粉噴樁加固流塑狀軟土地基的試驗(yàn)研究

張家柱，　代世軍

(1.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥　230088；2.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠　233000)

粉噴樁加固流塑狀軟土地基的試驗(yàn)研究

張家柱1，2，代世軍1，2

(1.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥230088；2.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠233000)

摘要:天然地基的含水率高達(dá)48.2%～64.2%的流塑狀軟土地基，選擇采用粉噴樁進(jìn)行加固處理，通過選擇合理的加固方法和合適的施工工藝控制參數(shù)，使得加固后的粉噴樁外觀整齊，樁身灰土均勻，未出現(xiàn)樁身傾斜和斷樁等不良現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合地基承載力特征值fspk≥150kPa, 是加固前天然地基承載力的2.50倍以上；壓縮模量是加固前天然地基的7倍以上，大大地減少了建筑物的沉降量和不均勻沉降量，達(dá)到了預(yù)期的效果，采用粉噴樁處理流塑狀的軟土地基是可行的。

關(guān)鍵詞:軟土地基；粉噴樁；承載力特征值；控制參數(shù)；效果分析

0引言

1加固方案的確定

1.1方案的選擇

建筑物基礎(chǔ)底面以下為② 層淤泥及淤泥質(zhì)土,厚度6.0m左右,呈流塑狀。根據(jù)上部荷載計算出基礎(chǔ)底面以下的地基承載力特征值不小于130kPa。故選用水泥粉體攪拌法(粉噴樁,下同)進(jìn)行加固處理。其主要設(shè)計參數(shù)指標(biāo)為:樁徑500mm,樁中心距1.0m,呈梅花型布樁,樁身穿過② 層淤泥及淤泥質(zhì)土層進(jìn)入③ 層粉質(zhì)黏土層的深度不小于1.50m。樁身水泥土28d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.70MPa。樁頂高程為13.60m,樁底高程6.10m,有效樁長7.5m。

1.2粉噴樁復(fù)合地基承載力復(fù)核

(1)單樁豎向承載力特征值計算。依照樁周土和樁端土的抗力確定單樁豎向承載力特征值為:

(1)

其中,up為樁的周長,m;up=πD=1.57m;qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa,按本次勘察報告取q1=5kPa, q2=15kPa;lsi為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度，m,按本次勘察報告取l1=6m,l2=1.5m;αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù),按本次勘察報告提供的土層特性取αp=0.5;qp為樁端端阻力特征值，kPa,按本次勘察報告取qp=160kPa。

則Ra=1.57(5×6+15×1.5)+0.5×160×0.25×3.14×0.502=82.4+15.7=98.1kN

依照樁身材料的強(qiáng)度確定的單樁豎向承載力特征值為:

(2)

其中,fcu為樁身同配比的立方體抗壓強(qiáng)度,MPa,fcu取1.70MPa;η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù),η取0.25。

則Ra=ηfcuAp=0.25×1700×0.25×3.14×0.502=83.4kN

故復(fù)核計算時Ra取83.4kN。

(2)復(fù)合地基承載力特征值計算。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的規(guī)定,按式(3)計算復(fù)合地基承載力特征值:

(3)

其中，λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù),按本次勘察報告提供的土層特性取0.90;Ra為單樁豎向承載力特征值，kPa,由式(1)計算結(jié)果Ra=83.4kN;m為面積置換率,m=22.7%;β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù),按本次勘察報告提供的土層特性取1.0;fsk為樁間土承載力特征值,kPa,按本次勘察報告取fsk=60kPa。

滿足加固要求。

2粉噴樁的主要施工工序及控制措施

2.1水泥土的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)選取粉噴樁樁身穿過的② 層土中的代表性試樣進(jìn)行室內(nèi)水泥土的配合比試驗(yàn),28d齡期水泥土的摻入量與無側(cè)向抗壓強(qiáng)度成果如表1所列。

表1　水泥土室內(nèi)配合比試驗(yàn)成果

2.2施工工藝控制參數(shù)

根據(jù)表1水泥土的室內(nèi)配合比試驗(yàn)成果,經(jīng)比較分析,擬定粉噴樁在② 層淤泥及淤泥質(zhì)土的水泥摻入量按16%,施工摻入量按照室內(nèi)配合比試驗(yàn)摻入量增加1%,故施工控制摻入量為17%。施工中的主要控制參數(shù)指標(biāo)如表2所列。

表2　粉噴樁主要工序控制參數(shù)

2.3主要施工工序及控制措施

(1)施工場地平整。由于被加固的土層為流塑狀的淤泥和淤泥質(zhì)軟土,為了避免施工過程中樁機(jī)的移動造成對未凝固水泥土樁身的擠壓破壞,產(chǎn)生斷樁現(xiàn)象,將建基面以上的雜物等清除后采用素土回填并壓實(shí),回填素土厚度不小于1.50m。

