据上部荷载进行布桩。 2.5 沉降计算 当搅拌桩复合地基承受上部传 递来的垂年荷载后所产生的垂直沉降 S -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 包括桩土复合层本身的压缩变形 S1， 和桩土复合层底面以下天然地基圭的沉 降量 S2，即 S=S1+S2 桩土复合层的压缩变形 S1 可按 下式进行验算： S1= 式中：P2- 桩土复合层顶面的 平均压力（Kpa ） PzL= Pzl-桩土复合层底面的附加应 力（Kpa） Pzl=Rb-pL p-（桩土复合体的平均容重） L-桩长（m） Esp-桩土复合体的变形模量 （Kpa） Esp=mEp+(1-m)Es 式中 Ep 和 Es 分别为桩身水泥 和桩间土的变形模量，Ep 按经验可取 （100-120）fcu。 这是一个半理论，半经验的水 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 泥土复合体压缩量的计算式，实际上是 将搅拌桩连同桩间土视为一个整体，采 用置换率加权作为复合模量，并以此作 为计算参数，再用单向压缩的分层总和 求得 S1 值。 3 浆喷桩施工工艺 1) 将浆喷桩机移到指定桩位，对 中，双向调整桩机垂直度。 2) 启动搅拌机电机，放松起重机 钢丝绳，使搅拌机沿导向架切土搅拌下 沉，下沉速度小于 1mmin。 3) 按规定的配合比控制好水和水 泥用量，拌浆筒内加水到标定刻度，加 水泥后充分拌均匀，每次投料后拌和时 问不少于 4min。 4) 将制备好的水泥浆经筛过滤后， 倒人贮浆桶，开动灰浆泵，将浆液送至 搅拌头。喷浆有以下 2 种方式： (1)钻进喷浆。开动灰浆泵，浆 液从喷嘴喷出并具有一定压力后，开始 钻进搅拌；钻进过程中连续喷入水泥浆 液；钻进至设计桩长或硬土层后，应原 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 地喷浆搅拌 30s；如局部位置喷浆不足， 应在提升的过程中进行补浆。 (2)提升喷浆。在钻进过程中不 喷浆，钻进至设计桩长或硬土层后，开 启灰浆泵将水泥浆压入地基土中；此后 边喷浆，边旋转，边提升；到停浆面， 提升速度小于 0.8mmin。 5) 再次下沉进行复搅，复搅深度 应为桩身全长。在复搅过程中，应对局 部喷浆不足的桩身部位进行补浆，边旋 转，边提升，重复搅拌至桩顶标高，并 将钻头提出地面，以便移机施工新的桩 体。 6) 成桩后立即打印施工过程资料 和成桩资料。 7) 清理搅拌钻头上包裹的土块及 喷浆口。重复以上步骤，进行下一根桩 的施工。 4 工艺性试桩 由于施工现场土质的差异、水 泥的品种和强度级别不同，因而搅拌加 固质量有较大差别。在正式施工前，要 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 根据现场实际情况进行试桩。通过试桩， 选择合理的技术措施，以保证大面积施 工的质量。主要包括以下内容： 1) 掌握满足设计喷浆量(水泥掺 量)的各种技术参数，如钻进速度、提 升速度、复搅速度、单位时间喷人量。 2) 掌握下钻和提升的阻力情况， 以便选择合理的技术措施，确定钻头进 入硬土层电流变化程度。 3) 了解施工中冒浆情况及采用钻 进喷浆和提升喷浆的不同效果。 4) 验证水泥浆液密度，验证室内 配合比的适应性。 5) 检测桩身的无侧限抗压强度是 否满足设计要求。 6) 检验水泥浆分布的均匀性和有 效加固长度能否符合设计要求。现场工 艺性试桩一般在 l0 根左右，在条件受限 时，每种配合比不少于 2 根。试桩施工 段落最好选择在地质最差段落，以利于 更好地控制后续施工。 5 施工工艺分析 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 5.1 段浆量 段浆量是单位桩长喷出的水泥 浆体积，可以反映施工中水泥浆的均匀 程度，以及是否满足设计要求的水泥喷 人量。目前钻机都配备了全自动电脑记 录仪，可自动打印实际段浆量。通过对 典型地段进行室内配合比试验，实验室 可提供一定水泥掺入量的水灰比和浆液 比重。试桩前应计算理论段浆量 (L10cm) ，将实际段浆量与理论段浆 量进行比较，可反映浆喷桩施工中水泥 的掺人量是否满足要求。理论段浆量可 按下式进行计算： 式中，为理论段浆量， L10cm ；m 为设计每 m 水泥掺入量， kgm；a 为水泥浆水灰比；为实验室 提供的水泥浆液比重，kgL。 5.2 桩顶施工 浆喷桩在施工到顶端 0.30.5m 范围内时，因上覆土压力较小，搅拌质 量较差，因此其场地整平标高应比设计 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 确定的基底标高再高出 0.30.5m。浆 喷桩施工到设计标高(停浆面)，施工后 再将上部 0.30.5m 的覆盖土挖去。桩 顶设计标高与施工场地地面标高接近时， 应特别注意桩头的施工质量，搅拌机自 地面以下 1m 喷浆搅拌提升出地面时， 宜用慢速；当喷浆口即将出地面时，宜 停止提升，搅拌数秒以保证桩头密实、 均匀。 