高速公路软土路基处治技术

1、高速公路软土路基处治技术摘要：分析软土的特征、特点、成因类型以及不同地区软土的物理特征，介绍不同成因的软土地基处治技术，结合工程实际，介绍了高速公路软土路基处治技术水泥深层搅拌桩（粉喷桩）的施工特点、工艺原理和检测方法，供高速公路软土路基处治时参考。关键词：软土路基；水泥粉喷桩；工艺；要点；检测前言软土在我国沿海一带分布很广，如渤海湾、长江三角洲、珠江三角洲以及浙、闽沿海地区等都存在海相或湖相沉积的软土，它们是在咸水或淡水中沉积形成的细粒土，含有机质和矿物质的综合物。对软土按沉积环境及成因分为：（1）滨海沉积滨海相、泻湖相、溺谷相及三角洲相；（2）湖泊沉积湖相、三角洲相；（3）河滩沉积河漫滩相

2、、牛扼湖相；（4）沼泽沉积沼泽相。根据我们施工的地区软土成因特征，主要研究滨海相、溺谷相、河漫滩相和牛轭湖相沉积软土。滨海相软土的主要成因及特征是：由于滨海环境的水动力状况比较复杂，主要受波浪和潮汐作用，形成沉积砂土，包括粗、中、细粉砂。粗砂在近海岸处沉积，而细粒物质向海方向搬运，形成不对称的波浪，并在海滩边缘形成一系列平行海岸的连续的砂脊或沙丘。从而使滨海相软土在沿岸与垂直岸边方向有较大的变化，交错层理是其沉积特征。溺谷相软土的特征是：分布范围略窄，结构疏松，在其边缘表层常有泥炭堆积。丹（东）-庄（河）高速公路地处大连湾，符合上述两种软土特征，大部分更符合溺谷相软土。河漫滩相和牛轭湖相软土均

3、属于河滩沉积软土，其主要成因及特征是：成层情况较为复杂，其成分不均一，走向和厚度变化大，平面分布不规则，软土常呈带状或透镜状，间或与砂或与泥炭互层，其厚度不大。长（垣）至封（丘）高速公路第二合同段地处河南新乡市，属于中部平原地带，属于该类型软土。根据我们对丹庄高速公路第九合同段和长封高速公路第二合同段的软土进行的试验，确定上述两地区的软土性质如下表1：通过上述两地区土的物化指标性质分析,可以看出,必须对原土路基进行适当的固结加固,减少路基工后沉降量,以保证高速公路路基的相对稳定。1 高速公路软土路基处治技术1.1 高速公路软土路基处治种类高速公路软土路基处治技术分若干种方法，主要是针对不同工程

4、部位，不同软土物化性质指标而确定。大致有以下几种：软土地基浅层处治技术，软土地基排水固结法，强夯法，振冲法，砂石桩、石灰桩、土桩和灰土桩，人工排降水法，高压喷射注浆法，深层搅拌桩，土工合成材料应用，桩基，灌浆法，灌浆锚固技术，地下连续墙，沉井基础，冷冻法等。各种技术都有其自身的适用特点和优势，我们在这里主要研究深层搅拌桩技术。1.2 深层搅拌法技术特点深层搅拌法属于胶结法类。通过搅拌机械将胶结材料与地基的软土搅拌成桩柱体，这种桩柱体称为水泥粘土桩、石灰粘土桩或某胶结物粘土桩，它具有一定的强度和水稳性。由搅拌桩柱体与四周软土组成复合地基，可以提高地基承载力，提高地基的强度，增大地基变形模量。因此

