高压旋喷桩技术论文-高压旋喷桩在高速公路软土地基处理中的应用.doc

高 压 旋 喷 桩在高速公路软土地基处理中的应用前 言近年来高速公路的修建越来越频繁，车速越来越高，车流量越来越大，因此对路基路面的要求更高，尤其是在软土地区，能否妥善解决“桥头跳车”问题，是评价桥梁修筑是否成功的重要指标之一。“桥头跳车”问题是由桥台刚性基础与软土路基柔性基础的差异沉降引起的，解决“桥头跳车”问题主要就是要减少桥台与台后路基工后不均匀沉降。新建工程主要措施有以下两种方法：（1） 排水固结法（2） 复合地基法对于复合地基法，高压旋喷桩以其施工机械单一易操作，施工方法简单易行，成本较其它复合地基低而越来越受到欢迎。旋喷桩复合地基即以旋喷桩作为竖向增强体与桩间土加上其上的垫层构成复合地基。所谓旋喷桩（高压喷射注浆）就是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻至土层预定深度后，以2040Mpa压力把浆或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲切破坏土层，当能量大，速度快和脉动状的浆液，动压大于土层结构强度时，土颗粒便从土层中剥落下来，一部分细颗粒随浆液或水冒出地面，其余土颗粒在射流的冲击力、离心力和重力等力的作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小，有规律的重新排列，浆液凝固后，便在土层形成一个固结体，当喷射流作360 度旋转时，固结体呈圆柱形。高压旋喷注浆法适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。按注浆管类型分成单管，二重管、三重管及双高压多重管；按喷射方式的不同，可分为：旋喷、定喷和摆喷；按加固形状可分为：圆柱状、壁状、条状等。单管旋喷注浆法是高压旋喷注浆法最主要的方法之一，在工程中应用广泛。下面就以京津高速公路天津段项目第六合同段的高压旋喷桩工程为依托，介绍高压旋喷桩的施工技术。高 压 旋 喷 桩 的 应 用一、工程概况：京津高速公路天津中段工程是2008年奥运会重点工程，本工程路线起点位于北辰区霍庄子，从京津高速公路天津段工程第五标段终点开始，沿北京排污河西侧向北，经赵庄子东侧，接京津高速公路天津中段工程第七标的修筑起点为终点。起点桩号k37+638.23，终点桩号k42+600，全长4.96公里，高压旋喷桩共9个工点，工程量104545.5m。本工程采用单管旋喷桩。二、地质情况：沿线主要为河流相或海相沉积，以粘土、亚粘土、砂层为主。地层结构示意图如下：三、高压旋喷桩的设计参数： 根据设计要求，本工程高压旋喷桩桩径D=0.60m，桩距d=1.8m，采用正三角形平面布桩，以永定新河大桥软基处理（本合同段一侧）为例，布桩见永定新河大桥布桩图：A区桩长14m，桩数289根B区桩长12m，桩数217根C区桩长10m，桩数711根四、人员、机械、材料1、人员：序号职务数量单位职责1施工队长1个负责所有内、外部协调、管理事务2技术员1个负责解决施工技术问题3旋喷钻机操作手1个钻机施工及机械日常维护4发电机组操作手2个保证电力供应及机械维护5制浆机操作手1个制备合格水泥浆6配合工6个冲洗、移位、配合等杂务7测量2个桩位放样，检验成桩的垂直度等2、主要施工机械：（1）高压注浆泵：通过高压注浆泵提供高压使浆液切割土体，达到要求的喷射范围，形成一定直径的桩体。（2）旋喷钻机：把注浆管（底部带喷嘴）送到设计深度，满足设计要求的提升和旋转注浆管。（3）注浆管：注浆管一般使用42或50钻杆，底部带有特制的喷嘴，喷嘴直径一般为2.0mm3.0mm，实际多采用2.3mm2.5mm。