水泥土搅拌桩对软基的加固处理

1 　天津滨海地区软土工程性质
天津至塘沽沿线为冲积平原及滨海平原,几百米深度范围内全为第四系松散椎积层,地下水埋藏浅,大多数段落为软土地基。尤其在塘沽,沿海中上部地层广泛分布有海相沉积层,岩性为淤泥、淤泥质粘土及淤泥质粉质粘土,厚度一般为3.0～10.0 m, 工程地质条件较差。
软土地基分布路段表层为杂填土,黄褐色,成份较杂,主要由粘性土组成,含碎石、砖块,厚0～ 1.1 m; 其下为粘土:黄褐色,灰黄色,硬塑～软塑, 厚0～3.5 m; 淤泥质粘土:灰褐色,软塑～ 流塑,厚0 ～2.0 m, 局部呈透镜体分布,γ = 18. 3 kN·m-3, c =14.37 kPa ,φ=3.79°;再下为淤泥质粉质粘土: 灰褐色～ 灰色,流塑,厚8. 8～13. 7 m,γ = 18. 2～ 18.4 kN·m-3,c =13.04 kPa～15.08 kPa ,φ=3.48 ～5.35°;粉土:灰褐色,湿～ 很湿,稍密～ 密实,厚0 ～5.0 m; 较连续分布于海相层的底部。地下水为第四系孔隙潜水,水量丰富,一般埋深0.7～3.0 m 。由于上述土层形成时代较新,压缩性高、强度较低,路基工程进行稳定性检算和沉降检算后均需采取相应的处理措施。
2 　软土地基处理方法选择及地基加固设计
(1) 软土地基处理方法选择:软土因其承载力很低,并且在上部施加荷载后会产生较大的沉降变形,所以在修筑路堤之前要进行适当的处理方能满足轨道交通工程的设计要求。地层条件及土性常数是选择地基处理方案的首要依据。工程实践证明, 对于深厚软粘土地基或粘性较大的软土地基的加固处理以深层搅拌法居多,而深层搅拌法以搅拌桩和旋喷桩复合地基处理效果较好[1] 。由于搅拌桩和旋喷桩由已在地面充分搅拌好的水泥浆喷入或搅拌入土层中而后固化成型,所需水分不依赖于土中的含水量,质量易于保证。
深层搅拌法处理深度一般要超过5 m, 一些资料显示最大加固深度可达60 m 。根据铁路及轨道交通工程地基处理经验,深层搅拌桩处理深度一般不超过15～18 m 。深层搅拌法采用的固化剂一般分水泥类、石灰类、沥青类和化学材料类。目前最常用的固化剂就是水泥类固化剂,其次是石灰类固化剂。用水泥类固化剂的搅拌桩又分为“ 湿法”和“ 干法”两种工艺,水泥土搅拌桩就是典型的“湿法”,“ 干法”工艺的代表就是粉体喷射法,一般称粉喷桩。本文主要谈“湿法”[2] 。
津滨轻轨主要采用水泥作固化剂,一般称作水泥土搅拌桩。
(2) 软土地基加固设计:在津滨快速轨道交通工程路基设计中,对于软土路段的地基处理主要选择水泥土搅拌桩、旋喷桩和真空预压排水固结法。其中部分路段采用水泥土搅拌桩,在这些路段的软土路堤设计中,路基面两侧各加宽0.4 m; 边坡坡度1∶1.5; 路堤坡脚外2 m 设天然护道;路基基底采用水泥搅拌桩处理,桩直径0.5 m, 间距1.0～1.2 m, 等边三角形布置,桩长8～12 m 。桩顶设0.3 m 厚的三七灰土垫层或0.5 m 厚的碎石垫层(图1) 。

