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水泥喷粉深层搅拌桩沉桩问题分析及处理

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水泥喷粉深层搅拌桩沉桩问题分析及处理,岩土工程师考试真题,岩土工程师考试试题, 一、前言:  

  深层搅拌桩经过近二十年的发展,由于施工技术和施工机械的成熟已经被广泛地用于软土地基加固、边坡支护、基坑及堤坝防渗等方面。深层搅拌桩可以增加软土地基的承载力,减少沉降量,提高边坡的稳定性,以及具有快速、经济、有效等特点,而被应用在公路桥头软土地基上,以加快公路的施工进度,消除或缓解桥头跳车等问题。其施工方法分为喷粉和喷浆两种方法。设计人员在地基天然含水量大于60%的情况下,从降低地基含水量考虑,常常选用喷粉法。由于地质条件千变万化,其中若存在淤泥含水量过大,采用喷粉法则可能出现沉桩问题。以下通过对采用喷粉法出现沉桩工程问题分析及提出处理方法与同行探讨。  

  二、工程实例  

  1、工程简况  

  某高等级公路在K9+753~K10+836桥头186m采用水泥喷粉桩处理,水泥喷粉桩按正三角形布置,桩径采用50cm,桩距1.5m,平均桩长10m,水泥掺入比15%,即每延米50kg水泥,标号425#。施工单位在施工配套设备进行标定、试桩方案经过监理单位和业主单位同意的情况下采用喷粉法进行试桩试验,共试59根,其中的21根桩发生沉桩,沉桩深度一般为1.1m~4.5m不等。  

  2、沉桩原因分析  

  水泥深层搅拌桩加固机理是通过水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体。因此,可从地质、施工工艺两方面来分析沉桩原因。  

  地质方面,由于各地质层土质的差异而产生水泥加固土的效果不同,一般认为含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好,而含有伊里石、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机质含量高、酸碱度(PH值)较低的粘性土加固效果较差。各地质层的含水量的不同,也是引起水泥和土一系列化学反应而形成强度的速度不同的原因。  

施工工艺方面,水泥与土搅拌不均匀,甚至水泥与土无法混合。这与施工机械的各施工参数有关,如钻进速度、钻头转速、提升速度、喷粉压、水泥用量等有关。必须通过试验桩根据不同地质层、不同土质、不同土压力找到合适的施工参数,加以严格控制,使桩体均匀,防止缩颈、断颈等现象。  

  1)地质方面  

  在第一次试桩的一排7根桩中,靠路线前进方向右侧有4根桩沉桩。在试桩后第七天对其中两根进行抽芯检测,发现桩体上均有两段水泥明显不凝固。在试桩后第十天对发生沉桩的地质进行补勘,具体地层由上至下为:  

  ①填砂:河砂,层厚为0.5m.  

  ②粉质粘土:灰黄、灰褐色,可塑,稍湿~湿,随深度增加渐变为软塑状,层厚为1.2m。  

  ③淤泥:深灰、灰黑色,软塑~流塑,饱和,粘性强,滑腻,岩性均一,底部0.5m含腐殖物,层厚为6.0m。  

  ④淤泥质粘土:灰、青灰色,软塑,饱和,粘性较强,均匀,层厚为1.8m。  

  ⑤淤泥夹砂:灰、青灰色,软塑,含较多中粗砂,含量在30%~50%,松散状,层厚为1.5m。  

  ⑥砂层:浅灰色,稍密~中密,饱和,以粗砂为主,含粘性土,级配良好,层厚为1.9m。  

  ⑦粉质粘土夹砂:灰黄、棕黄色,软塑,湿,含量在20%~50%,岩性不均,层厚为2.6m。  

  ⑧砂层:以中粗砂为主,灰白、灰黄色,中密,饱和,含粘性土,级配良好,层厚为0.3m。  

  软土物理力学指标很差,淤泥平均含水量为90%,天然孔隙比2.51,直快剪C=6.79Kpa,φ=7.36。  

  从以上地质补勘分析,主要有以下原因:  

  (1)由于该段淤泥含水量为90%,而喷粉(50~60kg/m)后水泥在桩体内吸水是有限的,参照相近项目试验结果可知,短期内水泥加固土含水量减少量低于水泥掺入比,也就是该段淤泥经水泥加固土的含水量仍为75%以上,搅拌时的土和水泥还是处于流塑~软塑状,压缩模量小,抗剪强度低;喷50~60kg/m水泥9m后增加4500~5400KN自重力。处于流塑~软塑状水泥加固土压缩模量小,自身自重引起桩压缩量就大;水泥加固土抗剪强度低自身自重引起侧向挤出量大;  

