粉喷桩在高速公路软基处理中的应用Word文件下载.docx

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当含水量大于70％时，含水量过高的土壤往往孔隙比大，若按常规掺入粉体数量，由于水分过多形成不了足够强度的水泥土桩体，将严重影响粉喷桩的强度，在这种情况下必须增加粉体的掺入量和采用复搅的施工工艺。

高含水量、大孔隙比和粘粒含量多时，土周边的束缚力极低，当钻头反转提升喷灰时，产生一个垂直向下挤压力和一个径向水平推力，由于土呈流塑状，束缚力极低，桩体在成形过程中向下及向四周水平向排水，影响形成竖向桩体，通常形成所谓"

掉桩"

或"

下沉"

，常为地表下1～2m。

当发生"

时，只要当时采取立即回填土并重新复喷复搅，就能克服这种现象，如果不作处理将造成过大的路基沉降。

1.3施工机械和设备

粉体喷射搅拌机械一般由搅拌主机、粉体固化材料供给机、空气压缩机、搅拌翼和动力部分等组成。

1.3.1国外几种粉体喷射搅拌施工机械性能

国外几种粉体喷射搅拌施工机械性能见表

1.3.2GPP-5型粉体喷射搅拌机

它是一种步履式移位的钻机,是铁道部第四勘测设计院于1984年利用Dpp-100汽车钻机改制的,技术性能见表

粉体喷射搅拌机械技术参数汇总

分类

项目

类型与规格

搅

拌

机

搅拌机型号

DJM1037

DJM1070

DJM2050

DJM2070

DJM2090

搅拌轴直径（mn）

800

1000

搅拌轴根数（根）

1

2

轴间距（mn）

-

1200~2000

（间距200）

1000、1200

1500

搅拌轴回转速度（r/min）

5~50

16.5~54

24.48

（50Hz）

32.63

搅拌轴最大扭矩（KN.m）

10.0

20.0

17.6

25.2

加固深度（m）

10（最大15）

15（最大20）

20（最大23）

25（最大30）

钻进、提升速度（m/min）

0~7.0

0~4.0

0.5~3.0

搅拌驱动方式

电动机-油压

柴油发动机-油压

电动机

基

础

械

移动方式

附卧式

滑动垫板

覆带式

规格（长*宽*高）（mm）

4320*3100

*1700

7150*3080

*2000

5090*3290

*2860

6400*4600

*4485

9227*4920

*6800

接地压力（kPa）

23

24

63

85

100

搅拌机总重量（kg）

9000

22000

40000

59000

80000

空气压缩机（m3/min）

10.5

（700kPa）一台

10.5二台

17.0一台

（700kPa）

17.0台

GPP-5型粉喷搅拌机技术参数

粉

喷

搅拌轴规格（mm）

108*108*（7500+5500）

YP-1

型

体

喷]

射

储料量（kg）

2000

搅拌翼外径（mm）

500

最大送粉压力（Mpa）

0.5

搅拌轴转速（r/min）

正（反）28，50，92

送粉管直径（mm）

50

扭矩（Kn.m）

4.9,8.6

最大送粉量

（kg\min）

电机功率（Kw）

30

外形规格（m）

2.7*1.82*2.46

起

吊

设

备

并架结构高度（m）

门型-3级-14m

技

术

参

数

一次加固面积（m2）

0.196

提升力（KN）

78.4

最大加固深度（m）

12.5

提升速度（m/min）

0.48,0.8,1.47

总重量（t）

9.2

34

液压步覆

1.4施工工序

1.4.1施工流程

（1）.放样定位;

（2）.移动钻机,准确对孔。

对孔误差不得大于5Omm;

（3）.利用支腿油缸调平钻机,钻机主轴垂直度误差应不大于1%;

（4）启动主电动机,根据施工要求,以I、Ⅱ、Ⅲ档逐级加速的顺序,正转预搅下沉。

钻至接近设计深度时,应用低速慢钻,钻机应原位钻动1~2min。

为保持钻杆中间的送风通道的干燥,从预搅下沉开始直到喷粉为止,应在轴杆内连续输送压缩空气;

