閩贛界某高速公路不良地質(zhì)施工方法分析
2015-04-29 00:00:00李偉強(qiáng)
【摘 要】在高速公路建設(shè)過(guò)程中，遇到不良地質(zhì)情況（如軟基、溶巖等）是普遍現(xiàn)象。為確保工程質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)不同情況采用不同的施工技術(shù)和方案進(jìn)行控制。本文通過(guò)具體實(shí)例，介紹了擠密砂樁、粉噴樁兩種主要軟基處理方法及質(zhì)量控制措施。
【關(guān)鍵詞】不良地質(zhì)；軟基；擠密砂樁、粉噴樁；高速公路
0.前言
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，高速公路建設(shè)穿山過(guò)嶺，覆蓋范圍不斷延伸。面對(duì)建設(shè)中遇到的不良地質(zhì)特別是軟基問(wèn)題，應(yīng)引起足夠重視。
在軟土地區(qū)進(jìn)行路基施工，要充分考慮路基的穩(wěn)定性和建成后的剩余沉降情況。應(yīng)通過(guò)地基處理技術(shù)解決軟土問(wèn)題。當(dāng)前，處理地基軟土技術(shù)有很多，各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在具體施工中，要根據(jù)工程所在地質(zhì)具體實(shí)際，確定合適的施工技術(shù)和方案，對(duì)施工各階段進(jìn)行施工質(zhì)量控制，確保工程達(dá)標(biāo)。在此主要介紹擠密砂樁、粉體攪拌樁加固軟土的施工技術(shù)，兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)作個(gè)比較。
1.具體工程介紹
閩贛界某高速公路合同段，長(zhǎng)33.2km，根據(jù)工程勘察情況，其中有兩段軟土路基，樁號(hào)范圍分別為：K5+150～K6+355、K10+550～K11+705。地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)表明，兩段軟土路基主要地層為淤泥及沙夾淤泥層，下層為殘積粘性土等。按設(shè)計(jì)要求，K5+150～K6+355段軟土層厚度為10～15米，采用粉噴樁進(jìn)行地基加固，K10+550～K11+705段軟土層厚度為6～8米，采用擠密砂樁進(jìn)行地基加固。
1.1擠密砂樁施工工藝及質(zhì)量控制
本公路合同段擠密砂樁軟基路線長(zhǎng)1.155公里，起止樁號(hào)為K10+550～K11+705，由于施工段淤泥層厚度不均勻，樁距也有所變化。本工程擠密砂樁樁距為1.1m樁， 樁徑0.5m；樁長(zhǎng)控制在樁位5～8.5m之間，呈梅花形布置，樁總數(shù)為13090根；按設(shè)計(jì)規(guī)定，砂樁長(zhǎng)度深入持力層內(nèi)0.5m，單樁承載力不能小于300Kpa，復(fù)合地基承載力不能小于150Kpa。擠密砂樁軟基處理施工工期為3個(gè)月。
1.1.1擠密砂樁作用及原理分析
（1）擠密砂樁加固軟基，能起到以下三個(gè)作用：
①擠密作用：靠振動(dòng)力將樁間土擠密，在擠密樁間土的過(guò)程中，砂樁本身也得到擠密。
②復(fù)合地基作用：由于密實(shí)的砂樁與樁間土共同構(gòu)成復(fù)合地基，復(fù)合地基承載能力有較大的提高。
③排水通道作用：擠密砂樁與砂墊層共同組成一個(gè)良好的排水通道，通過(guò)路堤的預(yù)壓，使地基得到固結(jié)。
（2）施工原理。
按照設(shè)計(jì)深度和間距打套管的方法形成砂樁，將管中的砂從管底部帶有活瓣管靴的鋼管沉入地下預(yù)定深度，然后引入壓縮空氣，邊振邊提或提提停停，將管中的砂從管底端活門(mén)壓出并不斷補(bǔ)充，直至形成擠密砂樁體。
形成樁體后，透過(guò)地基土的橫向擠密作用力，減小土的壓縮性，提高土的抗剪強(qiáng)度，改善軟土的粘性和固結(jié)。
1.1.2擠密砂樁施工
（1）施工機(jī)械及材料要求。
