粉噴樁在加固公路路基基床中的應(yīng)用

鄭 威

中交第二航務(wù)工程局有限公司，福建晉江 362212

粉噴樁在加固公路路基基床中的應(yīng)用

鄭 威

中交第二航務(wù)工程局有限公司，福建晉江 362212

本文介紹土質(zhì)改良加固基床的常用方法，以及粉噴樁在改良加固路基基床土質(zhì)中的應(yīng)用。通過對現(xiàn)場質(zhì)量檢測分析,發(fā)現(xiàn)加固效果明顯,可以應(yīng)用于路基基床土質(zhì)加固工程。

路基基床；粉噴樁；加固

路基是位于道路基層下面，受路面結(jié)構(gòu)及荷載影響的那部分地層，當(dāng)?shù)缆方Y(jié)構(gòu)直接建造在未經(jīng)加固的天然土層上時(shí)這種路基稱為天然路基。有的天然路基很軟弱不能滿足荷載對路基的強(qiáng)度和變形要求時(shí)，那么就應(yīng)事先對路基進(jìn)行人工改良加固再建造路面，這種加固路基的方法稱為路基處理，所形成的路基稱為人工路基。路基處理的主要對象是軟弱路基系指由淤泥、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土層構(gòu)成的[1]。

1 影響土改良加固效果的因素

1.1 土的礦物成分

如果粘性土主要的礦物成分是高齡石、蒙脫石等用水泥改良加固效果較好；而含有伊利石、氯化物、水鋁石英和有機(jī)質(zhì)的粘性土用水泥改良加固效果則較差。在潮濕和缺氧環(huán)境中未經(jīng)充分分解的植物遺體堆積而成的一種有機(jī)質(zhì)土，有機(jī)質(zhì)含量大于60%，其含水量極高，壓縮性很大且不均勻，一般不宜作天然地基，需進(jìn)行處理。

1.2 土粒的大小

一般來說，土粒越細(xì)其表面積越大，這樣與水泥或石灰攪拌在一起后相互作用充分，能達(dá)到較好的加固效果。

1.3 摻加物的含量

不論摻加物是水泥還是石灰，我們都有一個(gè)最佳的摻入量來滿足經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)要求。如果用石灰量太少，只能部分改善土的塑性和膨脹性，強(qiáng)度變化小；如果用石灰過多，那么石灰與粘土的反應(yīng)不充分多余的石灰沉積下來，又因?yàn)槭冶旧淼膹?qiáng)度不高，土體強(qiáng)度改變也不大[2]。

2 土質(zhì)改良加固基床的常用方法

對于新建線路，土質(zhì)改良可以使路基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的不得使用的填料（如膨脹土、濕陷性黃土等）用作基床填料，因?yàn)楦牧纪恋奈锢砹W(xué)性質(zhì)滿足基床土的要求。若設(shè)計(jì)合理、施工質(zhì)量得到保證，運(yùn)營后基床穩(wěn)定幾乎不出現(xiàn)基床病害。此措施在我國廣泛得到應(yīng)用，解決了一些缺乏基床填料的困難，節(jié)約了資金，效果良好。

對于既有線路，土質(zhì)改良可以用于治理基床病害，如整治基床下沉、翻漿冒泥、凍害等。一般方式有基床換填、挖孔樁或粉噴樁。

3 粉噴法的加固機(jī)理

多年來，粉噴樁廣泛應(yīng)用于軟土路基的加固，用于基床加固是近幾年的發(fā)展。該法是通過帶有噴嘴的鉆頭在軟土中輸入粉粒體加固材料。通過和原位加固土強(qiáng)制的攪拌混合使加固土與加固材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在穩(wěn)定基床土的同時(shí)提高其強(qiáng)度的方法。常用的加固材料有水泥粉、石灰粉或粉狀石膏等。通常將用水泥粉的處理方法稱為深層攪拌法，多用于建筑地基上；而將主要用石灰粉的處理方法稱為粉噴法,多用于鐵路、公路的路基工程[3]。

