粉喷桩在高速公路软基处理中的应用

粉喷桩进行软土路基处理的应用及施工 绪论 粉喷桩是在软土地基中输入粉粒体加固材料(水泥粉或石灰粉),通过搅拌机械 和原位地基土强制性地搅拌混合,使地基土和加固材料发生化学反应,在稳定地基土 的同时提高其强度的方法。 由于粉喷桩采用粉体作为固化剂,不再向地基中注人附加水分,反而能充分吸收 周围软土中的水分,因此加固后地基的初期强度高,对含水量高的软土,加固效果尤为 显著。该技术已在国、内外得到广泛地应用。 粉喷桩是为软土地基加固技术开拓的一种新方法,在铁路、公路、市政工程、 港口、码头、工业与民用建筑等软土地基加固方面广泛使用。 粉喷桩加固地基具有如下的特点： 使用的固化材料（干燥状态）可更多地吸收软土地基中的水分,对加固含水 量高的软土、软土地基,效果更为显著。 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,使固化剂均匀地分布在土中,不会 产生不均匀的散乱现象,有利于提高地基土的加固强度。 (3).与高压喷射注浆和水泥浆深层搅拌法相比,输入地基土中的固化材料要少得 多,无浆液排出,无地面隆起现象。 (4).粉喷桩施工可以加固成群桩,也可以交替搭接加固成壁状、格栅状或块状。 使用的固化材料是干燥状态的直径为 0.5mm 以下的粉状体,如水泥、生石灰、 消石灰,也可以掺入矿石碎渣、干燥砂和粉煤灰等,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。 粉喷桩(干法)由深层搅拌法(湿法)改进而来。在原地基承载力高时,湿法施工比 干法施工搅拌可能性大,且搅拌效果更理想。若采用于法施工,搅拌后形成的水泥土 均匀性相对较差。另外,当天然地基土的含水量较低时,满足不了水泥水解水化反应 的水量要求,从而达不到理想的结果。 粉体喷射搅拌法施工使用的机械和配套设备有单搅拌轴和双搅拌轴的二种机 型,二者的施工工艺相似,都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 一起喷出二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由旋 转产生空隙的注中 j 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(有的搅拌机安装二层搅拌叶片,使土与粉体搅拌混合得更为均匀)。与固化材料 分离后的空气传递到搅拌轴的四周,上升到地面释放掉。如果不让分离的空气释放 出将影响减压效果,因此,搅拌轴外形一般多呈四方、六方或带棱角形状。 粉喷桩复合地基是以水泥作固化材料，通过深层搅拌机将软土和固化材料强 制拌和，使软土结硬提高地基强度，成为桩土共同承担外部荷载的复合地基。因 此，复合地基承重的水平荷载也是由桩和桩间土共同承担的，但分担的比例不但 与桩和桩间土的条件有关，还与复合地基的滑动形式、接触形式有很大关系。 复合地基的水平荷载试验仍可按天然地基的水平荷载试验方式进行。水工建 筑物在垂直及水平荷载共同作用下，如果沿地基表面滑动时，则其垂直压力与抗 剪强度的临界状态符合库仑定律。因此，只要施加一定范围的法向压力，测出在 各法向应力作用下的荷载板滑动临界状态的抗剪强度，就可以得出混凝土底板与 复合地基间的摩擦系数及黏聚力，也可以观察到粉喷桩复合地基在竖向及水平荷 载作用下的滑动形式。 第一章 1.1 粉喷桩的支承式与悬浮式对沉降的影响 昆山段试验表明，在桩长 11m 范围内的沉降量与桩尖以下沉降的比值达 11.5。查阅其他资料也证明，当粉喷桩打穿软土层进入较硬的持力层沉降很少； 若未打穿软土层，成为悬浮式时沉降就大。地基的过大沉降，说明桩尖下卧软土 层的沉降还相当大，而且持续时间较长，将不得不重新进行处理甚至报废。目前 高速公路不断向沿海近海地区延伸，遇到的深厚软土越来越多，而且是现有粉喷 桩机所达深度远远不及的。如何来解决这个问题，除了进一步提高机械设备的性 能外，在设计理论上也需要有一个突破。对下卧层软土的沉降有一个正确的评估， 同时在实践中探索解决的方法。 1.2 地基土含水量对粉喷桩质量的影响 粉喷桩质量的优劣主要反映在粉喷桩的强度指标上，这不仅与掺入粉体的质 量、施工工艺、地基土的性质有关，其中尤以含水量的关系甚为密切。规范规定， 地基土的天然含水量在小于 30或大于 70时不宜采用。因为当土的含水量小于 30时，土中的水份不足以使粉体进行水化作用；当含水量大于 70时，含水量 过高的土壤往往孔隙比大，若按常规掺入粉体数量，由于水分过多形成不了足够 强度的水泥土桩体，将严重影响粉喷桩的强度，在这种情况下必须增加粉体的掺 入量和采用复搅的施工工艺。高含水量、大孔隙比和粘粒含量多时，土周边的束 缚力极低，当钻头反转提升喷灰时，产生一个垂直向下挤压力和一个径向水平推 石家庄铁道学院毕业设计（论文） 力，由于土呈流塑状，束缚力极低，桩体在成形过程中向下及向四周水平向排水， 影响形成竖向桩体，通常形成所谓“掉桩“或“下沉“，常为地表下 12m。当发生“ 掉桩“或“下沉“时，只要当时采取立即回填土并重新复喷复搅，就能克服这种现象， 如果不作处理将造成过大的路基沉降。 