粉噴樁技術(shù)在高速公路軟基處理中的應(yīng)用分析

呂鵬華

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100097)

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粉噴樁技術(shù)在高速公路軟基處理中的應(yīng)用分析

呂鵬華

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京100097)

粉噴樁技術(shù)是地基工程中常用的一種地基加固技術(shù)，對軟基處理簡單有效。文章闡述了粉噴樁技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與加固機(jī)理，并以廣東某高速公路工程為例，介紹了粉噴樁技術(shù)在高速公路軟基處理中的施工工藝及質(zhì)量控制方法。

粉噴樁；高速公路；軟基處理；施工工藝

0　引言

隨著我國高速公路建設(shè)步伐的不斷加快，公路線路需穿過的地質(zhì)地形條件愈來愈復(fù)雜多變。軟土地基是公路建設(shè)中普遍會遇到的地質(zhì)問題，如何根據(jù)軟土地基的不同特征，使用適合的處理方法，保證工程質(zhì)量和安全是工程項(xiàng)目的重中之重。目前，國內(nèi)常用的地基加固方法有粉噴樁法、堆載預(yù)壓法、強(qiáng)夯法、換填法等。其中，粉噴樁固基法具有施工速度快、時間短、沉降小、對相鄰建筑物無不利影響等特點(diǎn)，被廣泛用于國內(nèi)公路路基加固工程中。

1　軟土固基技術(shù)

由于軟土地層通常壓縮性高、含水量高、抗剪強(qiáng)度小、排水固結(jié)穩(wěn)定性差，導(dǎo)致其地基承載力低。當(dāng)這樣的軟土路基受到上部荷載時，穩(wěn)定性極差，通常會發(fā)生大規(guī)模的不均勻沉降，并且持續(xù)時間較長。所以，在軟土地基上修筑公路時必須對地基進(jìn)行加固處理[1]。

1.1粉噴樁技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

常用的地基加固措施分為土質(zhì)改良和復(fù)合地基兩種。實(shí)踐證明，對于高速公路這類工期較緊的工程，利用水泥土攪拌樁復(fù)合地基對軟土地基有良好的治理效果，但處理費(fèi)用也相對較高。水泥攪拌樁是由水泥與軟土攪拌形成的固結(jié)樁，分為深層攪拌樁(水泥漿與軟土)和粉噴樁(水泥粉與軟土)。

粉噴樁是一種新型軟土加固技術(shù)，我國于1977年開始由國外引進(jìn)，1984年首次在鐵路專線軟土地基上應(yīng)用成功，1992年在全國范圍內(nèi)推廣。目前，該技術(shù)在鐵路公路修筑、港口碼頭、市政及民用建筑地基處理的應(yīng)用中取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1.2粉噴樁技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

粉噴樁技術(shù)經(jīng)各國的廣泛研究應(yīng)用，已經(jīng)十分完善，成為水中、陸地、地基、基坑皆宜的軟土處理技術(shù)。該技術(shù)的加固深度和加固效果與施工設(shè)備的優(yōu)劣程度有直接關(guān)系，具有施工簡便、工期短的優(yōu)點(diǎn)，且在施工時無振動、無噪音、無土體位移，對工程環(huán)境影響很小。隨著技術(shù)的不斷成熟，施工成本也逐漸降低。研究實(shí)踐表明，粉噴樁加固軟土地基技術(shù)能有效減少工程地基施工前后的總沉降量，比其它軟基處理方法具有更顯著的優(yōu)越性。這些優(yōu)點(diǎn)決定了該項(xiàng)技術(shù)在軟弱地基加固處理中有著廣闊的發(fā)展前景和旺盛的生命力。

1.3粉噴樁復(fù)合地基加固機(jī)理分析

當(dāng)軟土地基受到上部荷載作用時，軟土由于高壓縮性發(fā)生固結(jié)而引起體應(yīng)變，以及由于土體受剪而引起剪應(yīng)變，加上地層土體的不均勻性，地基會發(fā)生各種各樣的變形，并且其中的剪應(yīng)力和變形會隨著路堤的填筑引起的載荷增加而不斷增大，當(dāng)達(dá)到一定程度時，就會引起地基的整體失穩(wěn)破壞。軟土加固處理的目的是改善軟土的特性，提高其抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，減小沉降和不均勻沉降，使路堤不致發(fā)生破壞或較大變形。水泥粉噴樁的工作機(jī)理如下：

