粉噴樁在鐵路軟土路基的施工分析

陽(yáng) 城

摘要:粉噴樁具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、靈敏度高、擾動(dòng)性大、透水性差、土層層狀分布復(fù)雜、各層之間物理力學(xué)性質(zhì)相差較大等特點(diǎn)。粉噴樁施工在鐵路軟土路基施工中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。文章對(duì)軟土地基特性進(jìn)行了闡述,分析了粉噴樁處理鐵路軟土地基中的應(yīng)用特性。

關(guān)鍵詞:粉噴樁;鐵路軟土路基;地基處理

中圖分類號(hào):U443文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)22-0167-02

一、鐵路軟土路基

軟土是指濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的天然含水量高、孔隙 比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低的細(xì)粒土。具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、靈敏度高、擾動(dòng)性大、透水性差、土層層狀分布復(fù)雜、各層之間物 理力學(xué)性質(zhì)相差較大等特點(diǎn)。

從廣義上說(shuō),軟土是指強(qiáng)度低、壓縮性高的軟弱土層,可將其分為軟粘性土、淤泥質(zhì)土、淤泥、泥炭質(zhì)土及泥炭5 種類型,習(xí)慣上把前3 種總稱為軟土。所以,在軟弱路基設(shè)計(jì)和施工處理過(guò)程中,必須通過(guò)詳細(xì)的研究,掌握軟土的性質(zhì)和土層特征(特別是軟土的強(qiáng)度和變形動(dòng)態(tài)變化規(guī)律),采取合適的工程措施, 才能保證軟弱路基在施工期間的穩(wěn)定并控制鐵路的工后沉降。

粉噴樁的歷史并不長(zhǎng),它是在攪拌樁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。這兩種工法合在一起,有時(shí)被稱為深層攪拌法。這兩種方法的原理都是通過(guò)機(jī)械的原位攪拌,將原粘土的原狀結(jié)構(gòu)破壞,再用石灰、水泥等粘結(jié)材料,以粉狀或漿狀噴入深層軟土,形成新的復(fù)合體,最終提高了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。

二、粉噴樁處理軟土地基的優(yōu)點(diǎn)

粉噴樁主要應(yīng)用于軟土地基的處理,粉噴樁施工時(shí)常用的粘結(jié)材料有石灰、水泥等。隨著現(xiàn)代大型工程的增多,對(duì)地基要求的不斷提高,粉噴樁、大部分采用水泥作為粘結(jié)材料。本文研究的粉噴樁也都是以水泥為粘結(jié)材料的。

深層攪拌法對(duì)于處理有機(jī)質(zhì)土、粉質(zhì)土和粘質(zhì)土都有較好的處理效果,由于深層攪拌法施工速度快、無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音、無(wú)地面隆起、不排污、不排土、不污染環(huán)境及對(duì)相鄰建筑物無(wú)不利影響等,所以粉噴樁在地基加固、基坑支擋結(jié)構(gòu)及形成止水帷幕等多方面得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái),隨著高速鐵路的大量修建,在我國(guó)各省特別是沿海地區(qū),粉噴樁已被廣泛地應(yīng)用于高速鐵路的軟基處理中。實(shí)踐證明,噴粉攪拌樁加固軟土地基能夠有效地減少和控制沉降量及工后沉降量,與其它軟基處理方法相比,具有無(wú)法替代的優(yōu)越性,能夠較有效的解決橋頭跳車現(xiàn)象。然而,噴粉樁處理軟基在設(shè)計(jì)理論、施工技術(shù)及檢測(cè)方法等方面尚不完善,因此在一定程度上又限制了它的發(fā)展。具體優(yōu)勢(shì)如下:

1.能大幅減少加固范圍內(nèi)的地基沉降量,與排水固結(jié)法相比總沉降量能減少25%～49%。

2.加固區(qū)域側(cè)向位移明顯減少,與排水固結(jié)法在相同條件下相比,側(cè)向位移能減少60%～70%,而且在較短時(shí)間內(nèi)即趨穩(wěn)定。