（5）.提升喷粉搅拌。

在确认加固料已喷至孔底时,按0.5m/min的速度反转提升。

升到设计停灰标高后,应慢速原地搅拌1-2min；

（6）重复搅拌。

为保证粉体搅拌均匀,须再次将搅拌头下沉到设计深度。

提升搅拌时,其速度控制在0.5~0.8m/min左右;

（7）钻具提升至地面后,钻机移位对孔,按上述步骤进行下一根桩的施工。

1.4.2工艺性设计

为取得良好的地基加固效果,施工前须作好有关资料的搜集（地质资料;

明暗泯分布、成分及有机质含量等〉、室内配合比试验和施工工艺性设计。

固化剂与土的搅拌通常用土体中任一点经钻头搅拌的次数t和单位时间内粉体的喷出量q来表征,它是影响地基加固效果的重要因素。

1.土体中任一点搅拌次数t可按式1计算：

式中h——钻头叶片垂直投影高度（m）;

∑z——钻头叶片总数（个）；

ω——搅拌轴转速（r/min）.

v——钻头提升速度（m/min）.

2.单位时间内粉体的喷出量q按式2计算；

式中d——地基土的干重度（t/m3）

aw——固化剂掺人比,由室内配比试验提供;

D——搅拌钻头直径（m）。

1.4.3粉体材料及掺合量

使用粉体材料,除水泥以外,还有石灰、石膏及矿渣等,也可使用粉煤灰等作为掺加料。

在国内工程中使用的主要是水泥材料,宜选用新的425号普通硅酸盐水泥。

其掺合量常为180~24014g/mas若使用低于425号普通硅酸盐水泥或选用矿渣水泥、火山灰水泥或其他种水泥时,使用前须在施工场地内钻取不同层次的地基土,在室内做各种配合比试验p若用石灰粉体作固化材料,石灰应磨细,其粒径小于0.5mm,纯净元杂质,氧化钙和氧化镑的总含量不小于85%,其中氧化钙含量不宜低于80%,石灰的流性指数不低于70%。

1.4.3.1施工中须注意的事项

（1）施工机械、电气设备、仪表仪器及机具等,在确认完好后方准使用。

（2）.在建筑物旧址或回填建筑垃圾地区施工前,应预先进行桩位探测,并清除已探明的障碍物。

（3）桩体施工中,若发现钻机不正常的振动、晃动、倾斜、移位等现象,应立即停钻检查。

必要时应提钻重打。

（4）施工中应随时注意喷粉机和空压机的运转情况;

压力表的显示变化;

送灰情况。

当送灰过程中出现压力连续上升,发送器负载过大,送灰管或阅门在轴具提升中途堵塞等异常情况,应立即判明原因,停止提升,原地搅拌。

为保证成桩质量,必要时应予复打。

堵管的原因除漏气外,主要是水泥结块。

施工时不允许用己结块的水泥,并要求管道系统保持干燥状态。

（5）在送灰过程中,如发现压力突然下降、灰罐加不上压力等异常情况,应停止提升,原地搅拌,及时判明原因。

若由于灰罐内水泥粉体已喷完或容器、管道漏气所致,应将钻具下沉到一定深度后,重新加灰复打,以保证成桩质量。

有经验的施工监理人员往往从高压送粉胶管的颤动情况来判明送粉的正常与否。

检查故障时,应尽可能不停止送风。

（6）设计上要求搭接的桩体,须连续施工,一般相邻桩的施工间隔时间不超过8h.若因停电、机械故障而超过允许时间,应征得设计部门同意,采取适宜的补救措施。

（7）在SPJ型粉体发送器中有一个气水分离器,用于收集因压缩空气膨胀而降温所产生的凝结水。

施工时应经常排除气水分离器中的积水,防范因水分进入钻杆而堵塞送粉通道。

（8）喷桥时灰罐内的气压比管道内的气压高0.02~0.05MPa,以确保正常送粉。

（9）.对地下水位较深、基底标高较高的场地,或喷灰量较大、停灰面较高的场地,施工时应加水或施工区及时地面加水,以使桩头部分固化剂充分水解水化反应,以防桩头呈疏松状态。