5、经搅拌法加固的软弱地基能提高地基的承载力，减少地基沉降，阻止水体流动，增强地基的稳定性。深层搅拌法在我国的胶结材料目前绝大部分用水泥，因此我们这里主要讨论水泥深层搅拌桩。1.3 水泥深层搅拌法的加固原理水泥粘土固化的物理化学机理与混凝土的硬化机理有所不同。混凝土的硬化作用主要由砂石等骨料在水泥的水介和水化作用下进行固化，由于水泥用量多，所以它的凝结速度快，凝结强度高。而水泥粘土在固化过程中由于水泥掺入量少，它是由粘土包围水泥，与混凝土不同，水泥粘土的固化速度慢，强度也低，并随含水量的变化而改变。当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥骨架，有的则与其周围的粘土颗粒发生一系列的反应，

6、这些反应包括：离子交换和团粒化作用，硬化反应，碳酸化作用等。从水泥粘土的加固机理分析可知，由于搅拌机械在切割搅拌过程中不可避免会造成一些粘土没有被粉碎，留下一部分土团，这些土团被拌入的水泥粉所包裹，成为外包水泥浆，内部心子是粘土的土团，而团与团之间又被水泥浆胶结起来，所以被加固后的水泥粘土会留有一些微小的水泥浆粘土团，而这种土团内部没有水泥，性质改变就很缓慢。由此可见，搅拌机械的搅拌功能和搅拌是否充分对水泥搅拌加固法的加固效果起着重要的作用。2 现场实践2.1 概述阿深线国家重点公路濮阳至开封高速公路新乡段长（垣）封（丘）高速公路no.2标段，位于河南省境内新乡市长垣县常村乡太子屯东350米处

7、，全长8.233km，设计路面宽度为24.5m，设计时速100kmh，设计荷载汽车超20级，挂车120级。2.1.1 工程地质本标段属黄河及其支流的河谷漫滩及低阶地孔隙潜水发育区，水量丰富，水位埋深1.3818.0m，施工的路基段落处于河谷漫滩地，属软土地基，软土路段一般地质分层(由上而下)为：(1)低液限粘土：灰黄色，厚度小于11.5m，呈硬塑状，为硬壳层且有湿陷性，地下水位埋深多小于2.1m，容许承载力80120kpa，极限摩阻力030 kpa。(2)灰黑色淤泥：流塑一般厚度46m，含水量49.692.1，060kpa，025kpa，孔隙比e0.3960.688，压缩系数：0.110.19

8、(mpa)，内摩擦角4°，快剪凝聚力：13kpa。(3)砂砾石：中密，含水量饱和，允许承载力280kpa，极限摩阻力140kpa。2.1.2 方案比选(1)采用塑料排板及铺砂砾垫层的排水固结方案，经做试验观测，承载力达不到设计要求，沉降量大。(2)采用土工布及铺砂垫层，经做试验观测，承载力达不到设计要求，且沉降量较大。(3)选用粉喷桩固结处理，桩尖坐在砂砾石层上，经试验观测，承载力大于340kpa，沉降量较小，且经济，施工速度快。2.1.3 水泥粉喷桩的设计要求桩径：50cm。桩长：要求打穿淤泥层，在砂砾石层上，一般6.59.5m。桩距：1.5m×1.3m(排距)，等腰三角

9、形布置；桥头20m内及涵洞基础：1.5m×0.75m(排距)。水泥掺入量：桩喷粉量71kgm(425#普通硅酸盐水泥，掺入比17)。桩身强度：90d龄期无侧限抗压强度1900kpa，复合地基承载力：280kpa。2.2 粉喷桩施工粉喷桩处理软土均通过ph-5a机械将粉体水泥喷出后在地基深处就地与软土强制搅拌，利用水泥和软土之间所发生的一系列物理化学反应，在原地基中形成强度、刚度较大的桩体，同时也使桩周土体性质得到改善，桩体与桩间土形成复合地基共同承担外荷载。2.2.1 施工工艺在粉喷桩施工中，必须抓以下施工环节：2.2.1.1 严格按粉喷桩施工规范施工按设计桩距，排距测量放样，施工工