(2)施工分序。為了避免施工中振動、攪拌對相鄰樁體的影響,粉噴樁的施工中采用間隔跳打的方式進(jìn)行。2序樁與1序樁之間的施工間隔時間>24h。

(3)持力層位置的確定。為了保證樁端進(jìn)入持力層位置,施工中對持力層位置的確定標(biāo)準(zhǔn)必須同時滿足下列兩方面要求,一是進(jìn)入③ 層粉質(zhì)黏土不少于1.50m,二是鉆進(jìn)采用3檔時的電流表電流值達(dá)到70～80A,并持續(xù)鉆進(jìn)30s以上。

(4)樁底留灰。當(dāng)鉆進(jìn)達(dá)到樁底時,原位攪拌使樁底土體充分松動、粉碎,不提升邊攪拌邊送灰,使得樁底留灰量不少于60kg。

(5)噴灰提升。為保證樁身噴灰的均勻性,噴灰采用“2噴2攪”的方式進(jìn)行,即第1次鉆進(jìn)達(dá)到孔底后,提升噴灰,噴灰量按照30kg/m控制,當(dāng)噴灰達(dá)到樁頂后再下沉噴灰,噴灰量仍按照30kg/m控制,直至樁底。噴灰時均采用3檔位均速提升,從而使樁身達(dá)到規(guī)定配合比的水泥摻入量。

(4)停止送灰。每次噴灰的停灰面均需達(dá)到樁頂設(shè)計標(biāo)高500mm以上。

(5)復(fù)攪下沉。噴灰攪拌完成后,再對樁身全程進(jìn)行1次復(fù)攪。

(6)意外?；业奶幚?。施工過程中,因故?；視r,需及時查明原因,在恢復(fù)送灰前將攪拌頭下沉至停灰點(diǎn)以下0.50m處,恢復(fù)供灰時,再噴灰攪拌提升。

3效果檢驗(yàn)及分析

3.1樁身水泥土的輕便觸探試驗(yàn)

施工過程中對樁身水泥土采用輕便觸探試驗(yàn)的方法[3]進(jìn)行檢驗(yàn),為了避免將已凝固的水泥土樁身

圖1　1d齡期樁身水泥土、天然地基土N10關(guān)系圖

打碎而破壞,在樁身水泥土齡期達(dá)到24h后,即進(jìn)行輕便觸探試驗(yàn),從而確定樁身噴灰量的均勻性和水泥土強(qiáng)度,圖1所示的是1d齡期樁身水泥土與天然地基土N10(貫入度10cm,下同)關(guān)系圖。

由圖1可知:貫入度10cm時水泥土樁身1d齡期的錘擊數(shù)為11～40擊,平均值為20.4擊,離差系數(shù)0.45,與其對應(yīng)的加固前天然地基土的錘擊數(shù)為3～10擊,平均值為5.38擊,離差系數(shù)0.42。樁身水泥土的錘擊數(shù)普遍高于對應(yīng)處天然地基土,說明樁身水泥土噴灰和攪拌是均勻和連續(xù)的,隨著齡期的增加樁身水泥土的強(qiáng)度會逐漸增大。由圖中看出樁身深度1.50m～2.0m處錘擊數(shù)偏高是因?yàn)樵撎烊坏鼗翆又袏A有簿層粉土層所致。

3.2開挖檢查及樁身水泥土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

粉噴樁施工完成將樁體開挖至設(shè)計標(biāo)高后,選擇10根樁沿樁周開挖至樁頂以下1.5m,暴露整個樁體經(jīng)檢查和觀測:水泥土攪拌樁外觀整齊,灰土均勻,未見樁身傾斜和斷樁等不良現(xiàn)象。設(shè)計樁徑為500mm,實(shí)測樁徑為508mm～522mm,均大于設(shè)計樁徑。同時采用鉆機(jī)連續(xù)抽取粉噴樁樁身水泥土芯樣,觀測樁身為比較堅硬的水泥土凝結(jié)體,強(qiáng)度較高,樁身芯樣較完整、連續(xù)。樁身部位水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度成果如表3所列。

表3　樁身水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果

3.3單樁豎向承載力試驗(yàn)

在場地上隨機(jī)地選擇3根單樁進(jìn)行垂直靜載荷試驗(yàn)。采用“慢速維持荷載法”加(卸)荷載,最大試驗(yàn)荷載200kN。試驗(yàn)成果如表4所列。

表4　單樁靜載荷試驗(yàn)成果

由表4的試驗(yàn)結(jié)果可知:單樁極限承載力特征值Qu≥200 kN;在承載力特征值100kN作用下,相應(yīng)的樁頂沉降量為2.64mm～5.83mm。

3.4單樁復(fù)合地基承載力試驗(yàn)

