粉噴樁處理公路軟土地基施工技術(shù)

粉噴樁處理公路軟土地地基施工技術(shù)一、粉噴樁的應(yīng)用概述㈠定義粉噴樁屬于深層攪拌法加固地基方法的一種形式，也叫加固土樁。深層攪拌法是加固飽和軟粘土地基的一種新穎方法，它是利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的攪拌機(jī)械應(yīng)地將軟土和固化劑（漿液狀和粉體狀）強(qiáng)制攪拌，利用固化劑的主劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理一化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基。粉噴樁應(yīng)是采用粉體固化劑來進(jìn)行軟基攪拌處理的方法。深層攪拌法具有施工工期短、無公害、施工過程無噪音、不排污、對相鄰建筑物無不利影響等優(yōu)點(diǎn)。㈡粉噴樁的發(fā)展簡況粉噴樁粉體噴射攪拌加固土樁，于20世紀(jì)60年代后期由瑞典和日本分別提出。石灰系攪拌法于1967年由瑞典的KjeldPaus提出，1974年將石灰體噴射攪拌樁應(yīng)用于路堤和深基坑邊坡防護(hù)。日本于1967年開始研制石灰攪拌施工機(jī)械，1974年開始在軟土加固工程中應(yīng)用。我國于80年代初引進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)，1983年初，鐵道部第四勘察設(shè)計(jì)院開始進(jìn)行粉體噴射攪拌法加固軟土地基的試驗(yàn)研究，并與鐵道部武漢工程機(jī)械研究所合作，于1983年研制出了我國第一臺液壓步履式深層攪拌噴粉樁機(jī)。1984年7月在廣東省云浮硫鐵礦鐵路專用線上應(yīng)用石灰攪拌樁加固單孔4.5m蓋板箱涵的軟土地基獲得成功，1985年4月通過鐵道部部級技術(shù)鑒定，后逐步推廣使用，并取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。但由于國內(nèi)粉狀石灰產(chǎn)量不多，加之運(yùn)輸與保管也比較困難，因此近年來基本上均以水泥粉作為固化劑進(jìn)行深層攪拌施工。水泥系深層攪拌法水泥系深層攪拌法始于美國，20世紀(jì)50年代引入日本，1974年由本港灣技術(shù)研究所、川崎鋼鐵廠和不動建設(shè)等廠家合作研制成功水泥攪拌固化法（CMC法），用于加固鋼鐵廠礦石堆場地基加固深度達(dá)32m。接著日本各大施工企業(yè)接連開發(fā)研制加固原理、固化劑相近的各種不同規(guī)模、不同效率的深層攪拌機(jī)械，形成了多種施工方法。杭州市溫州路27號住宅樓改建工程和上海探礦機(jī)械廠鑄鋼車間廠房地基加固工程是國內(nèi)采用水泥噴粉技術(shù)進(jìn)行軟基攪拌加固最早的兩個實(shí)例。到90年代這項(xiàng)技術(shù)在公路、鐵路、市政工程、工業(yè)與民用建筑、機(jī)場等的軟基處理中得到了廣泛的應(yīng)用。㈢適用范圍1.適用土質(zhì)粉噴樁最適合于加固各種成因的飽和軟粘土，目前國內(nèi)常用于加固淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土和含水量較高的粘性土。由于粉噴樁是將干的固化劑(水泥粉、石灰粉)拌入地基的，所以當(dāng)軟基中的含水量低于30%時(shí)，為了保證粉體的充分固化，必須在攪拌過程中加入適當(dāng)水分，因此當(dāng)選用粉噴樁時(shí)，土層的含水量宜大于50%。加固深度加固深度取決于施工機(jī)械的功率，國外某些加固軟土的深度已達(dá)到60m；國內(nèi)的施工機(jī)械的攪拌能力一般為30m，所以加固深度只能達(dá)到26-27m。適用工程由于采用水泥或石灰與軟土充分?jǐn)嚢韬笮纬傻膹?fù)合體，其抗壓強(qiáng)度比天然軟土能夠高數(shù)十倍甚至數(shù)百倍，因此它與周圍天然土層組成的復(fù)合地基可大大的提高承載力、減少沉降量。因此粉噴樁能夠應(yīng)用于公路路基、機(jī)場、鐵路、建筑物、堆料場、辦公樓、住宅樓、水壩、港口等各種工程中。二、粉噴樁加固機(jī)理㈠石灰加固軟土的機(jī)理用石灰粉作為固化劑進(jìn)行軟土的加固時(shí)，石灰粉應(yīng)為生石灰經(jīng)研磨而成的生石灰粉。