(1)樁體作用。鉆頭噴出的水泥粉與軟土混合攪拌后形成了粉噴樁。由于樁體的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及剛度都要大于樁體周圍的軟土基，在路堤重力載荷下，樁體首先著力支撐，應(yīng)力也在樁體上表面集中，樁體承受了大部分的填土載荷，使得軟土基應(yīng)力減小，經(jīng)處理地基的總體承載力有所提高，沉降量減小，這種作用稱為樁體效應(yīng)或置換作用[3]。

(2)墊層作用。粉噴樁樁體與軟土層形成了一個復(fù)合地層，該地層的力學(xué)性能由于天然軟基地層，有著增大應(yīng)力擴(kuò)散角和均勻應(yīng)力的作用。如果樁體沒有貫穿此復(fù)合地層，則加固效果更加明顯。

(3)擠密作用。樁體在攪拌施工成形過程中，需不斷地集中注水，樁體中的水泥粉吸水后會發(fā)熱膨脹，對周圍軟土起到擠密的作用。

(4)加筋作用。樁體不僅提高了地基承載力，同時提高了土體的抗剪能力，增強(qiáng)了地基穩(wěn)定性。

2　工程應(yīng)用

2.1工程地質(zhì)

廣東某高速公路修筑過程中對橋梁兩側(cè)軟基地質(zhì)進(jìn)行處理。地質(zhì)情況見表1。

表1　施工區(qū)域地質(zhì)概況數(shù)值表

注：f為容許承載力基本值；E為壓縮模量。

2.2施工機(jī)械

粉噴樁的施工質(zhì)量同機(jī)械密不可分，其施工機(jī)械主要有：鉆機(jī)、空氣壓縮機(jī)、粉體發(fā)送器等。本工程使用SP-5A型大扭矩粉噴樁機(jī)，主電機(jī)功率45 kw，粉體發(fā)送器功率1.5 kw，地基加固深度18 m，樁體直徑500 mm，鉆桿規(guī)格125 mm×1 260 mm，原料罐體容量1.3 m3。鉆機(jī)是主要施工機(jī)械，要求鉆進(jìn)快，扭矩大，鉆頭破土能力強(qiáng)，鉆桿可以勻速提升，噴灰時能與土壤充分?jǐn)嚢杈鶆?，在鉆頭提至地面時不會使粉灰和土壤翻升[4]。

粉體發(fā)送器是用來定時定量發(fā)送水泥粉的設(shè)備，由空氣壓縮機(jī)和氣水分離器提供高壓的干風(fēng)，風(fēng)量由節(jié)流閥控制，在喉管處由“轉(zhuǎn)鼓”定量放出粉體，然后與高壓干燥空氣充分混合成噴射原料。原料通過管路及旋轉(zhuǎn)接頭，經(jīng)空心鉆桿由鉆頭噴口噴入鉆孔，與軟土攪拌混合(見圖1)。

粉料的配比比例以及供風(fēng)量須按照實(shí)際工程地質(zhì)條件，在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)后方可確定應(yīng)用[5]。

圖1　粉體發(fā)送器原理示意圖

2.3軟基處理施工方案

在橋頭兩側(cè)軟基段采用粉噴樁處理，設(shè)計(jì)方案為：圓柱形粉噴樁直徑為0.5 m，呈梅花形布列，設(shè)計(jì)樁間距為1.5 m，樁深度為12 m，固化材料選用普通硅酸鹽水泥，粉噴樁水泥的用量控制在48～50 kg/m。