①施工機(jī)械：振動(dòng)沉管樁機(jī)。
擠密砂樁施工選用浙江瑞安振沖機(jī)械廠生產(chǎn)的DZ60KSA振動(dòng)沉樁機(jī)，內(nèi)置平底活頁(yè)式樁尖，并設(shè)有二次投料口，該機(jī)激振力為460KN，符合實(shí)際施工要求。根據(jù)機(jī)械能力安排6臺(tái)振動(dòng)沉管樁機(jī)施工，可滿足工期要求。
②材料要求。
砂料控制：砂料進(jìn)場(chǎng)前按驗(yàn)標(biāo)要求進(jìn)行檢驗(yàn)，要求為級(jí)配良好的中粗砂，其含泥量不得大于5%。用于擠密砂樁的砂材料不應(yīng)含有土塊、有機(jī)物或其他有害物質(zhì)。
（2）擠密砂樁施工工藝。
原地面清理→測(cè)量放樣→機(jī)具定位→樁管沉入→加料壓密→拔管→機(jī)具移位。
（3）施工過(guò)程。
①對(duì)樁位進(jìn)行編號(hào)，以成樁先后為序，注明于布樁圖上，然后在場(chǎng)地上放線，用木樁定位，按序號(hào)施工避免張冠李戴。
②導(dǎo)管必須高出設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)3～5米，樁頭活頁(yè)平底式。
③樁機(jī)就位：首先檢查樁機(jī)的平整度和樁管的垂直度，檢查時(shí)采用全站儀按水平、垂直兩個(gè)方向進(jìn)行檢查、調(diào)整，保證樁身的垂直度滿足驗(yàn)標(biāo)要求。進(jìn)行樁位檢查時(shí)，套管橫向、縱向移動(dòng)，使樁尖與樁位對(duì)中，樁位偏差滿足驗(yàn)標(biāo)要求。
啟動(dòng)樁錘電機(jī)振動(dòng)樁錘，使樁管下沉，套管下沉入土后，嚴(yán)格控制沉入深度，確保達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)。套管下沉過(guò)程中，應(yīng)沿導(dǎo)向架，并始終保持同導(dǎo)桿平行，如發(fā)生套管偏斜須及時(shí)扶正套管。
④灌砂：套管插入到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，開(kāi)始上料，上料時(shí)控制灌砂量，按照設(shè)計(jì)砂量的1.1～1.2倍進(jìn)行灌入，若套管中一次裝不下所要灌入的全部砂量，可以在振動(dòng)擠密過(guò)程中補(bǔ)足。向管內(nèi)填砂的同時(shí)，向管內(nèi)通入壓縮空氣，利于砂排出樁外，若排砂不暢通時(shí)，可適當(dāng)加大風(fēng)壓，但當(dāng)撥管快撥出地面時(shí)，減少風(fēng)壓，防止砂料外飄。
⑤撥管、樁管下沉：第一次把套管提升80-100cm，提升時(shí)樁尖自動(dòng)打開(kāi)，套管內(nèi)砂料流入孔內(nèi)。按規(guī)定速度降落樁管，振動(dòng)擠壓15～20s（觀察料斗中砂料變化，如砂料不減少，說(shuō)明樁尖沒(méi)有打開(kāi)，要繼續(xù)提升套管，直到樁尖打開(kāi)為止）。
⑥在孔口部位進(jìn)行反插。同時(shí)，應(yīng)在1m深度處進(jìn)行額外的一次1米提出和再貫入。技術(shù)規(guī)范要求深度小于3米時(shí)套管的提出高度3米，再貫入深度2米。地面至深度3米位置套管的提出高度1.5米，再貫入深度1.0米。
⑦套管內(nèi)部的砂高度與套管端部之間的距離應(yīng)保持在超過(guò)1.5米。
⑧完成該樁灌砂量，套管提至地面，套管移到下一樁位。樁頭部位1m深度以?xún)?nèi)要釬探密實(shí)。
⑨在砂樁施工過(guò)程中如果遇到障礙物打不下去要及時(shí)向工程師上報(bào)，并在50厘米范圍內(nèi)的鄰近位置重新打。如果在附近的位置繼續(xù)打樁，仍然與設(shè)計(jì)的不相符合，則請(qǐng)示工程師及業(yè)主的意見(jiàn)。
1.1.3質(zhì)量控制
擠密砂樁施工不當(dāng)或技術(shù)要領(lǐng)把握不住，極易留下質(zhì)量隱患，嚴(yán)重影響處理效果。