場地上隨機(jī)地選擇3處試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行單樁復(fù)合地基和1處試驗(yàn)點(diǎn)天然地基進(jìn)行垂直靜載荷試驗(yàn)[4],承壓板面積等于1根單樁所承擔(dān)的處理面積,均采用邊長為930mm×930mm正方形鋼質(zhì)承壓板,剛度滿足試驗(yàn)要求。采用“慢速維持荷載法”加(卸)荷載,試驗(yàn)成果如表5所列。

表5　單樁復(fù)合地基和天然地基的試驗(yàn)成果

由表5試驗(yàn)結(jié)果可知:場地上單樁復(fù)合地基的極限承載力特征值fspk≥300kPa。在承載力特征值fak=150kPa作用下,產(chǎn)生的沉降量為1.26 mm～4.19mm。

3.5加固效果分析

(1)開挖出的樁身檢查和觀測結(jié)果。粉噴樁外觀整齊,樁身灰土均勻,未見樁身傾斜和斷樁等不良現(xiàn)象。實(shí)測樁徑均大于設(shè)計樁徑。樁身水泥土勻、連續(xù)。加固后的樁身水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.96～2.65MPa。

(2)施工過程中抽檢的樁身輕便觸探檢查結(jié)果。樁身水泥土均勻、連續(xù),未見樁身有夾泥和水泥富集現(xiàn)象。樁身1d齡期的錘擊數(shù)N10較天然地基提高了3～4倍左右,隨著水泥土齡期的增加,樁身水泥土強(qiáng)度的增加幅度會更大,粉噴樁在軟土地基中起到了增強(qiáng)體的作用。

(3)特征值。加固后的水泥土單樁承載力特征值達(dá)到100kN以上;單樁復(fù)合地基的極限承載力特征值≥300kPa,復(fù)合地基承載力特征值fak≥150kPa;是加固前天然地基承載力的2.50倍以上,滿足設(shè)計要求,達(dá)到了預(yù)期的加固效果。

(4)壓縮模量。由復(fù)合地基和天然地基的靜載荷試驗(yàn)得出加固后的復(fù)合地基的壓縮模量到達(dá)27.35～90.98MPa,是加固前天然地基壓縮模量的7倍以上,減少了建筑物的沉降量和不均勻沉降量。

4結(jié)論

對于呈流塑狀的淤泥及淤泥質(zhì)土,通過選擇合理的加固方法和合適的施工工藝控制參數(shù),能夠達(dá)到理想的預(yù)期加固效果。本工程的實(shí)踐證明:加固后水泥土粉噴樁外觀整齊,樁身灰土均勻,未出現(xiàn)樁身傾斜和斷樁等不良現(xiàn)象;單樁的承載力特征值fak≥100kN;單樁復(fù)合地基的承載力特征值fspk≥150kPa, 是加固前天然地基承載力的2.50倍以上;復(fù)合地基的壓縮模量Es達(dá)到27.35～90.98 MPa,是加固前天然地基壓縮模量的7倍以上;大大地減少了建筑物的沉降量和不均勻沉降量,采用粉噴樁處理呈流塑狀的淤泥及淤泥質(zhì)土地基是可行的。

[參考文獻(xiàn)]

[1]JGJ79-2012,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2]SL237-1999,土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3]GB50021-2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

[4]GB50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯陳化鋼)

Experimental study on the soft soil foundation reinforced by powder injection pile

ZHANG Jia-zhu1，2，DAI Shi-jun1，2

(1.Anhui Construction Engineering Quality Supervision and Inspection Station，Hefei 230088，China；2.Anhui and Huaihe River Water Resources Research Institute, Bengbu 233000，China)

Abstract:Water natural foundation rate is as high as 48.2% to 64.2% of the flowing plastic soft soil foundation, selected by spray powder pile reinforcement, the reinforcement method and construction technology of suitable control parameters by choosing the reasonable, the pile reinforcement of the neat appearance, the pile soil is not uniform, the obliquity of the pile and broken pile and other undesirable phenomena. The test results show that: the value of fspk is more than or equal to the bearing capacity of the 150kPa composite foundation, bearing capacity is strengthened the natural foundation for more than 2.50 times; the compression modulus is 7 times more than before the reinforcement of natural foundation, greatly reducing the ground settlement and uneven settlement, to achieve the desired results, the method of powder injection is feasible. Pile in soft soil foundation treatment of plastic flow of the.

Key words:soft foundation；powder jet pile；characteristic value of bearing capacity；controlling parameter；effect analysis

收稿日期：2016-01-14；修回日期：2016-01-15

作者簡介：張家柱(1964-)，男，安徽全椒人，巖土工程碩士，高級工程師，國家注冊土木工程師(巖土)，現(xiàn)從事地基處理、巖土工程試驗(yàn)研究工作。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2016.02.002

中圖分類號：TU447

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-6221(2016)02-0006-05