1.3 施工机械和设备 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。 1.3.1 国外几种粉体喷射搅拌施工机械性能 国外几种粉体喷射搅拌施工机械性能见表 1.3.2 GPP-5 型粉体喷射搅拌机 它是一种步履式移位的钻机,是铁道部第四勘测设计院于 1984 年利用 Dpp-100 汽车钻机改制的,技术性能见表 粉体喷射搅拌机械技术参数汇总 分类项目类型与规格 搅拌机型号DJM1037DJM1070DJM2050DJM2070DJM2090 搅拌轴直径 （mn） 8001000100010001000 搅拌轴根数 （根） 11222 轴间距（mn）- 12002000 （间距 200） 1000、1200 1500 1000、1200 1500 搅拌轴回转速 度（r/min） 55055016.554 24.48 (50Hz) 32.63 (50Hz) 搅拌轴最大扭 矩（KN.m） 10.020.017.620.025.2 加固深度（m） 10（最大 15） 15（最大 20） 15（最大 20） 20（最大 23） 25（最大 30） 钻进、提升速 度（m/min） 07.007.004.00.53.00.53.0 搅 拌 机 搅拌驱动方式 电动机-油 压 电动机-油 压 柴油发动机 -油压 电动机电动机 移动方式 附卧式 滑动垫板 附卧式 滑动垫板 覆带式覆带式覆带式 规格（长*宽* 高） （mm） 4320*3100 *1700 7150*3080 *2000 5090*3290 *2860 6400*4600 *4485 9227*4920 *6800 基 础 机 械接地压力 （kPa） 23246385100 搅拌机总重量（kg）900022000400005900080000 空气压缩机 （m3/min） 10.5 (700kPa)一 台 10.5 (700kPa)一 台 10.5 二台 17.0 一台 （700kPa） 10.5 二台 17.0 台 （700kPa） GPP-5 型粉喷搅拌机技术参数 搅拌轴规格 （mm） 108*108*(7500+5500)储料量（kg）2000 搅拌翼外径 （mm） 500最大送粉压力 （Mpa） 0.5 搅拌轴转速 （r/min） 正（反）28，50，92送粉管直径 （mm） 50 扭矩（Kn.m）4.9,8.6最大送粉量 （kgmin） 100 粉 喷 搅 拌 机 电机功率 （Kw） 30 YP-1 型 粉 体 喷 射 机 外形规格 （m） 2.7*1.82*2.46 并架结构高度 （m） 门型-3 级-14m一次加固面积 （m2） 0.196 提升力（KN）78.4最大加固深度 （m） 12.5 提升速度 （m/min） 0.48,0.8,1.47总重量（t）9.2 起 吊 设 备 接地压力 （kPa） 34 技 术 参 数 移动方式液压步覆 1.4 施工工序 1.4.1 施工流程 （1） .放样定位; （2） .移动钻机,准确对孔。对孔误差不得大于 5Omm; （3） .利用支腿油缸调平钻机,钻机主轴垂直度误差应不大于 1%; （4） 启动主电动机,根据施工要求,以 I、档逐级加速的顺序,正转预搅 下沉。钻至接近设计深度时,应用低速慢钻,钻机应原位钻动 12min。为保持钻杆中 间的送风通道的干燥,从预搅下沉开始直到喷粉为止,应在轴杆内连续输送压缩空气; （5） .提升喷粉搅拌。在确认加固料已喷至孔底时,按 0.5m/min 的速度反转提 升。升到设计停灰标高后,应慢速原地搅拌 1-2min； （6） 重复搅拌。为保证粉体搅拌均匀,须再次将搅拌头下沉到设计深度。提 升搅拌时,其速度控制在 0.50.8m/min 左右; （7） 钻具提升至地面后,钻机移位对孔,按上述步骤进行下一根桩的施工。 1.4.2 工艺性设计 石家庄铁道学院毕业设计（论文） 为取得良好的地基加固效果,施工前须作好有关资料的搜集(地质资料;明暗泯分 布、成分及有机质含量等 、室内配合比试验和施工工艺性设计。固化剂与土的搅 拌通常用土体中任一点经钻头搅拌的次数 t 和单位时间内粉体的喷出量 q 来表征, 它是影响地基加固效果的重要因素。 1.土体中任一点搅拌次数 t 可按式 1 计算： 式中 h钻头叶片垂直投影高度（m）; z钻头叶片总数(个)； 搅拌轴转速（r/min）. v钻头提升速度（m/min）. 2.单位时间内粉体的喷出量 q 按式 2 计算； 式中 d地基土的干重度(t/m3) aw固化剂掺人比,由室内配比试验提供; D搅拌钻头直径（m） 。 1.4.3 粉体材料及掺合量 使用粉体材料,除水泥以外,还有石灰、石膏及矿渣等,也可使用粉煤灰等作为掺 加料。在国内工程中使用的主要是水泥材料,宜选用新的 425 号普通硅酸盐水泥。 其掺合量常为 18024014g/mas 若使用低于 425 号普通硅酸盐水泥或选用矿渣水泥、 火山灰水泥或其他种水泥时,使用前须在施工场地内钻取不同层次的地基土,在室内 做各种配合比试验 p 若用石灰粉体作固化材料,石灰应磨细,其粒径小于 0.5mm,纯净 元杂质,氧化钙和氧化镑的总含量不小于 85%,其中氧化钙含量不宜低于 80%,石灰 的流性指数不低于 70%。 