（1）若灌砂量不足，砂的含水率不佳或加水量不足，就會(huì)引起成樁樁身密實(shí)度不足，引起疏松現(xiàn)象。因此要嚴(yán)格控制投砂量，樁管內(nèi)的加水量必須充足。
（2）沉樁時(shí)樁管豎直度不夠，或受鄰樁振沖影響，容易引起已成砂樁傾斜。因此成樁時(shí)要經(jīng)常校正樁管豎直度，相鄰樁應(yīng)間隔跳躍施工，避免相互間震動(dòng)影響。
（3）樁底空松或樁底端料少或無(wú)料會(huì)引起短樁，沉管時(shí)遭遇局部硬土層或孤石，處理不當(dāng)也會(huì)造成樁長(zhǎng)不夠。如果遇到土層或孤石，處理方法最好是即時(shí)停機(jī)，在樁位旁邊試打，確定硬土層范圍，然后考慮變更在領(lǐng)位樁；拔管前必須灌滿砂料，并留振1min。
（4）三次投料不合理，反插深度和次數(shù)有誤會(huì)都會(huì)引起砂樁縮徑，必須改變投料量比例，改變反差深度和次數(shù)以滿足要求。
（5）斷樁是施工中常見(jiàn)病害，造成的原因有反插深度有誤、塌孔、卡管活頁(yè)打不開(kāi)等。要嚴(yán)格按工藝性試樁提供的技術(shù)參數(shù)及成樁步驟控制拔管高度和拔管進(jìn)度，否則易出現(xiàn)斷樁，不能保證樁身的連續(xù)性。要經(jīng)常整修活頁(yè)，使活頁(yè)開(kāi)啟靈活打開(kāi)，防止卡管。
（6）全過(guò)程實(shí)行旁站監(jiān)督，嚴(yán)格控制樁身垂直度、樁位偏差、樁長(zhǎng)及砂料灌入量，作好施工記錄，并按照驗(yàn)標(biāo)規(guī)定的檢驗(yàn)數(shù)量和檢驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，確保樁的質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。
（7）在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時(shí)反映給工程師，并會(huì)同有關(guān)的技術(shù)人員協(xié)商處理。
1.1.4施工中出現(xiàn)的問(wèn)題及處理
成樁施工完成后，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，高度約1.0～1.2m，表明土介質(zhì)含水量增高，施工擾動(dòng)土介質(zhì)，土體強(qiáng)度下降。如不進(jìn)行填土加載，復(fù)合地基功效不明顯。通過(guò)土體上方荷載作用，能使軟土地基承載力提高。
1.1.5施工體會(huì)
當(dāng)我們?cè)诘乇碛杏矚で液穸冗_(dá)5～8m以上的軟土地段進(jìn)行擠密砂樁施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)效果理想，達(dá)到預(yù)期要求。
擠密砂樁具體價(jià)格實(shí)惠、原材料來(lái)源廣等特點(diǎn)，施工時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生粉塵、噪音，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成影響，其不足之處是預(yù)壓時(shí)比較長(zhǎng)。
1.2粉體攪拌樁施工
本工程需要進(jìn)行粉噴樁軟基處理施工的路段長(zhǎng)1.205公里，起止樁號(hào)為K5+150～K6+355。
根據(jù)施工方案及設(shè)計(jì)要求，本工程粉體攪拌樁樁身的設(shè)計(jì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為R28=0.8Mpa；R90=1.2Mpa。粉噴樁樁徑為0.5m；根據(jù)地質(zhì)情況，樁距定為1.3m，樁長(zhǎng)8.5～19m不等，穿透軟土層并深入持力層（粘土質(zhì)礫石層）內(nèi)0.5m，呈梅花形布置，樁基總數(shù)為13656根，施工工期為4個(gè)月。