工藝參數(shù)如下：

(1)鉆進(jìn)速度：V=0.5～0.8 m/min；

(2)提升速度：VP=0.5～1.0 m/min；

(3)攪拌速度：R=2 000～5 000 cm/min；

(4)空氣壓力：P=0.3～0.8 MPa。

開始鉆進(jìn)時，只送風(fēng)不噴送水泥粉體，初始風(fēng)壓為0.1～0.2 MPa，風(fēng)量為20 L/s，鉆機(jī)立軸轉(zhuǎn)速30～50 r/min，鉆進(jìn)速度應(yīng)≤1 m/min。然后提升噴粉，應(yīng)控制提升速度為0.8 m/min，轉(zhuǎn)速50～60 r/min，風(fēng)量為18 m3/min，灰罐管路壓力差為0.02～0.05 MPa，灰罐料斗壓力為0.4～0.5 MPa，管路風(fēng)壓為0.1～0.2 MPa。

2.4施工工藝流程

(1)確定施工路段邊線樁，并在現(xiàn)場標(biāo)示清楚，平整地面作為粉噴樁施工現(xiàn)場。

(2)按照設(shè)計(jì)圖紙，準(zhǔn)確定出樁位，并校準(zhǔn)。

(3)粉噴樁正式施工前打10根樁進(jìn)行試樁，試樁完成28 d進(jìn)行檢測，合格后以試樁的數(shù)據(jù)指導(dǎo)進(jìn)行正式施工。

(4)安裝鉆機(jī)，調(diào)試設(shè)備，調(diào)整地面平整度及鉆機(jī)導(dǎo)向架的角度，保證成形的粉噴樁符合垂直設(shè)計(jì)的要求。

(5)攪拌機(jī)開機(jī)預(yù)攪下沉，鉆進(jìn)過程中一般不沖水，如果遇到堅(jiān)硬土層必須沖水時，應(yīng)上報工程師，對沖水對樁身強(qiáng)度的影響進(jìn)行評估。

(6)待鉆頭下沉至設(shè)計(jì)深度后，啟動輸粉泵，將水泥灰按設(shè)計(jì)用量及次數(shù)，在規(guī)定深度，由噴灰口連續(xù)噴射同時經(jīng)攪拌頭攪拌均勻，當(dāng)鉆頭提升至距地面0.5 m處停止噴粉。

(7)重復(fù)上述工序完成多個攪拌樁，最后用土回填樁頭，并進(jìn)行壓實(shí)養(yǎng)護(hù)。

(8)派專人記錄泵送灰料的時間、用量以及具體施工情況，如發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作或不符合施工要求的情況應(yīng)及時采取措施，進(jìn)行調(diào)整，確保成樁質(zhì)量。

(9)粉噴樁全部打完后，對每一根進(jìn)行質(zhì)量檢測。

3　結(jié)語

本文通過對廣東某高速公路軟基地質(zhì)采用粉噴樁技術(shù)進(jìn)行處理，取得了良好的加固效果，表明粉噴樁工藝可以大大提高淤泥土質(zhì)、粉質(zhì)黏土等軟土的承載力，有效控制地基變形與下沉，具有很好的應(yīng)用推廣價值。

[1]孫杰，王德慶，黃可良.粉噴樁處理淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂軟基技術(shù)[J].市政技術(shù)，2011(S1)：1-3.

[2]王銀鋼.淺談高等級公路粉噴樁處理軟基施工技術(shù)[J].甘肅科技，2014(6)：110-112.

[3]張娜，李博.試論粉噴樁技術(shù)在高速公路軟基處理中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2014(23)：69-70.

[4]張磊.粉噴樁技術(shù)在高速公路軟基處理中的應(yīng)用[J].科技廣場，2010(9)：198-200.

[5]余朝蓬.軟基處理中的粉噴樁施工技術(shù)研究[J].城市道橋與防洪，2008(7)：108-110.

Application Analysis of DJM Technology in Soft Foundation Treatment of Expressways

LV Peng-hua

(China Highway Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Beijing，100097)

DJM technology is a common foundation reinforcement technology in foundation engineering，which is simple and effective for soft foundation treatment.This article discussed the advantages and re-inforcement mechanism of DJM technology，and with an expressway project in Guangdong as an example，it discussed the construction process and quality control method of construction of DJM technology in soft foundation treatment of expressways.

DJM；Expressway；Soft foundation treatment；Construction technology

U416.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.011

1673-4874(2016)03-0041-03

2016-02-05

呂鵬華(1981—)，研究方向：公路路基路面。