1.4.3.1 施工中须注意的事项 （1） 施工机械、电气设备、仪表仪器及机具等,在确认完好后方准使用。 （2） .在建筑物旧址或回填建筑垃圾地区施工前,应预先进行桩位探测,并清除 已探明的障碍物。 （3） 桩体施工中,若发现钻机不正常的振动、晃动、倾斜、移位等现象,应立 即停钻检查。必要时应提钻重打。 Hz T= （4） 施工中应随时注意喷粉机和空压机的运转情况;压力表的显示变化;送灰 情况。当送灰过程中出现压力连续上升,发送器负载过大,送灰管或阅门在轴具提升 中途堵塞等异常情况,应立即判明原因,停止提升,原地搅拌。为保证成桩质量,必要 时应予复打。堵管的原因除漏气外,主要是水泥结块。施工时不允许用己结块的水 泥,并要求管道系统保持干燥状态。 （5） 在送灰过程中,如发现压力突然下降、灰罐加不上压力等异常情况,应停 止提升,原地搅拌,及时判明原因。若由于灰罐内水泥粉体已喷完或容器、管道漏气 所致,应将钻具下沉到一定深度后,重新加灰复打,以保证成桩质量。有经验的施工监 理人员往往从高压送粉胶管的颤动情况来判明送粉的正常与否。检查故障时,应尽 可能不停止送风。 （6） 设计上要求搭接的桩体,须连续施工,一般相邻桩的施工间隔时间不超过 8h.若因停电、机械故障而超过允许时间,应征得设计部门同意,采取适宜的补救措施。 （7） 在 SPJ 型粉体发送器中有一个气水分离器,用于收集因压缩空气膨胀而 降温所产生的凝结水。施工时应经常排除气水分离器中的积水,防范因水分进入钻 杆而堵塞送粉通道。 （8） 喷桥时灰罐内的气压比管道内的气压高 0.020.05MPa,以确保正常送粉。 （9） .对地下水位较深、基底标高较高的场地,或喷灰量较大、停灰面较高的 场地,施工时应加水或施工区及时地面加水,以使桩头部分固化剂充分水解水化反应, 以防桩头呈疏松状态。 （10） 若遇土体含水量很高、强度低的软弱土、出现液化的粉土,可在向下钻 进搅拌的同时,喷射粉体固化材料,改善土的稠度,防止由于压缩空气的脉动使粉土液 化。 1.4.3.2 质量检验 1.4.3.3 施工期的质量检验 （1） 喷粉搅拌的均匀性。提升喷灰过程中,须有自动计量装置。随时有指示 喷粉过程中的各项参数,包括压力、喷粉速度和喷粉量等。该装置为控制和检验喷 粉桩的关键,应予以足够的重视。 （2） 为防止空气污染,在提升喷粉距地面 0.5m 处应减压或停止喷粉。在施工 中孔口应设喷灰防护装置。 1.4.3.4 工程竣工后的质量检验一、外观检查 石家庄铁道学院毕业设计（论文） 施工结束后,对开挖出来的桩体,量测其直径应符合设计要求,桩身应连续匀称、 拌合均匀,用打击物冲击应有坚实感。二、轻便动力触探试验由于制桩钻头原因,喷 粉桩的中心有 50loomm 的软芯,含灰量较少,而桩周强度又普遍较大,故其测点位置 应设在桩径方向 1/4 处。 3 粉喷桩复合地基承载力和粉喷桩单桩承载力的关系 粉喷桩复合地基的平均允许承载力公式为： 复合=a桩+(1-a)土 式中： 复合复合地基的平均允许承载力； a置换率； 桩搅拌桩的允许承力力； 土天然地基土的允许承载力 无疑，桩的强度将直接影响复合地基的强度，假设桩的强度不断增加而土的 强度依然不变，按照公式的计算，复合地基的强度也会不断增加，然而实际情况 并不如此。因为粉喷桩从本质上来讲是属摩擦桩类，当土的强度不变，而且饱和 软粘土的强度很低时，在这种情况下，即使不断增加桩的强度，但总的复合地基 强度也不会随之增加。这如同一根筷子在浆糊里和一个钢筋在浆糊里的情况是类 同的。只有当天然土的强度也增强时，整个复合地基的强度才会增加。所以桩的 强度应适度，要和天然土的强度相互匹配。反过来桩的强度很低，这当然也是不 行的。 1.5 桩土置换率及粉体掺入量对复合地基强度的影响 在实际设计运算时往往提供所要求达到的复合地基强度、拟定的粉喷桩强度 及天然地基土的强度来求桩土的置换率，计算出桩数，然后布置桩位，再作有关 的验算。实践证明若置换率过低，如小于 10往往达不到设计要求，甚至全功尽 弃。某高速公路采用粉喷桩复合地基处理，置换率仅为 67，当路堤填至设 计标高后出现裂缝，不得不重新处理。这说明作为复合地基的桩土置换率必须大 于一定值，否则起不到复合地基的作用，所以在规范中定为 1020，这是有 道理的。同样粉体的掺入量也需控制在一定值，规范定为 1015。如前所述， 当软土中含水量大于 70，必须加大粉体掺入量，否则将形成不了桩体或形成强 度达不到要求的桩体，不能满足设计要求。 1.6 复搅和转速对桩强度的影响 大量的施工实践已充分证明复搅与不复搅的质量相差甚大。复搅的作用在于 通过充分的搅拌使粉体与粘土及水得到比较完全的接触和作用，促使桩体的充分 形成。同时，钻头喷出的粉体一般呈脉冲状，若不充分进行搅拌，粉体在桩中往 往呈层状，形成一种“夹生“，对桩的强度不利。如承受水平推力截止水作用的话， 应进行全程复搅，若作为路基加固只承受垂直向力作用，也可以只复搅上部 1/3 的 桩体。为了提高工效，粉喷钻机下钻时可以提高转速，但是当反转提升喷粉搅拌 时切莫快速旋转和提升；否则将会严重影响搅拌的均匀性和足够粉量的掺入。 