二灰桩在软土路基加固中的应用.docx

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二灰桩在软土路基加固中的应用

二灰桩在软土路基加固中的应用

李兆平　张　弥

摘　要　以石灰和粉煤灰为主要成分的二灰桩是一种半刚性桩，详细探讨了二灰桩的原理，并给出了二灰桩在南京—马鞍山高速公路软土路基加固中的应用实例.

关键词　二灰桩　软土路基　加固

ApplicationofTwo-AshPileforReinforcement

ofSoftSoilSubgrade

LiZhaoping　ZhangMi

CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,NorthernJiaotongUniversity,Beijing100044

Abstract　Two-ashpileisakindofsemi-rigidpilewhichmaincomponentsarelimeandcoalash.Inthispaper,theprinciplesoftwo-ashpilearediscussedindetail.Theapplicationfortwo-ashpileatthereinforcementofNanjing-Maanshanfreewaysoftsoilsubgradeisintroduced.

Keywords　two-ashpile　softsoilsubgrade　reinforcement

1　问题的提出

　　以粉煤灰和石灰为主体材料掺入少量添加剂经搅拌均匀压实而成的二灰桩是一种半刚性桩，二灰桩特别适用于以沉降和稳定为控制条件的工程，如高速公路与高速（重载）铁路中包括桥台在内的填方路堤、机场跑道、集装箱码头、土石坝及各类工业与民用建筑的软土地基大面积加固处理.

　　软土在我国分布范围广、土层厚度大.其特点是含水量高、孔隙比大、抗剪强度低，压缩系数高、渗透系数小、沉降稳定时间长.在土木、交通、水利等基础工程建设中经常遇到天然地基不能满足设计要求，需要对地基进行人工加固处理.地基处理是否合理，关系到整个工程的质量、进度和投资，因此它是影响工程造价的重要因素之一.在某地高速公路（填方路堤高6.0m）软土路基加固中采用了三种加固处理方法，见表1.从表1可以看出二灰桩兼有预压（砂井或塑料排水带）和水泥土桩（湿法或干法）并用的效果，并且具有技术可靠、工期短、造价低的优点，而且大量利用固体废料，是比较经济有效的路基处理方法.

表1　某地高速公路软土路基三种处理方法对比

处理方法

功　　能

材　　料

费用（元/m2）

评　　　　价

预　压

固结排水提高土的

抗剪强度

中粗砂

塑料排水带

　40.12

　78.70

加速软粘土固结，造价较低；但总沉降量和不均匀沉降较大，工期较长

水泥土桩

固化软土，

以桩作用为主

水泥及添加剂

199.50

在加固深度内总沉降较小，工期较短；未加固体剩余沉降较大，工后沉降不满足要求，造价高

二灰桩

置换，吸排水，桩土

共同作用及改进土性

石灰、粉煤灰

与添加剂

　37.13

加固体总沉降量减小，工后沉降满足要求，可控制不均匀沉降，工期较短，造价较低

2　原理

　　二灰桩中的主体材料是燃煤发电厂排放的粉煤灰，当有水存在时，粉煤灰中的SiO2和Al2O3能在常温下与石灰中的CaO产生化学反应生成新的水硬性胶凝物质.二灰桩体强度大小与材质、配比、密实度及龄期等因素有关.二灰桩容重γ一般为1.5g/cm3（干密度γd=1.0g/cm3）渗透系数k为10-4cm/s，30～60天桩体单轴抗压强度qu为1.0～1.6MPa，粘聚力C为0.5～2.2MPa，内摩擦角φ为30°～40°，变形模量E50为160MPa.

　　二灰桩用于饱和软粘土地基处理具有置换与吸排水两大功能.二灰桩取代（置换）了同体积的软粘土，并与原土一起构成“复合地基”.荷载试验和工程实践证明，二灰桩土复合地基与原地基相比：

承载力可提高0.5～3.6倍，沉降变形减少50%～94%.复合地基承受外荷载时，因变形模量不同而产生应力向二灰桩集中，根据外荷载大小和土层条件，其桩土应力比n为3～10.二灰桩吸排水有两层含义：

一是化学吸水，桩体从周围土中吸取使强度增长所需水份，这是短期和有限的；二是毛细水效应，这是长期起作用的，也是二灰桩所特有的一种现象.即使无外荷载，也能在土中产生“负压排水”，降低孔隙水压，增加土的有效应力，加速桩周土的固结并提高其强度.实践表明，由于二灰桩毛细水的作用，引起地下水位普遍下降，其降低量一般为桩长的1/3～2/3.而桩四周土的有效应力增量相当于地下水位下降一定高度水柱的压力.桩间土强度一般可提高0.2～1.5倍.