（10）若遇土体含水量很高、强度低的软弱土、出现液化的粉土,可在向下钻进搅拌的同时,喷射粉体固化材料,改善土的稠度,防止由于压缩空气的脉动使粉土液化。

1.4.3.2质量检验

1.4.3.3施工期的质量检验

（1）喷粉搅拌的均匀性。

提升喷灰过程中,须有自动计量装置。

随时有指示喷粉过程中的各项参数,包括压力、喷粉速度和喷粉量等。

该装置为控制和检验喷粉桩的关键,应予以足够的重视。

（2）为防止空气污染,在提升喷粉距地面0.5m处应减压或停止喷粉。

在施工中孔口应设喷灰防护装置。

1.4.3.4工程竣工后的质量检验一、外观检查

施工结束后,对开挖出来的桩体,量测其直径应符合设计要求,桩身应连续匀称、拌合均匀,用打击物冲击应有坚实感。

二、轻便动力触探试验由于制桩钻头原因,喷粉桩的中心有50~loomm的软芯,含灰量较少,而桩周强度又普遍较大,故其测点位置应设在桩径方向1/4处。

3粉喷桩复合地基承载力和粉喷桩单桩承载力的关系

粉喷桩复合地基的平均允许承载力公式为：

［σ复合］=a×

［σ桩］+（1-a）［σ土］

式中：

σ复合——复合地基的平均允许承载力；

a——置换率；

σ桩——搅拌桩的允许承力力；

σ土——天然地基土的允许承载力

无疑，桩的强度将直接影响复合地基的强度，假设桩的强度不断增加而土的强度依然不变，按照公式的计算，复合地基的强度也会不断增加，然而实际情况并不如此。

因为粉喷桩从本质上来讲是属摩擦桩类，当土的强度不变，而且饱和软粘土的强度很低时，在这种情况下，即使不断增加桩的强度，但总的复合地基强度也不会随之增加。

这如同一根筷子在浆糊里和一个钢筋在浆糊里的情况是类同的。

只有当天然土的强度也增强时，整个复合地基的强度才会增加。

所以桩的强度应适度，要和天然土的强度相互匹配。

反过来桩的强度很低，这当然也是不行的。

1.5桩土置换率及粉体掺入量对复合地基强度的影响

在实际设计运算时往往提供所要求达到的复合地基强度、拟定的粉喷桩强度及天然地基土的强度来求桩土的置换率，计算出桩数，然后布置桩位，再作有关的验算。

实践证明若置换率过低，如小于10％往往达不到设计要求，甚至全功尽弃。

某高速公路采用粉喷桩复合地基处理，置换率仅为6％～7％，当路堤填至设计标高后出现裂缝，不得不重新处理。

这说明作为复合地基的桩土置换率必须大于一定值，否则起不到复合地基的作用，所以在规范中定为10％～20％，这是有道理的。

同样粉体的掺入量也需控制在一定值，规范定为10％～15％。

如前所述，当软土中含水量大于70％，必须加大粉体掺入量，否则将形成不了桩体或形成强度达不到要求的桩体，不能满足设计要求。

1.6复搅和转速对桩强度的影响

大量的施工实践已充分证明复搅与不复搅的质量相差甚大。

复搅的作用在于通过充分的搅拌使粉体与粘土及水得到比较完全的接触和作用，促使桩体的充分形成。

同时，钻头喷出的粉体一般呈脉冲状，若不充分进行搅拌，粉体在桩中往往呈层状，形成一种"

夹生"