1.7 粉体喷入的计量 桩的质量与粉体掺入量的多少有直接关系，如何计量粉体便成为关键。从理 论上讲，气体和固体双相流的计量具有很大难度，但又非常重要，目前使用的灰 罐体积测量法、电子秤称重法、弹簧秤称重法等均不是很理想的计量方法。最近 某些单位通过对粉喷桩新型计量装置的研制，提出了气固双相流称量计量，它可 以较大程度地克服现有计量装置所产生误差，同时也提出了改进目前电子秤称重 法的方案，从而使得粉喷桩施工工艺更趋完善，质量更加可靠。 第二章 2.1 高速公路软土路基设计 2.1.1 主要地质状况及评价 工程地质勘察表明，本标段第四系上覆层较薄，一般厚为 1025m。地势低 洼处，以古河道发育第四系全新统冲积、洪积成因的亚粘土，淤泥质亚粘土(粘土) 为主，局部混粉砂，呈透镜体状与冲沟伴生。由于古河道发育，古秦淮河道中沉 积的淤泥质亚粘土(粘土)软弱土层呈软塑流塑状态，中等偏高高压缩性，允许 承载力较低，软土层埋深 118m 不等，层厚一般1.215m，对路基的稳定性 有较大影响，软土层主要表现为 21 层和 22 层及 23 层，其地层情况简述如 下： 21 层：淤泥质亚粘土(粘土)，灰色，软塑流塑状态，中等高压缩性， 呈镜体状。主要分布于地势低洼和古河道处，第四系全新统冲积、洪积成因，层 厚 112.5m，含水量 37.2%88.5%，孔隙比 1.051.56，液限 33.842.9，推荐 承载力 70100kPa，压缩系数 0.481.40 MPa，压缩模量 1.674.90MPa。22 层：淤泥质亚粘土(粘土)混粉砂，灰色，软塑状态，中等高压缩性，通常与 21 层拌生，第四系全新统冲积、洪积成因，层厚 314m，含水量 26.7%32.1%， 孔隙比 0.8690.992，液限 2931.3，压缩系数 0.270.66MPa，压缩模量 3.047.82MPa，推荐承载力 8090MPa。 23 层：淤泥质粘土，灰色，局部为亚粘土，可塑软塑状态，中等偏高 压缩性，第四系全新统冲积成因，层厚 28m，含水量 33.8%35.1%，孔隙比 石家庄铁道学院毕业设计（论文） 0.9710.985，液限 42.943.9，压缩系数 0.390.53MPa-1，压缩模量 3.525.48MPa，推荐承载力 100160kPa。 根据工程地质勘察结果可知： 全线软土地基各项指标比海相、湖相沉积软土好，含水量较低，特别是 部分路段夹有砂层有利于土层排水固结。 (2)由于古河道分布较多，造成在较短路段范围内软层厚度纵横向分布不均， 如 K28+305K8+490 段，在横断面上以 45进行分布，且厚度差异较大(见图 12)。 因此对沉降影响较大，在设计工作中已引起特别注意，并给予高度的重视。 (3)部分路段软土埋深较深，硬壳层较厚，在设计中尽量考虑到充分利用硬 壳层作用，减少对硬壳层的破坏。 图 1 由于土的性质沿土层深度和路线长度的变化很大，计算参数的获得依赖于原 位的地质钻探法，它与钻孔的数量、钻孔的质量和钻孔的代表性、土工试验技术 和成果的分析整理等因素密切相关，以及由于软基设计本身理论与实际情况的差 异，因此沉降量的计算值与实测值之间往往存在着一定的差距，在设计说明中提 出加强施工和预压期的沉降观测，以对计算结果及时修正，建议用观测数据通过 计算分析来判定最终沉降量和决定路面修筑的时间。 本标段软土地基土工试验情况见表 1。 不良地质地段表 表 1 物 理 力 学 指 标 序 号 起讫里程 桩号 长 度 (m) 不 良 地 质 情 况 说 明 所 属 类 型 层 位 天然 含水 量 W (%) 湿密 度 P (t/m3) 孔 隙 比 e 液 限 (%) 塑 限 (%) 塑性 指数 IP 液性 指数 IL 压缩 系数 a1-2 (MPa) 压缩 模量 Es (MPa) 1 K15+200 K16+050 850 淤泥质亚粘土， 混粉砂，灰色， 软流塑状态， 埋深 12m， 层厚 1.54m 软 土 2-1 42.31.771.18 38.0 21.4 16.6 1.26 2 K16+200 K16+600 400 淤泥质亚粘土， 混粉砂，砂性重， 流塑状态，埋深 612m，层厚 68m，静探锥 尖阻力 770MPa 软 土 2-1 石家庄铁道学院毕业设计（论文） 3 K24+170 K24+300 130 淤泥质粘土，灰 色，饱和，流塑 状态，高压缩性， 埋深 11.4m，层 厚 1.5m 软 土 2-1 51.31.721.41 47.8 24.2 23.6 1.151.441.67 4 K25+000 K26+500 1500 淤泥质亚粘土， 灰色，饱和，软 塑流塑状态， 高压缩性，层厚 512m 软 土 2-1 49.81.731.37 49.4 24.724.7 1.020.832.86 5 K28+900 K29+065 165 淤泥质亚粘土， 灰色，饱和，软 塑流塑状态， 层厚 08m 软 土 2-1 2.1.2 软土地基处理目的和设计标准 软土地基处理目的主要是保证路堤在施工及使用期间不会发生局部和整体剪 切破坏，满足强度及稳定性要求，并且在使用期间内不发生较大的沉降和不均匀 沉降，保证路面结构完整和车辆行驶平稳、安全、舒适。 