（4）输浆管：输浆管为内径21的橡胶钢丝软管或内径21的钢管，能够承受45MPa以上的压力。它的主要作用是连接高压泵与旋喷钻机，输送水泥浆到旋喷钻机中去。（5）制浆机：制备符合设计要求的均匀、无离析、流动性好的水泥浆。（6）储浆桶：两个，一个用于搅浆，一个用于储浆，不得合用一个，以便精确控制水灰比。（7）发电机：功率可提供钻机、制浆机等用电，性能稳定可靠。3、材料：水泥：水泥按设计要求使用，采用强度等级为32.5硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，每延米水泥用量200Kg。其性能按硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB175-92）的规定，严禁使用过期、受潮、结块、变质的劣质水泥。五、施工工艺场地平整工艺流程图：测量放样平整桩机就位平整引 孔平整注浆提升平整配置浆液平整成 桩平整移机到下一孔位平整补 灌平整六、施工准备：1、熟悉地基与基础的施工详图，熟悉施工场地范围内的高压线、电话线、地下管线、构筑物等有关资料。2、按工程实际需要配备足够的人员、设备，组建施工队伍。3、搭建现场施工临时设施，如供水、供电、道路，临时用房，工作台、材料等。4、平整场地，清除地下障碍物。当场地低洼时应回填粘性土料，不得回填杂填土料；当地表过软时，应有采取防止机械失稳的措施；当在边坡附近施工时应考虑施工对边坡的影响，并采取确保边坡附近施工时应考虑施工对边坡的影响，并采取确保边坡稳定的措施；当在基坑边抢险施工时，应考虑操作作业面，设备的稳定性并采取安全防护措施。5、由技术人员、安全员进行技术和安全操作交底，使操作人员能理解施工目的、工艺流程、技术参数、机械性能及安全操作规程等，确保施工质量和施工安全。6、测量人员按布桩图施工放样，复核。测量放线完成，经监理工程师检查认可后，依据施工规范和设计图纸的标准和要求，按桩位进行高压旋喷桩的施工。7、现场准确测放桩位，钻机就位平整稳固，对位误差2cm。测量人员随时用经纬仪或铅垂线严格控制钻机立轴垂直度，保证成孔垂直度1.5%。七、试桩1、施工前应根据设计资料，结合工程实际情况进行试桩。通过试桩，检验施工设备是否满足设计要求，确定施工参数及施工工艺。在试桩时注意以下几个方面：（1）初定几组不同的施工参数，进行三根以上的试桩；（2）成孔时判断处理区地层情况是否与设计资料一致；（3）当土层中含有较多的大粒径块石、大量植物根茎或有较高含量的有机质，以及地下水流速过大等，必须通过试桩确定其适用性。2、2006年1月19日到2006年1月21日，在k41+684中桥的特殊路基处理范围内进行试桩。此中桥特殊路基的处理范围共分A、B、C三个处理区过渡，根据施工图纸对试验桩数量的要求，选取具有代表性的试验桩12m的3根，10m的3根，8m的3根。施工参数：旋喷钻机转速20n/min，提升速度25cm/ min，喷嘴直径2.5mm，数量1个，喷嘴压力25MPa，水灰比为1：0.8、1：1.0和1：1.2，每延米水泥用量195Kg/m，200Kg/m，205Kg/m。待试桩结束后，对比不同水灰比的桩的检测结果，确定施工用最佳水灰比。3、试桩结果（1）抽芯检测结果见下表：序号桩 号位 置桩长(m)桩径(mm)桩身完整 性评 价试块强度总体类别试块深度（m）试压强度（MPa）149-2#K41+684中桥12600完整3.2-3.56.336.2-6.55.149.5-9.77.88251-1#K41+684中桥8600完整2.5-2.74.904.5-4.77.536.5-6.78.36350-1#K41+684中桥10600完整3.0-3.23.236.0-6.25.028.5-8.77.05结论：根据抽芯检验结果，所抽取的3根试验桩抽芯含灰量正常，喷灰均匀，桩身质量好。