3　设计与施工和检验

3.1　设计

（1）处理范围和深度的确定　根据稳定和沉降分析计算及荷载性质确定地基处理范围与深度.二灰桩应超过最危险滑弧深度，桩土复合地基承载力满足设计值，同时工后沉降还应符合规范以及其他特殊要求.

（2）二灰桩排列　二灰桩平面布置有等边三角形（梅花形）和正方形两种排列形式，以等边三角形排列较为紧凑和有效，常在实际工程中采用.二灰桩直径d为0.3～0.6m，桩间距L一般取3～8d，深度H在20.0m以内.将二灰桩视作排水井时，每个桩的影响范围可化作为一个等面积的圆来求解.等效圆的直径de与二灰桩的间距L关系可参阅文献［1］，关于二灰桩地基固结度的计算参照砂井方法.

　　（3）桩体承载力　承受垂直荷载的二灰桩，应使土对桩的支承力与桩身强度所确定的承载力相近.由于二灰桩属于半刚性桩，故按摩擦桩设计.桩长H和桩径d确定之后，桩的承载力可按文献［1］确定.

　　（4）复合地基承载力　二灰桩复合地基承载力标准值，应通过现场复合地基载荷试验确定，也可按文献［1］计算.

　　（5）群桩基础验算　当桩间距L<1.5时（式中：

r为桩径，H为桩深）应进行群桩（桩土组成的实体基础）验算.由于二灰桩周围形成了一薄层硬壳土，增大了桩土之间的摩阻力，验算时摩阻力可取相应土层的上限值.具体验算方法参见有关设计手册.

　　（6）沉降计算　二灰桩复合地基总沉降可分为两部分计算，即加固区沉降量S1和加固区下卧层沉降量S2.具体计算方法参阅文献［2］.

3.2　施工和检验

（1）施工机具　成孔和压桩采用沉管机，管径为325mm，轴压为300～400kN，工效45～50m3/台班，配套设备为搅拌机及振动筛等.

（2）施工工艺　二灰桩主要施工过程如下：

桩机就位→成孔→分段压桩→桩机移位.

　　（3）检验　检测是指施工质量与加固处理效果两方面.前者包括材质、配比、桩体密度、直径、深度、连续性、垂直度、强度及渗透性能等.后者为加固处理完毕，工程竣工后能达到沉降与稳定的设计要求.最重要的有载荷试验与沉降观测；其中沉降观测又分为地面（单点）沉降计和深层（或多点分层）沉降计，选择有代表性地点于施工初期埋设；在施工不同阶段及竣工后均进行观测和记录，以此检验总体加固效果.

4　工程实例

　　宁—马高速公路马鞍山段某一路段为填方路堤，位于南北两座桥台之间，路段长230m，路面宽24.5m，填土高3.0～4.2m（基底宽36.0～42.0m），边坡坡度1∶1.5.基底0.8m耕植土以下有厚为8.0～9.0m的淤泥质亚沾土（γ=1.81g/cm3，饱和度40.8%～95.2%,孔隙比为1.1,压缩系数α1-2=0.76MPa-1,Es=1.9～2.6MPa,k=4.23×10-7cm/s,Cu=9～12kPa,φu=5°），见图1.

图1　二灰桩加固处理淤泥质土路基示图

　　经检测，桩土复合地基承载力由天然地基60kPa提高到120kPa；近一年位移观测结果是:

工后沉降6.2cm，低于规范要求10cm；通车使用证明，加固效果良好，与该路段地基条件相同的丰收桥南端，路堤高2.0m，使用毛碴垫层，工后沉降超过20cm，经修补后方投入使用.