工后沉降标准：采取一般路段路面竣工后 15 年之内路基底中心处的剩余沉 降量不大于 30cm；对大桥、中桥、小桥桥头 57 倍桥台高度范围内的引道路基， 在路面竣工后 15 年内路基底面中心处剩余沉降量不大于 10cm，而控制上路面的 时间设计中采用沉降速率法，即在路堤修筑以后观测沉降变化过程，当沉降速率 小于某一数值，沉降加速度小于零，并根据沉降曲线推断今后可能发生的沉降量 小于工后沉降标准后，再施工路面。考虑到路面荷载对沉降影响较大，同时建议 对软土地段采用等载预压措施。 稳定设计标准：稳定验算和稳定系数在施工期 内，应用圆弧滑动法计算一般路基稳定系数应大于 1.10；在营运期内，应用固结 有效应力计算一般路段路基稳定系数应大于 1.25；桥头填土路基考虑地震水平力 的作用时，其稳定系数应大于 1.10。 本标段软土地基处理设计是在大量的调查研究、室内试验及理论计算的基 础上进行的，应用了软土地基有关最新理论，吸取了国内各高等级公路软土地基 处理的成功经验，应用了有关沉降和稳定验算的电算程序进行计算和验算。 2.1.3 设计原则及方案选用分析 2.2 设计原则 软基设计是依照国内外成功经验，分别采用等载(超载)预压、粉喷桩、土工织 物和砂垫层、塑料排水板等方法进行软基处理。对于软土指标差、须作稳定处理 的路段，并考虑工后沉降和施工期要求，采用粉喷桩进行软基加固；对于软土指 标差、但其稳定已基本满足要求，其工后沉降也基本满足要求的路段采用土工织 物或砂垫层进行等载(超载)预压处理；对于工期容许、其沉降能控制的路段，可采 用塑料排水板法处理。为使本标段处于软基路段的构造物与本设计相适应，对其 基底处理和沉降缝亦作了相应的考虑。 2.3 方案选用分析 2.3.1 等载预压法 利用路堤堆载预压是最经济的处理方案，它的加固效果实在，消除工后沉 降作用明显，当工后沉降仍不能满足要求时还可采用等载或超载预压的办法。南 京机场高速公路地基的软土性质并不很差，并普遍存在粉砂夹层，或下卧砂层， 因此土的原位固结系数一般要比室内试验结果大。因此，只要有一定的预压期， 可不用或少用其它排水固结措施，从而节省大量的工程处治费用，其不足之处在 于其处理的软土地基沉降量不宜太大，而且需要有足够预压期才能保证。 2.3.2 土工织物、砂垫层法 是在路基底铺筑砂垫层、土工织物。这是软基处理中常用的浅层处治方案， 其目的在于防止由于局部承载力丧失而造成的路基填土与软弱地基相互混杂，补 偿土中抗剪强度的不足，防止由此可能导致的园弧滑动破坏，并可有效地加快工 期，降低成本，减少路堤间不均匀沉降。 砂垫层主要起加快排水固结作用。有研究资料表明，因固结作用排出的水 量是极其有限的。 在没有水源补给的情况下，大致和固结沉降量相适应，如每天下沉 1cm， 每 m2 面积排出的水量仅 10L/d，只需要具有一定透水性的材料，就完全能够承 担起排水作用。土层的透水性是相对而言的，根据固结计算，相邻土层的渗透系 数若相差 50 倍以上，渗透系数大的土层可按完全透水边界处理，在设计中充分考 虑到这一点使软基处理方法更经济合理。 2.3.3 粉喷桩 是利用专门设备，借助压缩空气，将粉体加固材料(如水泥)喷射，并在加固 的深层软土地基中强制原位搅拌压缩，并吸收周围水份，产生一系列物理化学反 应，形成具有一定强度的水泥土桩体，并与桩间土共同作用组成复合地基。经过 处理后的土体可比天然地基容许承载力提高1.01.5 倍，并且土体压缩性明显 减少，抗侧向变形能力有所提高，形成强度快，施工方便。对于处于桥头部位的 软土，经粉喷桩加固处理，可明显防止软土对桥台桩基的侧向挤压作用，而且水 泥土的固化时间较短，有利于加快施工周期，沉降的时间较为有利。其不足是用 石家庄铁道学院毕业设计（论文） 粉喷桩处理软土层时，若桩末穿透软土层会造成未处理部分软土层的沉降量增加， 沉降速度变慢。因此，用粉喷桩处理软基时应将整个软土层穿透。 同时由于受到机械设备的影响，粉喷桩处治的软土最大深度不能超过 15m， 而且处治的费用比其他处治方法高。 2.3.4 塑料排水板 是人为地在软土层内造成渗水通道，在路堤填土自重荷载预压下加快排水 固结，而塑料排水板虽具有短时间内加快地基排水固结，提高软基强度和承载力 的优点，但从近来对塑料排水板的研究和实际应用表明，塑料排水板也有不利的 一面，如破坏壳层，大大增加了到下卧软土层间的附加应力，增大了软土层的沉 降量；土体扰动使原状结构破坏，产生附加沉降；加快次固结沉降的发生，使沉 降时间延长等。因相邻的南京机场未作处理，为保持沉降发生的一致性，故在 K28+600K29+097 段设计采用塑料排水板进行软基处理。 本标段施工方案如图 3 所示，各路段软土地基处理情况见表 2。 图 3 软土地基处理一览表 表 2 序号起 讫 桩 号设 计 处 理 措 施备 注 1K15+090K15+350粉喷桩 2K15+380K16+100粉喷桩 3K16+400K16+450铺土工布，按正常路段施工硬壳层较厚 4K17+400K17+650铺土工布，按正常路段施工硬壳层较薄 5K20+730K21+200 粉喷桩处理桥头，一般路段用砂 垫层加土工布等载预压 6K21+260K21+500铺土工布预压 7K26+056K26+760 双层土工布，上填 50cm 嵌锁型碎 石，超载预压 8K27+120K27+480粉喷桩 9K28+600K29+097塑料排水板等载预压与新机场相接 2.4 结论 采用以上处理方案在理论上可保证路堤的沉降在设计许可范围内，但理论 计算与实际结果由于种种客观原因可能存在较大差异，填筑在软基上的路堤设置 沉降观测点进行长期观测，根据沉降过程线来推算工后沉降量，验证了理论设计 计算沉降的准确性。 