（2）复合地基静荷载试验结果见下表：序号位 置试验点号桩长(m) 压板面积()置换率(%)最大加载量(KN)最终沉降量(mm)复合地基承载力(KPa)1K41+684中桥48-19#102.8010.0984067.40140250-21#122.8010.0984059.42150353-18#82.8010.0984068.29140结论：试验点48-19#、50-21#、53-18#所对应的单桩复合地基承载力特征值满足设计要求。（3）单桩静载荷试验结果表：序号位 置试 验点 号桩长（m）试验最大加载值（KN）最 终沉降量（mm）设计要求最大加载值（KN）1K41+684中桥52-1#845026.31900249-1#1054027.26900351-2#1245013.56900结论：单桩静载荷试验结果表明，试桩52-17#加载值为540KN时，试桩桩头破坏，无法继续试验；试桩49-18#加载值为630KN时，试桩桩头破坏，无法继续试验；试桩51-20#加载值为540KN时，试桩桩头破坏，无法继续试验。（4）桩体检验：桩距，桩径、桩长，竖直度，单桩注浆量经检测符合设计要求。5、桩检分析：根据以上检测结果及结论，所打试验桩的抽芯含灰量正常，喷灰均匀，桩身质量好。单桩复合地基承载力满足要求，说明施工工艺和施工参数一定程度上可以满足要求。但是单桩静载荷试验因为桩头破坏无法进行。经过项目部人员认真分析，查找原因，总结出桩头在未加载到设计要求最大加载值以前破坏的原因主要有：（1）天气寒冷，上部靠近地表的桩身部分受冻，养护受到影响，未达到设计强度即进行试验。（2）打桩地区为水浇地，土的含水量过大，土质松软，很难对桩头形成类似于一般地基的围压，致使桩头在承受较大的竖向压力时径向变形迅速，先行破坏。而处于地基较深处的桩身，因为养护正常，且有土的固结压力形成的较大的围压，在竖向压力未达到一定值时，不会破坏。6、单桩极限承载力的检测我合同段充分考虑到以上因素，在施工过程中重点加以控制，并于2006年4月17日前完成了k41+684中桥编号为45-20，45-18，45-16的高压旋喷桩的施工，现场记录如下：序号处理区域注孔编号旋喷深度（m）实际有效长度（m）旋喷时间转速n/min提升速度cm/min喷嘴压力MPa水灰比开始结束用时（分）1A45-2010.81215:3016:35792025251:12B45-1812.8100:001:05792025251:13B45-1612.81023:000:20792025251:12006年5月16日，天津科地基础工程有限公司对k41+684中桥桥头软基处理高压旋喷桩进行单桩极限承载力的检测，结果如下：根据试桩单桩静荷载试验确定的单桩极限承载力值，45-20（桩长12m）不小于800KN，45-18（桩长10m）不小于700KN，45-16（桩长10m）不小于700KN，达到设计要求。根据两次试桩的情况，可以确定我合同段所使用的机械设备、材料、施工参数和施工工艺（水灰比取1：1）可以满足设计及规范要求，地层也基本与设计资料相符合，可以进行大规模高压旋喷桩的施工。八、高压旋喷桩施工1、引孔本工程旋喷桩采用高压水射流成孔，水压不宜大于2MPa，当旋喷管下至距预定深度0.5m时，应停止射水，使其在自重作用下，上下串动至设计孔深。（因设计要求加大旋喷直径，增大旋喷体强度时，可利用高压水自上而下喷射成孔）。2、制备水泥浆液（1）浆液严格按配合比拌制。制备好的浆液不得离析，不得停置过长，超过2h的浆液应降低标号使用。