10、序如下：(1)钻机就位：吊钻机对准位后，使钻杆垂直，倾斜度小于1，桩位偏差小于5cm。(2)钻进：启动钻机，钻头边旋转边钻进、(喷入压缩空气而不喷入粉体)边搅拌。(3)停钻：当钻进到达设计标高后停钻。(4)提升：启动钻机，钻头是反向边旋转边提升，同时通过粉体发送器将水泥喷入土中，使土体与粉体进行拌和。(5)停喷：当钻头升至距原地面50cm时停止喷料。(6)复拌：重复搅拌至桩长三分之一提升钻头，搅拌至第一次停喷的位置，成桩结束。2.2.1.2 粉喷桩的质量控制粉喷桩处理软基属隐蔽工程，且通常是昼夜连续施工。为了在施工过程中加强对施工工艺、水泥用量、桩长、施工速度的控制，我们专门派两名施工员，同时

11、有两名监理工程师旁站监督，由监理工程师逐桩签字，做到每桩都有完整的记录，主要监理内容为：(1)检查桩距、桩位是否符合设计要求。(2)逐桩控制喷粉量：根据桩长，按71kgm喷粉量进行喷粉，水泥先送入罐内，然后通过自动计量电子称控制每米喷粉量，电子称屏幕上可以显示每米喷粉量。(3)桩长控制。根据设计桩长及试验桩确定的长度，在钻杆上标明桩长，并根据钻进时桩机的负载电流数据突变，直至桩杆不再进尺(表明桩尖已座在砂砾石层上)，现场丈量，测定实际桩长。(4)施工单位对成桩单位负完全责任。我们明确规定对成桩按5随机进行质量检测，对不合格的桩责令其自费加桩进行返工，并对有关责任人进行经济处罚，这一措施促使施工

12、单位自觉把关，不敢偷工减料以确保质量。2.3 粉喷的质量检验为了确保工程质量，粉喷桩施工满足龄期要求后，我们采取如下检验方法验收桩体的质量。2.3.1 钻芯取样本工程采取对于28天龄期进行桩体任一部位钻芯取样来验收桩体的强度（为增加试验的可信度，由河南省公路设计院出具试验结果报告），即达到90天龄期的75以上(大于1.9×751.43mpa)，抽样频率为5，对于出现类、类桩的部位，加大抽检密度。部分试验结果见表2、表3。组(取23桩体处)组(取13桩体处)2.3.2 低应变动态质量检测本检测办法的主要内容就是对桩的完整程度的检测与诊断，即判定桩身是否完好，喷粉是否均匀等等，最终给定综

13、合判定结果。2.3.2.1 检测方法原理桩基无损动态检测是根据弹性波理论，当施工于地下的粉喷达到一定强度后，且桩长l远大于桩径d时，在理论上可将桩身视为一维弹性杆件体，当在桩顶施加一激励信号f(t)时其激发的弹性波将沿桩身(纵向)向下传播，传播过程满足波动方程：由于桩端和持力层之间存在一明显的波阻抗界面，弹性波传播至桩底将产生反射，并被布置 于桩顶的拾振器接收。若粉喷桩体均匀、完整、规则，则只存在桩底一个波阻抗界面，这样 反映在时间域波形上的能量集中，波形圆滑，桩底反射时间(t)清晰，则纵波速度：v02×lt式中l为桩长，t为反射波初至。若桩身存在喷粉不均匀、断裂、夹泥、断桩等缺陷，

14、都易形成波的置前反射，因此，在弹性波的传播过程中，能量分散，反映在时间域波形上则多个波组迭加的复合波形，且缺陷深度l1、l2满足：l112×v0×t1l212×v0×t2根据弹性波理论，通过实测的桩身时间域波形，经室内计算机对资料的处理，即可对桩的完整性及施工质量进行全面评价。2.3.2.2 现场检测布置及仪器设备质量检测是利用单质点反射法，将拾振器耦合于桩顶，用小锤激发，使之产生一激励信号作用于桩顶，通过拾振器接收弹性波沿桩反射的全过程，送至数据采集库采集，计算机存储、分析、计算(图1)。本次检测工作使用中国科学院岩土力学所制的rsm24fd型工程检测