，对桩的强度不利。

如承受水平推力截止水作用的话，应进行全程复搅，若作为路基加固只承受垂直向力作用，也可以只复搅上部1/3的桩体。

为了提高工效，粉喷钻机下钻时可以提高转速，但是当反转提升喷粉搅拌时切莫快速旋转和提升；

否则将会严重影响搅拌的均匀性和足够粉量的掺入。

1.7粉体喷入的计量

桩的质量与粉体掺入量的多少有直接关系，如何计量粉体便成为关键。

从理论上讲，气体和固体双相流的计量具有很大难度，但又非常重要，目前使用的灰罐体积测量法、电子秤称重法、弹簧秤称重法等均不是很理想的计量方法。

最近某些单位通过对粉喷桩新型计量装置的研制，提出了气固双相流称量计量，它可以较大程度地克服现有计量装置所产生误差，同时也提出了改进目前电子秤称重法的方案，从而使得粉喷桩施工工艺更趋完善，质量更加可靠。

第二章

2.1高速公路软土路基设计

2.1.1主要地质状况及评价

工程地质勘察表明，本标段第四系上覆层较薄，一般厚为10～25m。

地势低洼处，以古河道发育第四系全新统冲积、洪积成因的亚粘土，淤泥质亚粘土（粘土）为主，局部混粉砂，呈透镜体状与冲沟伴生。

由于古河道发育，古秦淮河道中沉积的淤泥质亚粘土（粘土）软弱土层呈软塑～流塑状态，中等偏高～高压缩性，允许承载力较低，软土层埋深1～18m不等，层厚一般1.2～15m，对路基的稳定性有较大影响，软土层主要表现为2～1层和2～2层及2～3层，其地层情况简述如下：

2～1层：

淤泥质亚粘土（粘土），灰色，软塑～流塑状态，中等～高压缩性，呈镜体状。

主要分布于地势低洼和古河道处，第四系全新统冲积、洪积成因，层厚1～12.5m，含水量37.2%～88.5%，孔隙比1.05～1.56，液限33.8～42.9，推荐承载力70～100kPa，压缩系数0.48～1.40MPa，压缩模量1.67～4.90MPa。

2～2层：

淤泥质亚粘土（粘土）混粉砂，灰色，软塑状态，中等～高压缩性，通常与2～1层拌生，第四系全新统冲积、洪积成因，层厚3～14m，含水量26.7%～32.1%，孔隙比0.869～0.992，液限29～31.3，压缩系数0.27～0.66MPa，压缩模量3.04～7.82MPa，推荐承载力80～90MPa。

2～3层：

淤泥质粘土，灰色，局部为亚粘土，可塑～软塑状态，中等～偏高压缩性，第四系全新统冲积成因，层厚2～8m，含水量33.8%～35.1%，孔隙比0.971～0.985，液限42.9～43.9，压缩系数0.39～0.53MPa-1，压缩模量3.52～5.48MPa，推荐承载力100～160kPa。

根据工程地质勘察结果可知：

⑴全线软土地基各项指标比海相、湖相沉积软土好，含水量较低，特别是部分路段夹有砂层有利于土层排水固结。

（2）由于古河道分布较多，造成在较短路段范围内软层厚度纵横向分布不均，如K28+305～K8+490段，在横断面上以45°

进行分布，且厚度差异较大（见图1～2）。

因此对沉降影响较大，在设计工作中已引起特别注意，并给予高度的重视。

（3）部分路段软土埋深较深，硬壳层较厚，在设计中尽量考虑到充分利用硬壳层作用，减少对硬壳层的破坏。

图1

由于土的性质沿土层深度和路线长度的变化很大，计算参数的获得依赖于原位的地质钻探法，它与钻孔的数量、钻孔的质量和钻孔的代表性、土工试验技术和成果的分析整理等因素密切相关，以及由于软基设计本身理论与实际情况的差异，因此沉降量的计算值与实测值之间往往存在着一定的差距，在设计说明中提出加强施工和预压期的沉降观测，以对计算结果及时修正，建议用观测数据通过计算分析来判定最终沉降量和决定路面修筑的时间。