浆液倒入集料时应加筛过滤，以免浆内结块，损坏泵体。（2）为了保证浆液的浓度，应当采用二次搅拌配制浆液，即在第一只搅拌桶中按确定的水灰比配制并搅拌水泥浆液。搅拌35分钟后放入第二只搅拌桶中待用。禁止采用一只搅拌桶，一边配浆一边抽浆，否则难以精确控制浆液水灰比。在实际施工时，还可以使用比重计随时测量浆液比重（水灰比1:1的水泥浆液比重为1.49；水灰比0.75:1的水泥浆液比重为1.62；水灰比1.5:1的水泥浆液比重为1.37等）。（3）水泥浆液存放的有效时间应符合下列规定。当气温在10以下时，不宜超过40分钟。当气温在10以上时，不宜超过20分钟。加入缓凝剂水泥浆液，其存放时间可适当延长。当浆液存放时间超过有效时间时，应重新搅拌和降低标号使用，必要时按废浆处理。3、成孔（1）喷射注浆前要检查高压设备和管路系统，设备的压力和排量必须满足设计要求。管路系统的密封必须良好，各通道内的喷咀内不得有杂物。（2）旋喷注浆时要注意设备的开启顺序，应空载启动高压泵，泵压逐渐升高至规定值时，再按设计自下而上旋喷注浆。（3）喷射注浆必须连续进行，中途需拆卸旋喷管时，应先提升，随即停止送浆，最后拆杆。开始喷射注浆的孔段要与前段搭接0.3m，防止固结体脱节。如因故停机超过20分钟，应进行泵体和输浆管路清洗后再继续喷浆作业。（4）喷射注浆作业完毕8小时左右，由于浆液的析水作用，一般均有不同程度的收缩，产生“凹穴”，须用水灰比为1：0.6的水泥浆或150#的水泥砂浆进行补灌，或在砂层中旋喷作业时，可利用其它钻孔上返的水泥砂土混合浆液进行补灌，施工时要防止其它钻孔排出的污泥或杂物进入“凹穴”。（5）为加大旋喷固结体尺寸或为避免深层硬土旋喷固结尺寸减少，可以采用增大喷嘴直径、高压浆液流量、压力，降低提升速度等措施。初喷结束后，将注浆管边送水边下降至初喷开始的孔深，再泵送水泥浆，自下而上进行第二次喷射（复喷）。九、高压旋喷桩施工注意事项1、旋喷作业的各项工艺参数都必须严格按照预先设定的要求加以控制，并由现场施工人员随时做好关于旋喷时间、用浆量、冒浆情况、压力变化等的纪录，并及时上报技术质检部。2、现场技术员负责施工纪录，要做到记录真实及时，数据齐全。按试桩确定施工工艺、旋喷参数、浆液配比及最佳灰浆稠度、钻进和提升速度严格控制桩机施工。如确实需要变动参数，必须经有关部门批准。3、在高压旋喷桩施工中，桩的垂直度精度必须控制在1%以内，引孔孔位误差小于5cm，才能保证桩间的咬合。4、旋喷管提升至地面以下1m时宜用慢速，当喷浆口即将出地面时，应停止提升，搅拌数秒以保证桩头均匀密实。5、喷射施工完毕后，应把注浆管等设备冲洗干净，泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排除后，将机具设备移到新孔位。6、施工中旋喷桩废浆应予以充分利用，施工过程中可采用在相邻桩之间开挖一定深度的浆液存储沟，待浆液凝固后形成具有一定强度的桩间横系梁，以增强地基承载能力。7、喷嘴或管路被堵，预防措施：（1）在高压注浆泵的吸水管进口和水泥浆储备箱中都设置过滤网，并经常清理，筛网的面积不要过小。若系喷射过程中出现水泥浆供不应求时，应将注浆管上提一段距离，抽送清水将管路中的水泥浆顶出喷头后再停泵。（2）喷射作业结束后，按要求做好各系统的清理工作。8、高压泵注浆管压力或排量达不到要求处理方法：（1）检查阀芯、阀座、活塞、缸套等零件，磨损大的及时更换，有杂物影响阀芯、阀座的关启时要及时清理。（2）检查吸浆管道是否畅通，避免空气吸入，尽量减小吸浆管的流动阻力。（3）检查活塞每分种的往复次数是否达到要求，尽量减小吸浆管的流动阻力。（4）检查安全阀及高压管路，消除泄漏。