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淺談粉噴樁處理軟基

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淺談粉噴樁處理軟基
在江蘇省如港一級公路中的應用
李虎成
[摘要]  本文結合江蘇省如港一級公路軟土處理的實踐,對粉噴樁處理軟基的設計與計算進行了詳細論述。
關鍵詞:粉噴樁  軟基  加固  復合地基
1、概述
如港一級公路全長33.59公里,路線所在地區在地貌上屬長江三角洲沖積平原,地形平坦開闊,地層主要為第四系全新統長江三角洲沖洪積層,土層結構簡單,分布比較均勻。軟土主要分布于K31+090~K35+390、K36+460~K37+720、及K38+220~K39+966.760段,軟土層最厚達14.0米。若不做地基處理,計算最大總沉降量達47.26cm,為保證工期、滿足工后沉降量的要求,在軟土較深、工后沉降較大路段采用粉噴樁處理。
2、地質概況
軟土呈軟塑-流塑狀,局部粉質含量較高,夾有粉、細砂薄層,具層理,一般承載力40~80kPa。靈敏度0.5~5,孔隙比為0.92~1.2,分布于地表以下2~14m范圍內;一般上部有硬殼1~2m,為Ⅱ級普通土。軟土具有含水量高,孔隙比大,抗剪強度低,承載力低,壓縮性高等特點。其主要物理力學指標如表1:
表1軟土層主要物理力學指標表
項    目 數值范圍 均值/標準差 項    目 數值范圍 均值/標準差
天然含水量ω(%) 31.2~39.3 34/2.2 固 結快 剪 φg ( o ) 18.1~37.3 26.8(均值)
孔隙比 e 0.92~1.2 1.02/
0.25  Cg (kPa) 6.6~47.2 12.2(均值)
塑性指數Ip(%) 7.7~16.1 13.09/2.7 快  剪 φ( o ) 8.8~37.3 15.4(均值)
飽和度(%) 96.8~100 97/7.2  C(kPa) 1.4~38.8 14.6(均值)
液限ωL(%) 26.4~39.4 34.3/2.6 壓縮摸量Es   (Mpa) 3.41~19.8 7.73/4.4
天然容重(g/cm3) 1.85~2.01 1.91/0.2 壓縮系數a0.1~0.2 ( MPa-1) 0.09~0.54 0.31/0.13
塑限ωp(%) 20.5~23.1 21.6/0.98 無側限制抗壓強度(kPa) 14.5(均值)
滲透系數K 垂直(cm/s×10-5) 1.79~19.6 3.52(均值) 固 結
系 數 Cv (cm2/s×10-3) 3.2~9.9 
 水平(cm/s×10-4) 0.168~1.95 1.1(均值)  CH (cm2/s×10-3) 2.7~13 

3、粉噴樁設計與計算
3.1設計標準
3.1.1容許工后沉降與穩定
沉降控制采用標準為:一般路堤在路面設計使用年限15年內的工后沉降量不大于30cm;橋頭30m范圍內的工后沉降不大于10cm;橋頭過渡段及涵洞等構造物處工后沉降不大于20cm。
路基穩定:選用圓弧滑動面、有效固結應力法計算,計算斷面最小穩定安全系數≥1.20。
3.1.2樁身強度要求
樁身90天無側限抗壓強度不小于1.2Mpa。
3.1.3加載速率
控制標準為:路基中心地面沉降速率每晝夜不大于1.5cm,坡腳水平位移速率每晝夜不大于0.5cm,觀測結果應結合沉降和位移發展趨勢進行綜合分析。其填筑速率應以水平位移控制為主,如超過此限制應立即停止填筑。
3.1.4預壓期
預壓期的確定比較復雜,一方面要考慮工后沉降技術標準,另一方面又要現實的考慮工期太長。經過綜合考慮,如港一級公路粉噴樁處理軟基地段采用等載預壓,設計預壓期為三個月。
3.1.5路面鋪筑前沉降穩定的判斷標準
建議結合沉降觀測資料,確保路基連續兩個月沉降速率小于0.5cm/月后,方可進行底基層施工,當路基沉降速率小于0.3cm/月后,方可進行基層和面層施工,同時要確保上路床填料的強度CBR>8%及壓實度>95%。
3.2粉噴樁設計
粉噴樁樁徑采用50cm,梅花形布置;對于不同的結構形式、不同的填土高度和不同的軟土深度及各項物理力學指標采用1.50m和1.8m兩種不同的樁間距。用于粉體噴射攪拌樁的水泥為干粉,采用32.5級(原425#)普通硅酸鹽水泥或礦渣水泥。粉體噴射攪拌樁施工時必須穿透軟土層進入硬層不小于0.5m。粉體噴射攪拌樁設計平均水泥摻入量為46Kg/m,粉噴樁施工時要求全樁復攪。
因如港一級公路的平均填土高度只有1.50m,為盡可能的減少軟基不均勻沉降對路面結構的影響,設計時要求粉噴樁樁頂填土高度必須保證不小于2.0m,填土高度達不到以上要求路段,對原地面進行翻挖;且為改善路堤底部的受力情況,降低不均勻沉降對路面結構的影響,粉噴樁樁頂50cm范圍內采用5%水泥土處理。K31+350~K32+050段為挖方路段,而且也是全線軟土層最厚的一段,很難保證粉噴樁樁頂填土高度不小于2.0m的要求。為盡可能的降低樁間土不均勻沉降對路面結構層的影響,本段采用粉噴樁結合土工格珊的綜合處治措施。
3.3粉噴樁計算
3.3.1沉降計算
軟土地基在荷載作用下沉降變形的主要部分為主固結沉降,此外還包括瞬時沉降與次固結沉降。主固結沉降一般采用分層綜合法計算,壓縮試驗資料可用e-p曲線、壓縮膜量Es或e-lgp曲線。本次設計采用壓縮模量計算主固結沉降。
3.3.2單樁承載力計算
 確定單樁承載力的方法很多,對粉噴樁的設計而言,通常采用的方法為公式計算法,其單樁承載力的計算公式也很多。根據《建筑地基處理技術規范》(JGJ79-91)中推薦的單樁承載力標準值計算公式為:
Rk=η•quc•Ap………………………………………………………………(1)
Rk= ̄s•L•S+α•Ap•fk……………………………………………………… (2)
式中:Rk—單樁豎向承載力標準值;
Ap—樁的截面積;
quc—與樁體加固土的配合比相同的標準試塊90d齡期無側限抗壓強度平均值;
 ̄s—樁周土的平均摩擦力,由地質資料獲得;當無地質資料時,可采用以下數值:對淤泥可取5~8kPa,對淤泥土可取8~12kPa,對于粘性土可取12~15kPa;
fk—樁端土天然承載力標準值,由地質資料獲得。當無資料時,可根據經驗或其他類似工程資料選用;
η—強度折減系數,可取0.35~0.5;
α—樁端土天然承載力折減系數,可取0.4~0.6;
L—樁身有效長(按永久樁計);
S—樁周長度。
計算時,用兩個公式同時進行計算,并取其中較小的值作為單樁承載力標準值。根據以上兩個計算公式不難看出,當設計樁體強度及地質資料一定時,必定存在一臨界樁長。當實際樁長大于此臨界樁長時,單樁承載力由樁體強度控制;當實際樁長小于此臨界樁長時,單樁承載力由樁長控制。因此,為充分發揮樁體強度,粉噴樁設計樁長宜大于此臨界樁長。相反,粉噴樁設計樁長小于此臨界樁長時,無法充