粉體噴射方法是在深層攪拌方法的基礎(chǔ)上演變而來的。它使用干燥的生石灰或水泥粉粒，用壓縮空氣輸送至加固深度底端，采用葉片旋轉(zhuǎn)攪拌是與周圍軟粘土顆?；旌喜l(fā)生水解和水化反應(yīng)通過離子交換從而產(chǎn)生硬化的加固柱體。粉噴法的加固機(jī)理如下：

石灰的吸水、發(fā)熱和膨脹作用。在軟弱土層中加入生石灰它便和土中水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成熟石灰。在這一反應(yīng)中又相當(dāng)于生石灰重量39%的水分被吸收。

形成熟石灰時(shí)，每一摩爾產(chǎn)生25.6千卡的熱量，即每1公斤的CaO水化作用，發(fā)生295千卡的熱量。這一熱量又促進(jìn)了水分的蒸發(fā)從而使相當(dāng)于生石灰重量48%的水分蒸發(fā)掉。形成熟石灰時(shí)土中共減少了相當(dāng)于生石灰重量的76%的水分，另外由生石灰變熟石灰的過程中石灰體積膨脹1～2倍這樣就促進(jìn)了周圍土的固結(jié)[4]。

從粉噴樁的加固機(jī)理可知，利用石灰固化處理基床土分為形成熟石灰快速反應(yīng)強(qiáng)化的前半過程和形生熟石灰以后緩慢固結(jié)的后半過程。

4 粉噴樁施工方法與流程

4.1 施工前準(zhǔn)備工作

開工前應(yīng)熟悉施工圖，了解工程概況，了解施工現(xiàn)場地質(zhì)水文資料。編制整套粉噴樁施工組織設(shè)計(jì)方案。施工組織設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：確定粉噴樁施工方案、編排樁施工順序平面布置、選擇機(jī)械設(shè)備、編制各項(xiàng)計(jì)劃措施等。

4.2 粉噴樁施工方法

1）按樁位平面布置圖，現(xiàn)場用鋼尺定出粉噴樁樁位并用竹簽插入土層作標(biāo)記，誤差不大于5cm，機(jī)具移至樁位處并使鉆頭正對竹簽以復(fù)核機(jī)架的垂直度；

2）啟動(dòng)空壓機(jī)送氣，鉆機(jī)正轉(zhuǎn)并垂直鉆進(jìn)，當(dāng)控制雙螺旋攪拌頭到達(dá)設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高時(shí)鉆機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)送灰機(jī)送灰，待水泥送至噴灰口后再提升鉆頭，根據(jù)電子稱重裝置顯示的噴灰量調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)，這樣一邊噴粉一邊攪拌，然后邊提升和邊壓實(shí)；

3）當(dāng)鉆頭提升至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以上0.5米時(shí)停止送灰并關(guān)閉送灰機(jī)。此時(shí)鉆機(jī)迅速換檔并重復(fù)攪拌，復(fù)攪長度按設(shè)計(jì)要求為2m；

4）復(fù)攪結(jié)束后，關(guān)閉空壓機(jī)并消散所有管道壓力和鉆機(jī)主電機(jī)停機(jī)；

5）開啟液壓步履和鉆機(jī)移位。

4.3 粉噴樁施工流程

粉噴樁工藝流程見圖1，(a)定位下沉 、（b）深入到設(shè)計(jì)深度、（c）噴漿攪

拌提升、（d）重復(fù)攪拌下沉、（e）重復(fù)攪拌提升（f）攪拌完成形成固體

圖1 粉噴樁施工流程

圖2 粉噴樁機(jī)配套機(jī)械設(shè)備

4.4 粉噴樁成樁后的質(zhì)量檢驗(yàn)

粉噴樁施工完成后應(yīng)按規(guī)定頻率進(jìn)行外觀鑒定、取芯、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和單樁及復(fù)合地基承載力試驗(yàn)。按規(guī)范要求復(fù)合地基試驗(yàn)數(shù)量為24塊。對取芯、單樁及復(fù)合地基承載力試驗(yàn)檢測時(shí)現(xiàn)場監(jiān)理應(yīng)全過程旁站。對未穿透軟土層、部分?jǐn)嗷?、噴灰不均勻、?qiáng)度不足等檢測中發(fā)現(xiàn)的問題應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行加密、補(bǔ)樁等處理。