15、仪。2.3.2.3 资料分析与结果根据现场测试的原始记录，本工区低应变曲线波形较为完整，经室内分析计算，现根据桩身的完整程度分类描述如下：(1)完好桩：桩身连续性好，桩身规则，喷粉均匀，无缺陷存在。反映在时域波形上规则、圆滑、无异常信息迭加，桩底反射信号清晰。该工程共测试桩2800根，其中完好桩共2510根，占抽测总桩数的90。检测桩长介于7.28 .0m之间。(2)一般桩：桩身连续性尚好，但存在有桩头破损，桩头强度偏低，局部喷粉不均等。反映在时域波形上：曲线基本规则，局部有轻微异常信息迭加，桩底反射信号基本清晰。通过对该工程抽检的2800根桩中，一般桩共有290根，基本上全部表现为桩头的局部

16、破损和浅部的喷粉不均匀现象，占抽测总桩数10。检测桩长介于5.89.0m之间。2.3.3 复合地基静载荷试验采用接近于复合地基实际工作条件的试验方法，依据建筑地基处理技术规范(jgj7991)，测定复合地基的轴向承载力，为设计提供基础设计的校核依据，确保工程质量和复合地的使用安全。2.3.3.1 试验装置试验装置如图2所示。采用“堆载法”，即采用平行放置的横梁(钢梁)作为堆载平台，平台由试验基坑周围的土层支撑，平台上堆放的配重块(钢锭)通过平台下的主梁测力传感器千斤顶压板，把垂直荷载用力施加到压板面积之上。2.3.3.2 试验设备试验采用jcq503型静力载荷测试仪，配以700kn液压千斤顶，

17、由dyb1a电动高压油泵供油，压力测量采用gyl2a2kn测力传感器，沉降观测采用中国航空精密机械研究所生产的电子数显位移传感器(量程50mm，分辨率0.01mm)。压板面积1.0×1.0m2。以上设备调试安装完毕即可进行桩基静荷载的自动测试、自动测读、判稳、自动补载、自动记忆、自动输出打印等等。2.3.3.3 试验方法依据建筑地基处理技术规范(jgj7991)，采用接近于复合地基实际工作条件的试验方法进行试验。(1)加荷分级：依据规范要求，试验最大加荷为设计荷载的两倍， 或达到地基极限承载力。根据规范要求，加荷分级表4所示：(2)沉降观测：按规范要求“每加一级荷载，在加载前后各读记

18、压板沉降一次，以后每半小时读记一次”直至达到相对稳定后，施加下一级荷载。沉降观测采用每加一级荷载，间隔5、10、15min各读一次，以后每隔15min测读一次，累计1h后每隔30min测读一次，直至达到相对稳定后施加下一级荷载。(3)沉降相对稳定标准：每一小时的沉降观测不超过0.1mm。认为已达到相对稳定，即可加下一级荷载。(4)终止加载条件：当出现如下条件之一时，即可终止加载：a)沉降量急剧增大，土被挤出或压板周围出现明显的裂缝。b)累计的沉降量已大于压板宽度的10。c)总加载量已为设计要求的两倍。2.3.3.4 试验过程试验桩号75。于试验当天晚9点开始加压，每一级60kn，稳定后逐级累加，至第七级420kn，每级稳定时间短，沉降累计19.50mm，未出现沉降急剧增大、土被挤出或压板周围出现明显的裂缝现象，卸荷观测，总回弹量为2.36mm，残余沉降量为16.90mm。2.3.3.5 资料整理与分析结果为确定复合地基的承载力，将试验资料整理成表5“数据汇总表”。按规范(jgj7991)复合地基承载力的基本值确定“深