图1 　软土路基设计断面形式

3 　水泥土搅拌桩施工工艺
(1) 施工现场应予平整,清除地上地下一切障碍物。需回填土的低洼场地应抽水清淤后,分层回填粘性土填料,并予以适当压密,不得回填杂填土。
(2) 搅拌桩施工前应对搅拌机械的灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机输浆口的时间和起吊设备提升速度等施工参数进行标定。并根据设计要求通过成桩试验,确定搅拌桩的配比和施工工艺。水泥浆液的配制要严格控制水灰比,一般为0. 45～0. 5[3] 。使用的水泥和外加剂通过室内加固土试验确定。
(3) 水泥搅拌桩主要按下列步骤进行:搅拌机械就位、调平;预搅下沉,下沉时可采用喷浆工艺;喷浆搅拌提升至设计停浆标高;重复搅拌下沉;重复喷浆、搅拌至设计停浆标高后,再提升到孔口;测量料罐剩余量,对不满足设计要求的桩位应立即补搅,关闭机械,桩机移至下一机位。
(4) 水泥搅拌桩质量检验的项目及抽检数量, 按国家和天津市有关规范、规则办理。
4 　讨　论
水泥土搅拌桩适应性较强,但是在应用时,特别是应用于滨海地区的软土地基加固时,应注意以下几个问题: (1) 加固深度:虽然水泥土搅拌桩加固深度曾有过60 m 甚至更长的记录,但根据使用目的的不同,其加固深度应有所限制。柔性桩和半刚性桩的单桩有效长度虽然随桩身强度的提高而增大,但基本就在10 m 以内。对群桩作用的复合地基有效桩长目前虽不是十分明确,但由于水泥土搅拌桩复合地基的分层沉降和水平收敛深度在15 m 左右[1 ] , 所以在作为承载作用下,水泥土搅拌桩加固深度还是以不超过15～18 m 为宜。当软土层埋深较深, 需加固长度较大时,应考虑采用水泥土搅拌桩加固的可行性。
(2) 软土层性质及水质情况:有机质含量是影响水泥土搅拌桩加固效果的一个主要因素,对软土地基、特别是滨海地区的软土地基采用该类型桩基加固设计时,应进行有机质含量、可溶盐含量及总烧失量分析,特殊地区还应对软土进行矿物成分分析, 确定水泥的适用性。地下水酸碱度、硫酸盐含量也是选择水泥种类考虑的关键因素。对于滨海地区, 这几项工作尤其应当引起足够重视。津滨轻轨中段典型软土有淤泥质粘土,灰及深灰色、灰褐色,流塑状,具有臭味,厚0. 0～5. 1 m , 有机质含量1. 17～ 2. 11 % ; 淤泥质砂粘土,灰及灰褐色,流塑状,具有臭味,厚0. 0～16. 4 m , 有机质含量0. 35 %～2. 39 %; 淤泥,浅灰至深灰色,流塑,以粘土为主,疏松,有机质含量2. 42 %～2. 89 % 。有机质含量尚不高,可以采用水泥土搅拌桩进行加固处理。
(3) 软土层含水量情况:由于软土的含水量大小对水泥土强度影响较大,所以,当软土呈流塑状态,含水量较高( w > 80 %～90 %) 、液性指数( IL> 1. 2～1. 5) 时,由于在自然状态下的强度增长与实验室养护条件下差别较大,应考虑在自然状态下,水泥土强度的增长随深度、土层、含水量、温度的不同,存在差异的情况。津滨轻轨中段软土淤泥质粘土、砂粘土w = 38. 9 %～47. 2 % , w L = 33. 9 %～42. 4 % , 淤泥w = 57. 2 % , w L = 48. 0 % , 液性指数为1. 1～ 1. 2 之间,因此,在软土层较深(> 10 m) 、含水量较大时,应注意水泥土强度增长的差异。
(4) 龄期及强度问题:理论上普遍把3 个月龄期的强度作为水泥土检验的标准强度,这是根据水泥在混凝土工程中的表现来确定的。虽然水泥土的强度增长与混凝土有共性之处,但在实际工作中,在自然环境下,特别是在桩身较深的软土层,抽芯试验常产生偏差,有些甚至难以取芯。造成这些情况的原因何在? 笔者认为,施工时的各种技术参数(包括提升、搅拌速度、浆液流量等) 基本一致的情况下,仍会产生上下段不一致、甚至相差较大的情况。应当说,自然环境条件的不同(土层、埋深、含水量、地温等因素) 对水泥土达到同等强度的时间有较大的影响,也可以说,龄期强度此时难以真正描述整根桩水泥强度的增长情况。
(5) 其他:虽然水泥土搅拌桩加固法受很多因素的制约,但只要应用得当、考虑周密,其使用前景依然广阔。此外,有时水泥配比试验结果波动很大, 确定合理的强度参数对水泥土搅拌桩的设计意义重大,需要反复衡量,必要时要增加验证工作;设计时, 对桩间土的承载力取值也值得考虑,加固后的桩间土的承载力直接使用天然土(有时是软土) 的承载力是否保守,还需要根据具体情况确定。
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