可填筑路堤，填土速度可不受正常施工时间限制，但应注意加强沉降观测。 (3)粉喷桩处理后的桥头，灌注桩可提前施工，然后填土预压。预压后，即可 开挖以进行桥台施工。 (4)等载或超载预压路段，路堤施工至路槽标高后即按 80%的压实度进行等代 换算预压土，到达预压标高后做成双向坡排水，卸载后路槽按设计要求填筑进行 路面施工。 (5)南京机场高速公路软土路段采用以上处治措施以后，实际施工后证明各种 处治方法是合理可行的，达到了设计初期预计的效果，经 1996 年 10 月软基沉降 情况调查，本标段沉降已基本稳定(详见表 3)。 软基沉降情况调查表 表 3 起 讫 桩 号处 理 方 式沉 降 情 况 K17+400K17+650 原地面掺 5%灰处理后，用 5% 灰土调拱铺土工布，上 40cm 5%灰土再素土施工 稳定，累计沉降 26mm，平 均月沉降 2mm K20+780K20+951 素土三角垫层 20cm 砂层，上 铺土工布，上 80cm 5%灰土 再按正常路基施工 稳定，累计沉降 216、125、356mm，平均月 沉降 29、40、13mm，近几 石家庄铁道学院毕业设计（论文） 月沉降 1.2、2mm K20+951K20+981 粉喷桩上做 80cm 5%灰土， 然后正常路基施工 稳定，累计沉降 93、110、82mm，近几月沉 降 2mm 1.粉喷桩质量控制标准 结合芜宣路的地质特点，首先制定粉喷桩质量控制的标准，它们是施工控制 的关键，也是最终要检测的主要指标。 表 1 粉喷桩质量控制标准 序号检查项目单位规定值或允许偏差 1桩距mm 100 2桩径mm不小于设计 3钻杆倾斜度% 1 4m不小于设计 5每米桩长水泥用量kg 2.5 6 桩体无侧限抗压强度 （换算成 90d） Map 0m5m1.0 5m10m0.7 10m15m0.5 7单桩或复合地基承载力Map满足设计要求 2.4.1 粉喷桩的检测方法 2.4.2 桩距 桩径及钻杆倾斜度的检测 在每处粉喷桩施工过程中，随机按规定频率用吊锤对钻杆倾斜度进行现场检 测；对已成桩 7d 的粉喷桩，随机按规定频率挖出桩头，然后用卷尺对桩距、桩径 进行检测。 桩体强度及桩长的检测 2.4.4 对 1 对成桩 7d 大粉喷桩，随机按规定频率进行如下几项检测 （1）破去桩头 0.3m0.5m 表层水泥，进行外观检测，主要检测其桩体外观是否圆 顺，水泥土搅拌是否均匀； （1）用轻便触探仪对开挖出来的桩头进行强度检测，根据 N10 贯入 10cm 的 锤击次数 或 N10 的连续贯入 30cm 的锤击次数来判定桩头强度是否合格。不合格 的桩，在成桩 28d 后进行进行钻芯取样检测。 2.4.5 对成桩 28d 的粉喷桩，随机按规定频率或对有怀疑的桩进行钻芯取样检 测，主要有以下几个方面。 检测桩体粉喷是否均匀，桩体有无断粉现象，桩长是否达到设计要求； （2）对粉喷桩的芯样进行加工，磨制成等高试件做无侧限抗压强度，应尽可 能在芯样上、中、下三个部位各磨一组，一组三个试件，用三个试件的代表值评 定强度。 根据以上的检测结果确定单桩的质量等级。 2.5 单桩和复合地基承载力检验 对某一场地施工质量有疑问时，最终可以采用静荷载试验，检查复合地基承 载力或单桩承载力。静荷载试验没场地不小于 3 点，取 3 点试验的代表值，检查 其是否满足设计要求。 2.5.1 无损检测 主要在试验路段，用小应变仪和地质雷达对桩基完整性检测，并与取芯对比， 发现由于粉喷桩灰剂量小，被胶结的主体为软土，强度值低，与混凝土桩基差别 大、无损检测灵敏度低，难以准确判断粉喷桩的施工质量。因此主要依靠取芯检 测来评定桩体强度和完整性。 2.5.2 粉喷桩施工质量评定方法 2.5.3 单桩质量评定 通过 1.2km 试验路段的施工和检测，结合其他几条高速公路的相关经验，制 定了粉喷桩单桩质量等级分类标准，以求比较完整、科学地反映单桩的施工质量。 工特点，粉喷桩单桩质量共划分为 A 类、B 类、C 类三种等级。 A 类桩： （1）粉喷桩桩长达到设计要求，整体喷粉均匀无断粉现象。 （2）复搅段的桩芯完整且连续，呈柱状（最小长度应大于 10cm） ，复搅段以 下，能取出完整的柱状芯样。 （3）粉喷桩上、中、下段强度均满足设计要求。 石家庄铁道学院毕业设计（论文） （4）所取芯样的柱状加块片状取芯率大 第三章 粉喷桩复合地基水平荷载传递机理试验研究 3.1 试验设计 3.1.1 试验点的相对位置及编号 水平荷载特性试验场地位于某新建闸消力池下游河槽内，共布置试验板 24 根， 试桩平面布置如图 1。试桩水泥掺量 15，桩径 50，桩长 6.10，桩顶高程 约为 9.0，在第 2 层的淤泥、淤泥质黏土层内，桩底高程为 2.9。 