由于生石粉的主要成分是CaO立即吸收軟土中的水分，消解成熟石灰(Ca(OH)2)，即：CaO+H2OfCa(OH)2+15.6千卡/摩爾(熱量)生石灰在消解過程中產(chǎn)生的大量熱量會促進(jìn)軟土中水分的蒸發(fā)，降低含水量。但主要的是生石灰消解時(shí)，會吸收土中大量的水分，1kg的CaO完全消解后的理論吸水量是0.32kg。Ca(OH)2與空氣中的CO2發(fā)生碳酸化反應(yīng)生成不溶于水的碳酸鈣，使得軟土強(qiáng)度提高，并與周圍土體形成復(fù)合地基。再者石灰在消解時(shí)體積會增長2倍，也能促進(jìn)周圍土體的固結(jié)。㈡水泥加固軟土的機(jī)理1.水泥的水化反應(yīng)普通硅酸鹽水泥主要是由氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵及三氧化硫等組成。在水泥拌入軟土中后，很快與軟土中的水發(fā)生水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及水化鐵酸鈣等化合物。反應(yīng)過程為：硅酸三鈣(3CaO.SiO2)。在水泥中含量最高(約占全重的50%左右)，是決定水泥強(qiáng)度的主要因素。3CaOSiO2+6 3CaO.ZSiQ.3鳥。+3Cag'硅酸二鈣(2CaO.SiO2)。在水泥中含量較高(約占25%左右)，是產(chǎn)生后期強(qiáng)度的主要因素。2(2CaO.SiO2)+4H2O—3CaO.2SiO2.3H2O+Ca(OH)2鋁酸三鈣(3CaOAl2O3)。占10%，水化速度最快，促進(jìn)早凝。3CaOAlO+6HOfCaO.AlO6HOTOC\o"1-5"\h\z23 2 23 2鐵鋁酸四鈣(4CaOAl2O3FeO3)。占10%左右，促進(jìn)早期強(qiáng)度。4CaOAlOFeO+2Ca(OH)+10HO—3CaO.AlO6HO+CaOFeO.6HO23 3 2 2 23 2 23 2鐵鋁酸四鈣(4CaOAl2O3FeO3)。占10%左右，促進(jìn)早期強(qiáng)度。4CaOAlOFeO+2Ca(OH)+10HO—3CaO.AlO6HO+CaOFeO.6HO23 3 2 2 23 2 23 2硫酸鈣(CaSO4)。雖然在水泥中的含量僅占3%左右，但它與鋁酸三鈣一起與水發(fā)生反應(yīng)，生成一種被稱為水泥桿菌的化合物。3CaSO+3CaOAlO+32HO—3CaO.AlO3CaSO+32HO4 23 2 23 4 2水泥桿菌最初以針狀結(jié)晶的形式在比較短的時(shí)間內(nèi)析出，這種反應(yīng)迅速，把大量的自由水以結(jié)晶的形式固定下來，這對含水量高的軟土地基強(qiáng)度的增長具有重要意義。土顆粒與水泥水化物的作用凝硬作用水泥與水發(fā)生反應(yīng)析出大量的鈣離子，這些鈣離子與粘土中的礦物質(zhì)(如二氧化硅、三氧化二鋁)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，逐漸生成不溶于水的結(jié)晶化合物。SiO+Ca(OH)+nHO—CaO.SiO(n+1)HO+(CaO.SiO(n+1)HO)2v72 2 2 2 2*’2AlO+Ca(OH)+nHO—CaO.SiO(n+1)HO+(CaO.AlO(n+1)HO)23 2 2 2 2 23 2這些新形成的物質(zhì)在水中和空氣中逐漸硬化，增大了水泥土的強(qiáng)度。從掃描電子顯微鏡的觀察可見，天然軟土顆粒之間無任何有機(jī)的聯(lián)系，并且具有很多孔隙。拌入水泥7d后，土顆粒周圍充滿了水泥凝膠體，并有少量水泥結(jié)晶體，一個月后，水泥土中生成大量纖維狀結(jié)晶，并不斷延伸充填到土顆粒的孔隙中形成網(wǎng)狀構(gòu)造，增加了土的強(qiáng)度。離子交換作用軟土中含有多種礦物質(zhì)，并有游離鈉離子Na+和鉀離子K+，它們能和水泥水化生成的鈣離子Ca++進(jìn)行當(dāng)量吸附交換，使較小的土顆粒形成較大的團(tuán)粒，使土體強(qiáng)度提高。碳酸化作用水泥水化物中的氫氧化鈣，與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成不溶于水的碳酸鈣，也能提高軟土的強(qiáng)度。