3.提高地基土的承載力,適應(yīng)快速填筑施工,與排水固結(jié)法相比,可以允許較高的填土速率。

4.采用鉆頭攪拌鉆孔成樁,對(duì)地基及周圍建筑物擾動(dòng)小,地表下沉得到控制,施工中振動(dòng)小、噪聲低,具有良好的社會(huì)效益。

5.施工中無(wú)下沉坍落,作業(yè)安全可靠;施工作業(yè)簡(jiǎn)便,機(jī)械設(shè)備容易解決;成本低、效益高。

三、軟基加固機(jī)理與粉噴樁施工工藝

(一)粉噴樁加固機(jī)理

粉噴樁處治軟基屬于深層攪拌法中的一種,它是利用壓縮空氣向軟弱土層中輸送石灰、水泥等粉狀加固料,使其與原位軟弱土混合、壓密,通過(guò)加固料與軟弱土之間的離子交換作用、凝聚作用、化學(xué)結(jié)合作用等一系列物理化學(xué)作用,使軟弱土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的柱狀加固土,它與原位軟弱土層組成復(fù)合地基,提高軟土地基承載力,減少地基沉降量。但是粉噴樁的成樁過(guò)程,不是鋼樁、預(yù)制樁的“打樁”過(guò)程,也不是沉管樁的“沉樁”過(guò)程:(1)粉噴樁的制樁過(guò)程是在軟土地基中將加固材料(水泥粉或石灰粉等)通過(guò)攪拌機(jī)械和原位地基土攪拌混合成樁,不會(huì)有較大的擠土效應(yīng);(2)粉噴樁使用的的固化材料是水泥粉或石灰粉,在干燥狀態(tài)下它們能吸收樁體附近軟土中的水分;(3)粉噴樁加固的往往是軟土地基,而天然軟粘土具有顯著的結(jié)構(gòu)特性,顆粒之間膠結(jié)作用抑制了超孔隙水壓的產(chǎn)生。

總之,不能將粉噴樁的成樁過(guò)程看成“沉樁”過(guò)程,有些工程人員忽略粉噴樁的工程特點(diǎn),把粉噴樁施工過(guò)程簡(jiǎn)單地模仿看成其它工程樁的沉樁過(guò)程,并采用相應(yīng)的計(jì)算方法估算粉噴樁地基的空隙水壓力,筆者認(rèn)為這樣的做法在理論上是錯(cuò)誤的,在工程上是有害的。

當(dāng)然,粉噴樁在打樁施工過(guò)程中對(duì)樁周地基土也會(huì)有較大擾動(dòng)的,此時(shí)若地基土體結(jié)構(gòu)破損,顆粒之間的膠結(jié)作用受到破壞,對(duì)超孔隙水壓力的抑制作用減弱,也會(huì)造成地基土的超孔隙水壓力,使得粉噴樁在施工后一定時(shí)期內(nèi)其承載力較小,工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)時(shí)如果沒(méi)有考慮這一點(diǎn),將會(huì)高估此時(shí)復(fù)合地基的承載力,特別是在由于過(guò)高估計(jì)地基的承載力而決定在路基上快速填筑路堤或修建結(jié)構(gòu)物的情況下,路基很可能會(huì)出現(xiàn)裂縫、大的沉降和水平位移甚至滑塌事故。另外,地震和路面載荷等也會(huì)引起超孔隙水壓力的上升,地震作用時(shí),樁側(cè)土的孔壓比沿深度方向先急劇增大,再逐漸減小,振動(dòng)孔隙水壓力隨時(shí)間累積增長(zhǎng),導(dǎo)致樁豎向承載力不斷降低。實(shí)際上,對(duì)于高速鐵路的工程建設(shè),路堤填土加載或者雨水及其它水源也會(huì)造成孔隙水壓力的上升,在工程設(shè)計(jì)中這些因素都是需要考慮的。

(二)粉噴樁施工工藝

粉噴樁利用噴粉攪拌鉆機(jī)鉆進(jìn)軟弱土層,進(jìn)行土體切割攪拌,壓縮空氣將粉體固化劑從鉆頭上的噴嘴向四周土體旋轉(zhuǎn)噴射,鉆頭上的葉片切割四周土體使其與固化劑攪拌混合,膠結(jié)硬化后形成一定直徑的粉噴樁體,樁體與樁間土形成復(fù)合地基,共同承擔(dān)外部荷載。粉噴樁的一般施工工藝為如下:

1.對(duì)正樁位,調(diào)整鉆機(jī)機(jī)身,保證鉆桿的垂直度,啟動(dòng)鉆機(jī)下鉆,待攪拌鉆頭接近地面時(shí),啟動(dòng)空壓機(jī)送氣,鉆進(jìn)土層。

2.鉆到設(shè)計(jì)孔深時(shí),關(guān)閉送氣閥門,噴送粉體固化劑。

3.根據(jù)要求或試樁結(jié)果,噴料停留一段時(shí)間,確認(rèn)粉體固化劑已到樁底時(shí),方可提升攪拌鉆頭。

4.提升到設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高時(shí),停止噴粉。

5.打開送氣閥,關(guān)閉送料閥,空壓機(jī)不停機(jī),攪拌鉆頭提升到樁頂時(shí)停止提升,在原位轉(zhuǎn)動(dòng)2min,以保證樁頭均勻密實(shí)。

6.進(jìn)行二次攪拌。

7.將攪拌鉆頭提出地面,停止主電機(jī)、空壓機(jī),填寫施工記錄。

8.移動(dòng)到下一個(gè)樁位,繼續(xù)作業(yè)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有粉噴樁加固軟基的研究成果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析粉噴樁加固軟基的機(jī)理和粉噴樁復(fù)合路基的受力變形性狀,通過(guò)理論分析,對(duì)粉噴樁加固高速鐵路軟基的若干關(guān)鍵問(wèn)題作了深入的探討,并在此基礎(chǔ)上對(duì)粉噴樁加固鐵路軟基進(jìn)行了分析。

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