图图 1 复合地基试验桩平面布置图复合地基试验桩平面布置图 3.1.2 研究的内容、目的和方法研究的内容、目的和方法 试验研究的内容、目的和方法见表 1。 表表 1 试验研究的内容、目的、方法汇总表试验研究的内容、目的、方法汇总表 序 号 试验内容试验研究目的试验方法 1 天然地基水平 推力试验，即 原位天然地基 与混凝土底板 间擦系数试验 原位测试地基与混凝 土底板间摩摉系数试 验和单桩复合地基与 混凝土底板间摩擦系 数比较，评价粉喷桩 加固后复合地基水平 荷载特性改善效果， 作核试验研究项目的 基本资料。 以闸室置换率为标准，确定荷载面积， 采用矩形荷载板 0.750.85=0.6375m2， 按工程浇筑闸底板的材料和程序浇筑荷 载板，按天然地基水平推力试验方法进 行。 2 单桩复合地基 水平推力试验 测定复合地基 与混凝土底板 间摩擦系数试 验 主定水工建筑物的抗 滑稳定，为设计提供 可靠的设计参数，并 检验工程所采用摩擦 系数的准确性。 荷载板为矩形 0.750.850.6375m2，按 闸室 30%置换率设计。 1）超压固结后试验 2 组； 2）非超压固结试验 2 组； 按工程浇筑闸底板程度浇荷载板，按天 然地基水平推力试验方法进行。 3 四桩复合地基 水平推力试验， 测定多桩复合 地基与混凝土 封底板间摩擦 系数试验 评价、比较多桩得合 地基和单桩复合地基 抗水平推力的差别。 荷载板为矩形 1.751.52.55m2，按闸 室 30%置换率设计。按工程浇筑闸底板 程序浇筑荷载板，按天然地基水平推力 试验方法进行 4 桩顶嵌入混凝 土底板，单桩 复合地基抗水 平推力试验 比较嵌入与不嵌入的 区别，评价底板与复 合地基接触形式的优 劣。 荷载板为矩形 0.750.850.6375m2，桩 头嵌入底板 10cm，按工程浇筑闸底板 程序浇筑荷载板，有加垂直荷霸和不加 垂直荷载两种类型水平推力试验。 5 水平荷载传递 机理的试验研 究 研究单桩复合地基在 水平推力作用下荷载 传递的机理。 荷载板为矩形 0.750.850.6375m2，按 工程浇筑闸底板程序浇筑荷载板，在桩 内不同主程埋设和粉喷桩材料性质相近 的传感器，按天然地基水平推力试验方 法进行。 3.2 试验成果分析 3.2.1 复合地基水平推力试验结果汇总 根据库仑定律，在法向压力变化范围不大时，抗剪强度与法向压力的关系近 似为一条直线，说明滑动沿其荷载板与地基的表面滑动；当其法向压力大到一定 值时，抗剪强度与法向压力的关系将不一定为一条直线，说明滑动将在浅层或深 层发生。各组试验的、 值如表 2。 表表 2 复合地基水平推力试验结果复合地基水平推力试验结果 地基形 式 天然地基 单桩复合 地基 （超压固 结） 单桩复合地 基 多桩复合地 基 IL=0-0.25 粉质 黏土 c 值 （kpa） 13.526.032.035.040.0 值10.829.421.822.623.0 3.2.2 复合地基水平推力试验成果分析 （1）天然淤泥质地基采用粉喷桩加固后，其复合地基的水平推力特性比天然 地基有明显的改善，、 值有很大提高。各复合地基的、 值相当于 00.25 硬塑粉质黏土，抗剪强度大幅度提高、粉喷桩的加固效果在抗水平 荷载特性与抗垂直荷载特性两方面同样都是显著的。 （2）单桩复合地基和多桩（四桩）复合地基得出、 值没有什么差别，因 此工程上计算用的、 值，可以用单桩复合地基求得的、 值。 石家庄铁道学院毕业设计（论文） （3）超压固结是指单桩复合地基在垂直荷载作用下已产生较大的永久变形。 卸荷后再按水平荷载试验的加荷程序求得的、 值，与未超压固结的复合地基 、 值稍有区别。从试验结果来看，值略有减小， 值略有增大。 （4）粉喷桩桩头嵌固于底板内，其复合地基的水平荷载特性与桩头不嵌固复 合地基的水平荷载特性有本质的区别。在桩头不嵌固的工况下，当垂直压力较小 时，在水平荷载作用下，将在桩顶与荷载板的交界面上产生表层水平滑动；当垂 直压力超过一定值后，滑动面将下移。 桩头嵌固于荷载板内 10的复合地基，其水平荷载特性将不是水平滑动问 题，水平荷载将使桩产生弹性变形，桩周土产生弹性压缩变形，水平抗力的大小 将与桩身强度及桩周土的抗力有直接关系。在淤泥质地基介质中，对于桩头嵌入 底板的粉喷桩，其抗水平推力性能可以按刚性桩进行分析，桩身的截面越大，桩 身强度和地基土的强度越高，桩的水平承载力也越高。桩头嵌固扣、桩的抗弯刚 度大于桩头自由时的刚度，所以桩头嵌固提高了桩抵抗横向弯曲能力。 3.2.3 复合地基水平荷载传递特性分析 （1）复合地基在垂直及水平荷载作用下，荷载传递现象为：当垂直压力施加 完成后，随着水平推力的逐渐增加，桩内各测点的抗压应变基本呈线性增加，一 旦当荷载板滑动时，桩内上部测点的应变值突然减小或呈不稳定的跳动状态，这 种现象在垂直压力较小时更加明显。当垂直压力较大时，除位移不断增加外，应 变突然释放的现象不十分明显。 （2）复合地基在水平荷载作用下，粉喷桩类似受弯弹性地基梁，桩与土共同 变形。由于土的弹塑性性质及荷载板与桩周土的黏聚摩擦作用、垂直荷载的压密 作用等，土的抗力问题是比较复杂的。因为桩似一受弯的弹性地基梁，因此桩身 各侧的应变值反映了梁的受弯特性，只是桩身最大弯矩出现，在荷载板下 0.81.3左右的范围内，弯矩的分布随着垂直压应力的增加而加深，这也是深浅 层滑动的原因。