5.3 钻进喷浆和提升喷浆 一般采用中低档速度钻进(或提 升)，切勿采用高速档快速钻进(或快速 提升)。钻进深度由电流值的大小来控 制，正常钻进时电流值 3040A，当电 流表读数明显上升或电流突变达到 100A 时，说明已进人硬土层。喷浆时， 送浆管道压力控制在 0.20.6MPa。 钻进喷浆可减少机械负荷，由 于土层软硬不同，钻进阻力也不相同， 当阻力的影响超过机械适应的范围，会 造成钻进速度不均匀和喷浆量的不均匀， 局部桩段超浆严重的会硬凝成水泥块， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 起不到应有的处理效果，因此对于不均 匀的土质建议不采取钻进喷浆。提升喷 浆时由于存在喷浆与提升不同步、堵管 等情况，会影响底部成桩质量，甚至使 桩长变短。施工工艺中对桩底喷浆量的 控制，需根据管道的送浆时间，在提升 钻具前喷浆搅拌 30S，在水泥浆与桩端 土充分搅拌后，再开始提升搅拌头。提 升喷浆从搅拌次数上不如钻进喷浆，目 前在公路工程中这 2 种工艺都是允许的， 应结合具体的地质情况和机械性能灵活 掌握。 5.4 喷浆速度 深层搅拌机械大都采用定量泵 输送水泥浆，转速大多是恒定的。喷浆 量均匀性控制，主要依靠钻机提升速度 和喷浆压力，施工过程中应保持不变， 以保证水泥浆能均匀分布。严禁使用利 用水泥浆自重下沉和无档位直接用卷扬 机提升钻机，避免出现为满足段浆量打 印的要求，施工人员根据记录器显示凑 数据，人为地导致喷浆不均匀现象。制 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 桩质量的优劣直接关系到地基处理的效 果，其中关键是喷浆量和水泥浆与软土 搅拌的均匀程度。施工中应严格控制喷 浆速度，可按下式计算： 式中，V 为理论喷浆速度， mmin；p 为柱塞式灰浆泵灰浆输送量， Lmin；为理论每 m 段浆量，Lm。 根据灰浆泵的输送能力和理论 段浆量，可计算喷浆时的理论速度。由 于地质条件不同，地下压力随时会发生 变化，实际灰浆输送量也会发生变化， 故需通过试桩进行确定。施工中桩越长， 底部的喷浆量越难控制。从推导过程可 知，工艺性试桩参数是依据一定的地质 情况和相同泵送能力的浆喷机而言，当 条件发生变化时，参数也要发生变化。 如果按照设定的速度 1 次不能将水泥浆 全部喷完时，可采用 2 次喷浆工艺，但 应注意喷浆的均匀性。第 2 次喷浆量不 宜过少，应控制在理论总浆量的 3040，过少的水泥浆很难做到沿 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 19 桩长均匀分布。1 次还是 2 次喷浆主要 依据土质情况及施工深度而定。一般土 质较软，施工深度较小时(12m 以内)， 可用前者，反之可用后者。 5.5 复搅 水泥土搅拌桩施工时，水泥浆 是通过钻机空心钻杆用压力送至钻头处 侧向喷嘴喷入软土中，喷嘴的运动轨迹 是由钻杆的自转和提升的直线运动复合 而成的螺旋线，喷出的水泥浆不可能与 土充分拌和，必须进行复搅，使水泥浆 在径向分布均匀。因此搅拌是否均匀将 直接影响水泥土搅拌桩的质量，是控制 的关键。 浆喷机钻头为十字钻头，钻头 叶片有 3 层，每层有对称的 2 片，层间 距为 30cm。上面 2 层叶片水平设置， 最下 1 层叶片可与水平有一定的夹角 (300 左右 )，以利切土钻进。一般每片 叶片宽 6cm，厚 2cm 左右。钻头的形式 应与搅拌头的回转数、提升速度相匹配。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 20 水泥浆与土的搅拌均匀程度对 地基强度有较大影响，采取复搅工艺对 提高桩体强度有较好效果。深层搅拌机 施工时，搅拌次数越多，拌和越均匀， 水泥土强度也越高；但搅拌次数越多， 施工时间越长，工效就会降低。复搅次 数的多少，直接关系到桩体强度，同时 也影响施工工效和工程造价。加固范围 内土体任一点的水泥土经过 20 次拌和， 其强度即可达到较高值。搅拌次数 N 由 下式计算： 式中,N 为搅拌次数；H 为叶片在 垂直方向投影高度，m；Z 为搅拌叶片 总枚数；n 为搅拌头的回转数， revmin；V 为提升或下降的速度， mmin； 可以得出以 1mmin 的速度提 升(或下降 )1 次，水泥土就被搅拌了 7.4 次。由于钻头有一定的高度，桩顶、桩 底水泥土不可能被所有叶片拌和，因此 复搅施工中要求钻头在桩底停留，到桩 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 21 顶也要减慢速度，对桩底、桩顶加强搅 拌处理。水泥土的搅拌效果与钻头叶片 的层数、厚度、水平夹角有关，钻头的 形式会直接影响钻进或提升的阻力，故 施工中可根据具体情况进行搅拌次数的 计算。由于喷浆口一般位于最下层叶片 的侧面，如果采用 1 次复搅工艺，下钻 喷浆水泥土被钻头搅动 4 次，而提升喷 浆水泥土仅