粉噴樁應(yīng)其自身性質(zhì)來說是一種介于剛性樁與柔性樁之間的一種樁型，其剛度、抗壓強(qiáng)度和抗側(cè)壓力作用均小于剛性樁而大于柔性樁。粉噴樁可以改變軟土的性質(zhì)，它與樁間土形成的復(fù)合地基，可以大大的提高出承載力，減少沉降。粉噴樁現(xiàn)場質(zhì)量檢測檢測粉噴樁質(zhì)量所用的方法與檢測其它樁一樣，可以彩多種手段進(jìn)行。因粉噴樁樁體強(qiáng)度相對混凝土樁來說比較低，且主要利用群樁作用來提高復(fù)合地基承載力，故一般不做破壞性試驗(yàn)。現(xiàn)場檢測具有直觀、工效高、代表性強(qiáng)、避免取樣運(yùn)送過程的確良擾動等優(yōu)點(diǎn)。但每一種方法都有一定的局限性，因此進(jìn)行粉噴樁檢測時(shí)，盡量采用多種方法綜合評價(jià)，并輔以一定的室內(nèi)試驗(yàn)?，F(xiàn)場檢測的任務(wù)是要對所有樁的質(zhì)量及地基加固作出評價(jià)，主要是確定合格樁和不合格樁的數(shù)量。不合格樁包括樁長不夠、斷樁、縮頸、直徑達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、樁體成形差、強(qiáng)度低、偏位太大等。在地基加固方面軍主要是測出復(fù)合地基承載力值、單樁承載力、復(fù)合地基的變形模量等。針對粉噴樁的需要，施工完成后的全面檢查有下列幾種方法：測量放線檢查全部完成后進(jìn)行基槽開挖，一般基槽開挖后，樁頂都會露出1m的長度，按設(shè)計(jì)樁長截掉樁頂多余部分，再用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量。經(jīng)過測量檢查可以了解樁的偏位、樁頂標(biāo)高、開挖標(biāo)高等情況。人工直接觀察基槽開挖后，組織人力對現(xiàn)場直接進(jìn)行檢查，可以了解樁的成形、樁徑、缺樁、樁頂強(qiáng)度、樁頂質(zhì)量、樁位偏離等情況。在這些檢查項(xiàng)目中，除樁頂強(qiáng)度外，其余均用視力檢查確定；樁頂強(qiáng)度除觀察其攪拌均勻程度進(jìn)行分析外，還可以采用簡易檢測法，即用一根長度2m、直徑16cm的平頭鋼筋，豎直立于樁頂，如用人力能壓入樁體10cm（28d齡期），表明施工質(zhì)量有問題。樁身取樣強(qiáng)度檢驗(yàn)制樁后7d內(nèi)可用輕便觸探器對樁進(jìn)行一般性檢查。由于輕便觸探器的檢查結(jié)果只能定性而不能定量，因此，經(jīng)輕便觸探器檢查后，如對某些樁體強(qiáng)度有懷疑時(shí)，對這些樁身取樣，進(jìn)一步做更精確的檢查，即用鉆機(jī)對樁身取芯樣，制成試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，用以測定樁體強(qiáng)度。鉆孔直徑不宜小于108mm，以便保證制成的試塊尺寸不小于50mmX50mmX50mm。靜力觸探靜力觸探是將一定規(guī)格的圓錐形探頭，按一定的速率壓入土層中，測量土對探頭的阻力，借以分析土的性質(zhì)。靜力觸探是檢驗(yàn)地基處理效果的有效手段，具有質(zhì)量好、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用。靜力觸探既是工程地質(zhì)勘探手段，又是原位測試技術(shù)。在粉噴樁檢測中，靜力觸探除用于對樁體進(jìn)行7d內(nèi)靜探外，還可用于對樁周土進(jìn)行靜探。靜力觸探測試結(jié)果可判定被探體（土層或樁體）的密實(shí)性、均勻性、地基處理前后的承載力、不排水強(qiáng)度、壓縮性質(zhì)等，還可以用來計(jì)算出單樁承載力。動力觸探動力觸探是利用一定重量的落錘打擊鉆桿，將安裝在鉆桿端頭的鉆頭打入土層，根據(jù)鉆頭貫入土層中的難易程度來探測土的工程性質(zhì)。動力觸探設(shè)備簡單、效率較高，應(yīng)用也較廣。其檢測的目的與靜力觸探基本一樣，即通過動力觸探可以判斷被探物體的密實(shí)性、均勻性、地基處理前后的承載國及變形性質(zhì)等。但影響探的因素較多，所測結(jié)果較為粗略。靜載試驗(yàn)靜載試驗(yàn)是較為直觀、成果可靠的原始測試方法。通過靜載試驗(yàn)可以測得復(fù)合地革承載力和變形模量。靜載試驗(yàn)的典型代表是平板載荷試驗(yàn)，它是在被測試的坑中安