　　据本例经济核算，地基承载力每增加10kPa，二灰桩费用不足10元；若采用水泥搅拌桩、砂井或塑料排水带，一般均超过15元.因此，二灰桩较上方法节省工程造价30%以上.具有显著的经济效益.

石灰桩施工工艺标准

（QB-CNCECJO10117-2004）

1适用范围

本工艺标准适用于民用建筑工程采用石灰桩的工程。

2施工准备

2.1材料要求

石灰应选用新鲜块灰，破碎过筛，粒径20-50mm，含粉量不得超过总重量的10%；氧化钙含量不得低于80%。

其中有机质含量不大于5%，不含石块和有机杂质。

2.2主要机工具

2.2.1成孔设备：

0.6t或1.2t柴油打桩机或自制锤击式打桩机，亦可采用冲击钻出或洛阳铲。

2.2.2夯实设备：

卷扬机、提升式夯机或偏心轮类杆式夯实机。

2.2.3主要工具：

铁锹、量斗、水桶、胶管、喷壶、铁筛（或木）夯、手推胶轮车等。

2.3作业条件

2.3.1岩土工程勘察报告、基础施工图纸、施工组织设计应齐全。

2.3.2建筑场地地面上所有障碍物和地下管线、电缆、旧基础等均已全部拆除搬迁。

沉管振动对邻近建筑物及厂房内仪器设备有影响时，已采取有效保护措施。

2.3.3施工场地已进行平整，对桩机运行的松软场地已进行预压处理，周围已做好有效的排水措施。

2.3.4桩轴线控制桩及水准点桩已经设置并编号，且经复核；桩孔位置已经放线并钉标桩定位或撒石灰。

2.3.5已进行成孔、夯填工艺和挤密效果试验，确定有关施工工艺参数（分层填料厚度、夯击次数和夯实后的干密度、打桩次序），并对试桩进行了测试，承载力挤密效果等符合设计要求。

2.3.6供水、供电、运输道路、现场小型临时设施已经设置就绪。

2.4作业人员

2.4.1主要作业人员：

打桩工、焊工。

2.4.2机械操作人员必须经过专业培训，并取得相应资格证书，主要作业人员已经过安全培训，并接受了施工技术交底（作业指导书）。

3施工工艺

3.1工艺流程：

3.1.1　振动打桩机成桩工艺流程

将钢管打至设计要求

拔管

加料

桩机就位

封口

成桩

桩顶压密

3.1.2　套管螺旋钻孔成桩工艺流程

停止旋转，加入生石灰至套管顶部

套管旋转贯入，直到设计深度

移动打桩机并调整到垂直状态

拔出套管，

填平空洞

启动打桩机，回转并向上提升套管

关闭气密阀，送压缩空气，达到规定值

3.2操作工艺

3.2.1施工工序，一般是先外排后内排，先周边后中间，单排桩应先施工两端后中间，并按每间1-2孔的施工顺序进行，不得由一边向另一边平行推进，以免桩挤向一边。

3.2.2桩成孔与灰土桩基本相同，可采用沉管法、冲击法、螺栓钻进法、爆扩法或洛阳铲掏孔法等。

3.2.3桩孔经验收合格，应立即向桩孔内分层填入要求粒径的生石灰块；用人工填料，每填20-50cm，用10-15kg的夹板锤或梨形锤进行夯实。

3.2.4因生石灰吸水膨胀，对各个方向都将产生很大的膨胀力，为减少向上膨胀力的损失，约束石灰桩的上举力，夯填至距桩顶0.5-1.0，用3：

7灰土或C7.5素混凝土捣实封顶，其顶部标高宜恰好为基础的底部。

4质量标准

4.1主控项目、一般项目

4.1.1石灰挤密桩的桩数、排列尺寸、孔径、深度、填料质量及配合比，必须符合设计要求或施工规范的规定。

4.2一般项目

4.2.1　施工前应对土及灰土的质量、桩孔放样位置等做检查。

4.2.2　施工中应对桩孔直径、桩孔深度、夯击次数、填料的含水量等做检查。

4.2.3　施工结束后，应检查成桩的质量及地基承载力。

4.2.4　石灰桩地基质量检验标准应符合下表规定。

表4.2.4石灰桩工程质量检验标准

项

序