1）外觀鑒定檢測頻率為2%，在成樁7天內(nèi)將樁體開挖0.5m～1.0m，目測檢查樁體成型情況；

2）鉆探取芯法試驗(yàn)可以較全面的反應(yīng)樁身材料的密實(shí)度、樁身的連續(xù)性、樁身物理尺寸等完整樁身質(zhì)量的基本信息和可靠準(zhǔn)確地評價(jià)樁身質(zhì)量；

3）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度法在成樁28d后在室內(nèi)無側(cè)限抗壓試驗(yàn)儀上，對原狀水泥土樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試并同時(shí)測定其變形指標(biāo)；

4）載荷試驗(yàn)檢測是比較直觀和成果可靠的方法，在被測試的地基安置一定規(guī)格的平板然后逐級施加靜力荷載之后測出各荷載作用下的沉降量，繪出荷載——沉降關(guān)系曲線[5]。

對一般工程，主要應(yīng)檢查樁和樁間土的干密度和承載力；對重要或大型工程，除應(yīng)檢測上述內(nèi)容外，尚應(yīng)進(jìn)行載荷試驗(yàn)或其它原位測試。也可在路基處理的全部深度內(nèi)取樣測定樁間土的壓縮性和濕陷性。

5 粉噴樁在改良加固路基基床土質(zhì)中的應(yīng)用情況

以對某國道路基床的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，該處使用膨脹性土填筑的路基，基床嚴(yán)重翻漿冒泥引起路堤下沉。見表1，加固前的基床土屬于弱膨脹性土，特點(diǎn)塑性指數(shù)較大并有較大的膨脹量和膨脹力。由于當(dāng)時(shí)對該土性質(zhì)認(rèn)識不足而作了基床回填土和加上當(dāng)時(shí)壓實(shí)密度較小，在汽車動(dòng)荷載的作用下而造成了該段路基的基床病害。

表1 基床土加固前后的物理力學(xué)性質(zhì)變化

由表1不難看出，粉噴技術(shù)改良基床土的效果是非常顯著的，膨脹量幾乎趨近與零；膨脹力降低了1/2以上；液限、塑限大幅度提高（但液限增幅小于塑限）；塑性指數(shù)也降低了1/2?；臼チ思庸糖傲淹恋男再|(zhì)。從強(qiáng)度指標(biāo)看，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.0MPa，呈脆性破壞。

采用粉噴技術(shù)的關(guān)鍵：

1）加固柱體的強(qiáng)度，取決于粉噴的含量，這與軟土的化學(xué)特性、礦物組成、有機(jī)物含量、PH值等有關(guān)。須因地制宜，先做實(shí)驗(yàn)比較工作；

2）加固柱體的質(zhì)量及其均勻性，取決于施工機(jī)械，現(xiàn)場環(huán)境及攪拌技術(shù)，需做一定的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)來確定；

3）工程經(jīng)驗(yàn)的積累和一些試驗(yàn)成果表明，環(huán)境溫度應(yīng)低于40℃；含灰量控制10%左右為宜；每延長1m石灰柱的攪拌時(shí)間控制在1min左右，因?yàn)闀r(shí)間長了會(huì)影響固結(jié)。攪拌次數(shù)每分鐘50～100次。

路基處理方法雖眾多，但各自都有不同的適用范圍和作用原理。且不同地區(qū)地質(zhì)條件差別很大，上部結(jié)構(gòu)及交通荷載對路基要求各不相同，施工單位機(jī)具千差萬別。因此，選擇路基處理方法，應(yīng)綜合考慮場地工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)情況和天然路基存在問題等因素來確定處理的目的、處理范圍和處理后要求達(dá)到的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過幾種可供采用方案的比較，擇優(yōu)選擇一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、施工可行的方案。

[1]嚴(yán)家伋.道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2]牛志榮主編.路基處理技術(shù)及工程應(yīng)用[J].中國建材工業(yè)出版社，2004(4).

[3]孔祥勇，程霞.路基與橋隧[M].北京：中國鐵道出版社，2003，3.

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1674-6708（2013）93-0175-02