（5）检查喷咀直径是否符合要求，更换过分磨损的喷嘴。十、常见问题分析：1、冒浆：高压旋喷桩在施工过程中，由于内部的压力，必然有一部分浆液被挤压到地面上来，通过对冒浆的控制，可以间接对旋喷桩的质量进行控制。冒浆量小于注浆量的20%时为正常现象，超过20%或完全不冒浆时应采取以下措施：（1）当地层中有较大空隙引起的不冒浆时，可在浆液中掺入少量的速凝剂，缩短固结时间，使浆液在一定的土层范围内凝固，也可在空隙地段增大注浆量，填满空隙后再继续旋喷。若系土质松软则视为正常现象，可适当进行复喷在大量冒浆，压力稍有下降时，可能系注浆管被击穿或有孔洞，使喷射压力降低，同时应拨出注浆管进行检查。可减少注浆量或加快提升和回转速度。也可以缩小嘴直径，提高喷射压力，增大固结体直径。2、流量和压力异常流量不变而压力突然下降时，应检查各部位的泄漏情况，必要时拨出旋喷管检查密封性能。压力陡增超过量高限值，流量为零，停机后压力仍不变，可能系喷咀堵塞，应拨管疏通喷咀。十一、安全注意事项1、高压旋喷桩操作人员上岗前，须进行安全培训，特殊工种如：电工必须持证上岗，临时只准做辅助工作，高压泵、钻机司机必须熟悉机械性能、操作熟练、能排除故障并能进行机械维修与保养。2、作业人员要严格遵守劳动纪律，覆行自己的岗位职责，工作中不擅自脱岗、不打闹、不睡觉、上班前不喝酒。3、作业人员进入施工现场必须穿戴劳动保护用品，上塔作业必须系好安全带，严格执行职工安全规则。4、高压泵、水泥浆制作台必须架设在平整、坚实场地上，松软的场地必须夯实，加垫机台木反。5、钻机平台搭设前必须对场地进行平整，铺平垫实钢管支架，支架钢管直径宜大于73mm，支架钢管的排放间距不大于25cm，钢管两头支点距离不宜大于2m，支点部位宜用木板或石块垫实，接触面长度不宜小于25cm，钢管上部宜用厚不小于40mm，宽度不小于40cm的木板铺设平台。6、钻机移位和放塔时要用50钢管插于钻研机前部的机座孔中，并用人扶移，行走时要有专人指挥。7、钻机定位要使钻机的四条螺杆腿架设在木板上，并保证钻机行走轮胎腾空，确保钻要稳固，操作过程不发生倾斜、移位、塌陷。8、高压泵开启时，应先起动正常后，再调整加压。9、采用的高压管路及接头必须满足压力要求，开泵时管路沿线不得站人，高压泵、钻机的传动部位需有防护罩。开钻试喷时，高压喷咀应对着无人区域，以免高压浆液冲击伤人。10、水泥浆搅拌工，必须戴防尘面具进行操作。11、施工时尚应遵守施工现场常规建筑安装工程安全操作规程及国家有关法规、规则、条例等。十二、质量检验旋喷桩施工完成后28天后进行质量检验。1、 单桩静荷载试验单位工程桩数小于1000根时，每个工点至少做3根单桩承载力试验；大于1000根时，取单位工程桩数的3%确定试验桩桩数。试桩试需做复合地基承载力试验。经天津市建联基础工程检测服务有限公司检验，所抽检高压旋喷桩的单桩静荷载10m桩长不小于700KN，12m桩长不小于800KN，14m桩长不小于850KN，符合设计要求。2、 触探及抽芯试验按工程桩数的2%进行触探试验，触探有疑问的桩进行抽芯检验。抽芯检验的总桩数不得少于工程桩数的3，单位工程桩数小于1000根时，至少做3根。经天津市建联基础工程检测服务有限公司检验，所抽检高压旋喷桩的含灰量正常，搅拌均匀，芯样呈柱状，符合设计要求。3、 复合地基承载力试验试桩时，进行复合地基承载力试验。经天津市建联基础工程检测服务有限公司检验，所抽检高压旋喷桩的复合地基承载力10m桩长不小于140 KPa，12m桩长不小于150 KPa，14m桩长不小于155 KPa，符合设计要求。十三、与水泥搅拌桩对比1、 加固效果：由于单管高压旋喷法注浆量大，被加固土体的吸浆量较饱和，而水泥搅拌法注浆量相