1.2.1粉體攪拌樁作用及原理分析
（1）粉體攪拌樁作用。
利用固化材料可提高加固土的早期強(qiáng)度，大大縮短工期，由于固結(jié)屈服應(yīng)力很大，故上部承重時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生固結(jié)沉降。
（2）原理。
水泥粉噴樁主要原理是通過(guò)專(zhuān)用的粉體攪拌機(jī)械向軟弱土層注入水泥粉狀加固原料，讓加固材料與軟弱土混合、壓密，通過(guò)產(chǎn)生一系列凝聚、化學(xué)作用，達(dá)到強(qiáng)化樁基、提高復(fù)合地基承載力的效果。目前主要采用深層攪拌水泥粉噴樁技術(shù)對(duì)軟基進(jìn)行加固。它通過(guò)粉體吸收軟土中的水分，將固化劑和原地基軟土就地?cái)嚢杌旌?，達(dá)到加固的目的。
1.2.2水泥粉噴樁施工
（1）主要施工機(jī)具及材料要求。
1）主要施工機(jī)具。
機(jī)具設(shè)備：噴粉樁機(jī)及配套水泥罐、灰罐及噴粉系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)等。噴粉樁機(jī)由液壓步履式底架、井架和導(dǎo)向加減壓機(jī)構(gòu)、鉆機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、鉆具、液壓系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等部分組成。根據(jù)機(jī)械施工能力，采用6臺(tái)PH-5B深攪鉆機(jī)，可滿足工期要求。
2）材料要求。
①?lài)姺凼褂玫姆垠w固化劑為32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥具有出廠質(zhì)量保證單，確保在有效期內(nèi)使用，并按規(guī)范抽檢頻率抽檢合格，嚴(yán)禁使用過(guò)期、受潮、結(jié)塊變硬的劣質(zhì)水泥。
②粉噴樁加固土室內(nèi)配合比試驗(yàn)已完成，試驗(yàn)配合比批復(fù)為：每延米水泥用量為55kg。
（2）施工工藝。
原地面整理→測(cè)量放樣→機(jī)具定位對(duì)中→鉆進(jìn)→噴粉攪拌提升→復(fù)拌→機(jī)具移位。
（3）施工過(guò)程。
①定位：平整場(chǎng)地將攪拌機(jī)移到樁位調(diào)平機(jī)位、對(duì)中。
②預(yù)攪鉆進(jìn)下沉：?jiǎn)?dòng)攪拌鉆機(jī)，使鉆頭正向轉(zhuǎn)動(dòng)鉆進(jìn)勻速下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高為止。
③噴粉攪拌提升，當(dāng)深層攪拌機(jī)下沉到設(shè)計(jì)深度時(shí)開(kāi)啟空壓機(jī)待氣粉混和物到達(dá)噴口時(shí)按確定的提升速度開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)反鉆邊噴灰，邊提升攪拌機(jī)。
④重復(fù)攪拌：攪拌機(jī)噴灰反轉(zhuǎn)提升至原地面以下50cm時(shí)，關(guān)閉空壓機(jī)。為使軟土和固化劑攪拌均勻，再次將攪拌機(jī)鉆進(jìn)下沉，直至設(shè)計(jì)深度，再將攪拌機(jī)按規(guī)定速度反轉(zhuǎn)提升出地面。
⑤移位，準(zhǔn)備打下一根樁。
1.2.3質(zhì)量控制
（1）做好粉體攪拌樁的質(zhì)量控制，應(yīng)從施工機(jī)械、加固料、施工工藝等方面進(jìn)行分析與控制，并嚴(yán)格執(zhí)行，以保證效果達(dá)到預(yù)期要求。
（2）在進(jìn)行粉體攪拌樁施工前，應(yīng)通過(guò)室內(nèi)配合比試驗(yàn)，確定施工所用噴粉量。