本标段软土地基土工试验情况见表1。

不良地质地段表 

表1

序

号

起讫里程

桩号

长

度

（m）

不良地质情况说明

所属

类型

层

位

物理力学指标

天然

含水

量W

（%）

湿密

度P

（t/m3）

孔隙

比

e

液

限

塑

塑性

指数

IP

液性

IL

压缩

系数

a1-2

（MPa）

模量

Es

K15+200

～

K16+050

850

淤泥质亚粘土，混粉砂，灰色，软～流塑状态，埋深1～2m，层厚1.5～4m

软土

2-1

42.3

1.77

1.18

38.0

21.4

16.6

1.26

K16+200

K16+600

400

淤泥质亚粘土，混粉砂，砂性重，流塑状态，埋深6～12m，层厚6～8m，静探锥尖阻力770MPa

3

K24+170

K24+300

130

淤泥质粘土，灰色，饱和，流塑状态，高压缩性，埋深11.4m，层厚1.5m

51.3

1.72

1.41

47.8

24.2

23.6

1.15

1.44

1.67

4

K25+000

K26+500

淤泥质亚粘土，灰色，饱和，软塑～流塑状态，高压缩性，层厚5～12m

49.8

1.73

1.37

49.4

24.7

1.02

0.83

2.86

5

K28+900

K29+065

165

淤泥质亚粘土，灰色，饱和，软塑～流塑状态，层厚0～8m

2.1.2软土地基处理目的和设计标准

软土地基处理目的主要是保证路堤在施工及使用期间不会发生局部和整体剪切破坏，满足强度及稳定性要求，并且在使用期间内不发生较大的沉降和不均匀沉降，保证路面结构完整和车辆行驶平稳、安全、舒适。

工后沉降标准：

采取一般路段路面竣工后15年之内路基底中心处的剩余沉降量不大于30cm；

对大桥、中桥、小桥桥头5～7倍桥台高度范围内的引道路基，在路面竣工后15年内路基底面中心处剩余沉降量不大于10cm，而控制上路面的时间设计中采用沉降速率法，即在路堤修筑以后观测沉降变化过程，当沉降速率小于某一数值，沉降加速度小于零，并根据沉降曲线推断今后可能发生的沉降量小于工后沉降标准后，再施工路面。

考虑到路面荷载对沉降影响较大，同时建议对软土地段采用等载预压措施。

　稳定设计标准：

稳定验算和稳定系数在施工期内，应用圆弧滑动法计算一般路基稳定系数应大于1.10；

在营运期内，应用固结有效应力计算一般路段路基稳定系数应大于1.25；

桥头填土路基考虑地震水平力的作用时，其稳定系数应大于1.10。

本标段软土地基处理设计是在大量的调查研究、室内试验及理论计算的基础上进行的，应用了软土地基有关最新理论，吸取了国内各高等级公路软土地基处理的成功经验，应用了有关沉降和稳定验算的电算程序进行计算和验算。

2.1.3设计原则及方案选用分析

2.2设计原则

软基设计是依照国内外成功经验，分别采用等载（超载）预压、粉喷桩、土工织物和砂垫层、塑料排水板等方法进行软基处理。

对于软土指标差、须作稳定处理的路段，并考虑工后沉降和施工期要求，采用粉喷桩进行软基加固；

对于软土指标差、但其稳定已基本满足要求，其工后沉降也基本满足要求的路段采用土工织物或砂垫层进行等载（超载）预压处理；

对于工期容许、其沉降能控制的路段，可采用塑料排水板法处理。

为使本标段处于软基路段的构造物与本设计相适应，对其基底处理和沉降缝亦作了相应的考虑。

2.3方案选用分析

2.3.1等载预压法

利用路堤堆载预压是最经济的处理方案，它的加固效果实在，消除工后沉降作用明显，当工后沉降仍不能满足要求时还可采用等载或超载预压的办法。

南京机场高速公路地基的软土性质并不很差，并普遍存在粉砂夹层，或下卧砂层，因此土的