  (2)桩身周围土受扰动土体下沉后,土对桩侧表面产生向下的负摩阻力。当土和水泥还是处于流塑~软塑状、压缩模量小、抗剪强度低时,在负摩阻力的作用下发生沉桩。  

  (3)该段淤泥的灵敏度大,灵敏度是原状试样的无侧限抗压强度与相同含水量重塑试样的无侧限抗压强度之比。从试桩现场,试桩桩位砂垫层表面挤压出来的淤泥很稀,表明其重塑后强度很低,灵敏性高。  

  (4)喷粉在桩体内吸水,引起桩体周围土体孔隙压力消散、产生下沉,短时间增加对桩体的负摩阻力,而此时水泥加固土的强度很低且增长慢。  

  总的来说,是在喷粉初期,水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩。 

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  2)施工工艺方面  

  在施工工艺方面,针对沉桩问题,结合地质情况较差的实际,在施工工艺上找沉桩的原因。试桩时各施工参数(钻进速度、钻头转速、提升速度、喷粉压、水泥用量等)作了有效控制。在第二次试桩52根桩中,采用不同钻进速度、不同钻头转速、不同提升速度、不同喷粉压、不同水泥用量进行严格控制。试桩中虽然采用加大喷粉量至75kg/m,仍未解决沉桩问题。  

  察看试桩现场,试桩桩位砂垫层表面存在大量淤泥,据分析软塑~流塑状淤泥是在喷粉施工时风压气流的作用下,搅拌过程中因受扰动发生液化,液化的淤泥上涌至地表面,造成桩体范围内淤泥质的减少而沉桩。  

增加喷粉量解决不了沉桩问题的原因在于:  

  (1)增加喷粉量即增加桩体自重力;  

  (2)增加喷粉量导致喷粉在桩体内吸水量增加,引起桩体周围土体孔隙压力消散加快、产生下沉,短时间对桩体的负摩阻力增大,因增加喷粉量水泥加固土的强度提高不显著,在喷粉初期,水泥加固土的强度仍承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩。  

  3、处理方法  

  通过以上分析,沉桩是由于在喷粉初期,土体受扰动,水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩。改用在水泥浆液中加入适量的早强剂喷浆法施工可以解决喷粉法施工成桩初期水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力发生沉桩问题。主要原因:  

  (1)早强剂可以使水泥加固土的强度迅速提高,而早强剂在水泥浆中搅拌可以较均匀;  

  (2)水泥浆液注入土体发生水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体时,浆液本身存在足够水,不需吸收天然地基的水,并未引起桩体周围土体孔隙压力消散、产生对桩体的负摩阻力。  

  因此,改用喷浆法施工并在水泥浆液中加入适量的早强剂,以解决喷粉法施工成桩初期水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩的问题。  

  喷浆施工参数:  

  成桩直径:  50㎝  

  钻进速度: 控制在2~3档(30~50cm/min)  

  电流表读数: 进入持力层I≥60A  

  桩底持续喷浆搅拌时间:  ≥30s  

  提升喷浆速度:  ≤30cm/min  

  喷浆压力:  0.6~1.0Mpa  

  水泥浆水灰比:  0.5  

  早强剂掺量(水泥掺比):  0.8%  

  水泥浆搅拌时间:  ≥30min(每拌)  

  喷浆搅拌桩施工工艺按中华人民共和国交通部发布《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》JTJ017-96关于加固土桩技术规范进行。全部穿过淤泥进入持力层50㎝。以上施工参数进行现场试桩,试桩七天后进行桩体抽芯检测,从桩体抽芯结果来看,成桩连续性与完整性均较好,无沉桩问题。由业主组织设计单位、监理单位和施工单位召开软基处理技术专题会议,决定K9+753~K10+836桥头186m原采用喷粉法施工搅拌桩改为喷浆法施工,原合同单价不变。该段在改用喷浆法施工后,无出现沉桩问题,证明采用喷浆法施工的搅拌桩解决沉桩问题是有效的。工程造价变化不大,经济上是可行的。  

  三、结语  

  在高含水量软基中采用深层搅拌桩处理,从降低地基含水量考虑,常常选用喷粉法施工。而当采用喷粉法出现沉桩问题时,改用在水泥浆液中加入适量的早强剂喷浆法施工来解决沉桩问题。经实践证明采用喷浆法施工的搅拌桩解决沉桩问题是有效的、经济上是可行的。 

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