（3）水泥摻入量應(yīng)依土樣天然含水量、孔隙比的不同而定。本工程經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，確定每為摻灰量45Kg、55Kg、65Kg均能滿足28d強(qiáng)度要求，實(shí)際施工摻灰量采用55Kg/m。
（3）每根樁開(kāi)鉆后必須連續(xù)施工，嚴(yán)格控制噴灰及?；視r(shí)間，不得間斷，嚴(yán)禁在尚未噴灰的情況下進(jìn)行提升作業(yè)，以確保粉體樁的長(zhǎng)度。
（4）如有故障等原因而中斷噴粉應(yīng)記錄中斷深度，必須進(jìn)行復(fù)打，重打重疊段不小于1.0m。
（5）經(jīng)粉體攪拌樁施工處理的地基，必須在施工完成30d后，才能進(jìn)行填土及其它構(gòu)造物的施工。
1.2.4施工體會(huì)
該施工方法的特點(diǎn)是能有效利用原土，攪拌時(shí)地基土側(cè)不會(huì)外擠，施工不會(huì)產(chǎn)生噪音、振動(dòng)、污染。此外，加固后土體重度基本不變，不會(huì)產(chǎn)生沉降。
1.3本工程軟基處理方法技術(shù)分析
1.3.1擠密砂樁與粉體攪拌樁兩種軟基處治的技術(shù)比較詳見(jiàn)表1
表1 技術(shù)比較
由表1分析可以得出以下結(jié)論：
（1）依據(jù)施工工期要求，擠密砂樁預(yù)壓期要比粉噴樁明顯長(zhǎng)，差不多近3倍。
（2）當(dāng)路堤填至設(shè)計(jì)路槽高度后采用等載預(yù)壓，擠密砂樁沉降量明顯高于粉噴樁。
（3）粉噴樁的單樁承載力及復(fù)合地基承載力只要達(dá)到齡期后就能滿足設(shè)計(jì)與使用要求；而擠密砂樁必須在預(yù)壓排水固結(jié)完成后，才能達(dá)到設(shè)計(jì)與使用要求。
1.3.2由本段實(shí)測(cè)沉降觀測(cè)值（見(jiàn)表2）
表2 沉降觀測(cè)記錄
可以看出擠密砂樁的沉降量明顯高于粉噴樁。在相同的開(kāi)始時(shí)間觀測(cè)（表中2月份），粉噴樁的沉降量在第7個(gè)月（表中8月份）基本穩(wěn)定，而擠密砂樁的沉降量在第10個(gè)月（表中11月份）才基本穩(wěn)定。
從目前省內(nèi)軟基施工的情況來(lái)看，凡是采取排水固結(jié)方式處理軟基的，其固結(jié)時(shí)間均較長(zhǎng)，大部分地段完工后繼續(xù)沉降，時(shí)間有的數(shù)年之久。因此從技術(shù)上比較，粉噴樁更能滿足高速公路的使用要求。
1.3.3兩種施工方法的經(jīng)濟(jì)效益分析
通過(guò)本工程完成后，對(duì)比兩種施工方法的成本分析，得出以下結(jié)論：
（1）粉噴樁預(yù)壓期比擠密砂樁施工期短，能使工期減小，施工進(jìn)度加快，使工程提早完成，盡早產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
（2）從沉降量對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)，擠密砂樁沉降量比較大，導(dǎo)致土方成本增加，沉降量與土方成本成正比。
（3）從樁單價(jià)成本分析，粉噴樁比擠密砂樁高，但在相同面積時(shí)，擠密砂樁施工樁位布置比粉噴樁位置密。就本工程而言，雖然擠密砂樁單樁每米單價(jià)雖然比粉噴樁少，但單位面積樁的總價(jià)比粉噴樁高近40%，因此擠砂樁的造價(jià)明顯比粉噴樁高。
2.結(jié)束語(yǔ)
目前在高速公路建設(shè)中，通常采用擠密砂樁和粉噴樁作為治理軟基的施工方案。在制定道路軟基施工方案時(shí)，應(yīng)充分考慮工程所在地的具體地質(zhì)情況，特別是考慮預(yù)壓期、施工沉降量情況、每米樁長(zhǎng)單價(jià)、處理后的地基承載力等多種因素。另外，還要進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的對(duì)比分析，經(jīng)綜合研究后，確定合適的施工方案。
【參考文獻(xiàn)】
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