由弯矩产生桩的抗压应力分布来看：桩身拉、压应力的最大值不 在同一高程截面出现，最大拉应力出现的位置在最大压应力的上部。 3.3 结语结语 1淤泥质软土地基用粉喷桩加固后，将以粉喷桩复合地基的特性参与工作， 从粉喷桩复合地基的水平荷载特性试验结果来看，加固效果是良好的，作为水工 建筑物的地基抗水平推力是可行的。 2水平荷载作用在粉喷桩复合地基中的影响深度不大。 第四章 粉喷桩设计参数的选择粉喷桩设计参数的选择 粉喷桩的设计首先要确定单桩承载力，而单桩承载力则要从桩体强度和桩所 受土的作用力两方面来综合考虑。桩的强度可通过喷灰量来控制，桩所受的外力 则与桩长密切相关。因此，要确定单桩承载力就要确定粉喷桩的两个施工参数： 喷灰量及桩长。确定了单桩承载力之后，由建筑物上部的荷载要求，就能算出粉 喷桩的置换率，在已知基础面积的情况下，粉喷桩的桩数就能确定。 4.1 影响单桩承载力的因素影响单桩承载力的因素 4.1.1 喷灰量喷灰量 实践证明，在一定条件下桩体强度随喷灰量的增加而增大，故在粉喷桩设计 中应考虑喷灰量对单桩承载力的影响。 4.1.2 土的含水量土的含水量 土的含水量对土体本身的强度和桩体强度的影响如下。首先，含水量过低， 使得喷入土内的水泥不能完全水化因而起不到固化剂的作用，从而影响水泥土的 强度。尽管一般软土地区水的补给不存在问题，但由于土的渗透系数为 10-6 cm/s，水泥土的渗透系数为 10-7 cm/s，故靠地下水的渗入来水化水泥颗粒是一般 工期所不允许的1 。其次，含水量过高，使水化后的土中仍然存在大量的自由 水，从而使水化后 Ca2+的浓度达不到饱和状态，从而影响桩体本身的强度。 4.1.3 土中粘粒含量及粘粒成分土中粘粒含量及粘粒成分 在喷灰量一定的情况下，桩体强度随粘粒含量增大而降低。粘粒成分对桩体 强度影响也很大，比如蒙脱石是由两层硅氧晶片间夹一层铝氢氧晶胞片组成。由 于晶胞的两个氧原子间没有氢键，因此其连结很弱，比表面积就大，需消耗更多 的 Ca2+。而伊利石由于相邻晶胞间出现一个 K+，使其构造不像蒙脱石那样松散， 比表面积就小一些，消耗 Ca2+也就相对较少2 。 4.1.4 有机质含量 由于有机质能降低水泥土的强度，以及含有机质高的土在附加压力的作用 下易蠕变而造成地基沉降，故在有机质含量高的地层不宜采用粉喷桩。 此外，搅拌的均匀程度、桩端承载力和桩周摩阻力也都会对单桩承载力产 生明显影响。 4.2 提高单桩承载力的反应机理 实验与实践都证明，在一定的条件下水泥土的强度随水泥掺入量的增大而提 高，但并不是掺得越多越好。首先，水泥掺入量越大，工程造价越高；其次，水 石家庄铁道学院毕业设计（论文） 泥掺得越多，重量越大，对下卧层地基的附加应力也越大。下面笔者将从反应机 理的角度对水泥土的强度进行探讨。 4.2.1 水泥的水化反应水泥的水化反应 当水泥粒子遇到土中的自由水而被水化时，会在水泥颗粒表面形成硅酸三 钙、铝酸三钙等水化产物。如果土中水分充足，易溶于水的水化物游离出来，水 泥颗粒继续发生水化反应生成凝胶体，消耗掉软粘土中的水分，从而增加土的粘 结力。如果土中水泥掺量较多，而土中自由水又较少，就有部分水泥颗粒不能水 化，不但不能起固化剂的作用，而且由于水泥颗粒结构松散而影响桩的强度。因 此当含水量较低的地层需要喷较多水泥时，应先进行室内实验后才能施工。 4.2.2 阳离子交换与团粒化作用阳离子交换与团粒化作用 由于钾、钠盐一般都是溶于水的，而水泥水化后产生的 Ca2+与 K+和 Na+ 交换后，会生成不溶于水的沉淀物并附在粘土颗粒表面而形成较大的粘土团。同 时，水泥水化形成的凝胶粒子的表面积远大于原水泥的表面积，从而产生强烈的 吸附作用，使大土团粒形成具有蜂窝结构的水泥土。 4.2.3 硬凝反应硬凝反应 水泥水化后，当粘土中还有溶液且溶液为碱性时，Ca2+还可与粘土中的 Al2O3，SiO2 等发生反应，生成不溶于水的结晶矿物，并在水中或空气中逐渐硬 化，从而增加水泥土的强度和稳定性。 4.2.4 碳酸化反应碳酸化反应 土中 Ca2+与空气中的 CO2 发生反应，可生成不溶于水的 CaCO3 固化软土。 从以上分析可知，水泥土强度的提高主要是水泥水化产生的凝胶体和水化后产 生的 Ca2+的作用。而要提高水泥土的强度就是要增加凝胶体的数量和 Ca2+的浓度。 因此，在一定条件下，喷灰量越大，水泥土的强度就越高。当土中自由水含量少 时，喷入的水泥不能完全水化，所产生的凝胶体数量有限，Ca2+含量的增加也受 到限制。在这种情况下，可以在水泥中掺入溶于水的钙盐来提高水中 Ca2+的浓度， 并且不消耗土中的自由水。这样离子交换反应和硬凝反应就能顺利进行，从而提 高固结体的强度。实验表明掺入 3%的石膏可使水泥土的强度增加 0.81.0 倍3 。 4.3 单桩承载力的选择单桩承载力的选择 4.3.1 工程实例工程实例 单桩竖向承动力和复合地基承载力计算公式如下。 Rk=Apqu (=0.4) (1) (2) 式中：Rk 为单桩竖向承载力标准值(kN)； 为强度折减系数；Ap 为桩截面积 (m2)；qu 为与搅拌桩配比相同的室内加固土试块 90