分發揮樁體強度。因此,若軟土層不厚且無特殊情況時,不宜采用粉噴樁處理,應優先考慮采用其它軟土處理措施。
3.2.3復合地基承載力計算
由于粉噴樁樁身強度較剛性樁低,在垂直荷栽作用下有一定的壓縮變形,在樁身壓縮變形的同時,其周圍的軟土也分擔一部分荷載,形成了柔性復合地基。粉噴樁復合地基的承載力標準值可按下式計算:
fck=m•Rk/Ap+(1-m)•fs………………………………………………………(3)
式中:fck—復合地基承載力標準值;
m—面積置換率;
fs—樁間土天然承載力標準值;
Rk—單樁豎向承載力標準值;
Ap—樁的截面積;
β—樁間土承載力折減系數,當樁端為軟土時,可取0.5~1.0;當樁端土為硬土時,可取0.1~0.4;當不能考慮樁間軟土的作用時,可取零。
無疑,地質資料確定時,粉噴樁復合地基的承載力標準值跟粉噴樁單樁承載力及面積置換率有關。當樁體強度及面積置換率一定時,復合地基承載力由單樁承載力確定,單樁承載力越大,復合地基的承載力就越高;當樁體強度及樁長一定時,復合地基承載力由面積置換率確定,面積置換率越高,符合地基承載力越高。因此,在確定樁長及面積置換率時應進行綜合考慮,在確保能充分發揮樁體強度的同時確定合理的面積置換率,以保證在滿足工程要求的前提下,盡可能減少工程投資。
4、地基土含水量對粉噴樁質量的影響
粉噴樁的質量的優劣主要反映在粉噴樁的強度指標上,這不僅與摻入粉體的質量,施工工藝,土基的性質有關,其中尤以含水量的關系密切,土中的含水量過低時,土中的水分不足以粉體進行充分的水化作用,成樁效果很差,嚴重影響粉噴樁的質量。如港一級公路K35+680~K35+900段為高填土,設計采用粉噴樁處理,施工時由于施工季節的影響,地下水位顯著下降,造成樁頂2.0m范圍內地基土含水量降低,天然含水量在22%左右,粉噴樁施工后,成樁效果很差,嚴重影響了粉噴樁的質量,施工中采取了在施工過程中加入適當水分的處理措施,收到了良好的效果。因此,根據江蘇省處理軟土地基的經驗,選用粉噴樁處理軟基時,土層的含水量不宜小于30%是很有道理的。
5、結束語
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。粉噴樁就其自身性質來說是一種介于鋼性樁與柔性樁之間的一種樁型,其剛度、抗壓強度和抗側壓力作用均小于剛性樁而大于柔性樁。粉噴樁可以完全改變軟土的性質,它與樁間土形成的復合地基,可以大大的提高承載力,減少沉降。粉噴樁處理軟基是一種行之有效的工藝手段,與其他軟基處理手段相比,具有施工方便,工期短,工后沉降小等顯著優點。但從其設計方法及施工質量管理來看,技術難度比較大,而且造價相對較高。因此在選擇這種處理措施時,因充分考慮其適用條件,以確保最終的處理措施經濟、合理、可行。

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