粉喷桩技术在软基处理及桥梁桥头跳车中的应用

第１９卷第３期　浙江水利水电专科学校学报　Ｊ．Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｗａｔ．Ｃｏｎｓ＆Ｈｙｄｒ．ＣｏＨｅｇｅ　Ｖ０１．１９　Ｎｏ．３　Ｓｅｐ．２００７　２００ｒ７年９月　粉喷桩技术在软基处理及桥梁桥头跳车中的应用　李晓英　，林育萍　（１．浙江省湖州南太湖水利水电勘测设计院有限公司，浙江湖州３１３０００；２．浙江省公路管理局，浙江杭州３１０００９）　摘要：通过某开发区市政桥梁软基处理的实例，对粉喷桩加固软土地基的技术原￣Ｚｋ＿ｒ－程设计、施工工艺作了扼要分　析，证明粉喷桩处理桥台软土地基有固土脱水、改性增强地基土的作用，是消除桥头跳车的有效手段．　关键词：粉喷桩；软土地基；桥头跳车　中图分类号：Ｕ４４３．８２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００８—５３６Ｘ（２００７）０３。００７９。０３　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｏｗｄｅｒ　Ｓｐｒａｙｉｎｇ　Ｐｉｌｅ　ｉｎ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｏｆｔ　Ｓｏｉｌ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃａｒ　Ｊｕｍｐ　ａｔ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｅｎｄｓ　，』Ｘｉａｏ—ｙｉｎＥ　．ＬＩＮ　Ｙｕ－ｐｉｎｇ　（１．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｏｗｅｒｐ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈ　Ｔａｉｈｕ　Ｌａｋｅ，Ｈｕｚｈｏｕ　３　１３０００，Ｃｈｉｎａ）　（２．Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｒｏａｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｉｔｏｎ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１０００９，Ｃｈｉａ）ｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｎ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｚｏｎｅ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｈｅ　ｄｅｓｉｇｔｎ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｄｅｒ　ｓｐｒａｙｉｎｇ　ｐｉｌｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｔｒｅａｍｌｅｎｔ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ，　ｈｅ　ｅｘａｔｍｐｌｅ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｏｗｄｅｒ　ｓｐｒａｙｉｎｇ　ｐｉｌｅ　ｃａｎ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ，　ｎｄ　ａｉｔ　Ｃａｎ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｈｅｔ　Ｃｒ　ａｊｕｍｐ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｄｓ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｂｒｉｄｇｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｗｄｅｒｐ　ｓｐｒａｙｉｎｇ　ｐｉｌｅ；ｓｏｆｔ　ｓｏｔｆ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｃａｒ　ｊｕｍｐ　ａｔ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｅｎｄｓ　０　引　言　随着我国城市化进程的加速，市政道路和桥梁的　建设取得了长足的进步，由于对桥台基础和道路连接　处理效果和工期、经费、地质等综合情况，决定采用粉　体喷射搅拌桩（简称粉喷桩，ＤＪＭ）进行处理．ＤＪＭ系采　用粉体材料作为固化剂，再通过搅拌机械强制性的搅　拌使原位地基土和固化剂充分混合，并发生理化反应，　从而使高压缩性高含水量的淤泥质软土的强度得以大　段的不均匀沉降缺乏足够的重视，致使桥头跳车现象　已成为城市道路建设中常见的质量缺陷之一，并成为　多年来一直困扰路桥行业设计施工的一大难题．桥头　跳车现象，不仅使车辆减速造成坐车的不适感，严重的　桥头跳车甚至导致车辆剧烈颠簸及失控等现象，威胁　大提高…１．以期桥头路基竣工并投入运行后，其沉降值　在预期允许的范围内．　１　产生桥头跳车的原因　１．１　软土地基的高压缩性所致　着交通安全．为此，本文通过采用粉喷桩技术解决软土　地基上桥头跳车的一个工程实例从理论与实践上进行　了一些分析和探讨．　平原水网地区的桥涵地下水位高，且多属软土，由　于其天然含水量通常可达３０％～６０％，具有高压缩　性、大空隙比和抗剪强度低等“两高一低”的特点，一旦　受到外部荷载特别是动载负荷的作用，极易产生沉降，　再加上桥头路基填筑高度大，导致基底应力也大，在车　辆荷载作用下更容易引起地基沉陷．　实例为某开发区一项市政配套工程，对道路行车　的安全性、舒适性要求很高．该工程位于冲海积平原软　土分布区，因此“桥头跳车”就成为一个不容回避和必　须解决的问题．参考附近区域类似的工程实例，考虑到　收稿日期：２００７。０２—０９　１．２台背填料的影响　作者简介：李晓英（１９７５一），女，浙江宁波人，工程师，主要从事水利　工程设计工作．　台背填料一般均采用高渗透性材料，由于其空隙　率大，施工中一时难以填筑密实．但随着时间的推移，　维普资讯 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浙江水利水电专科学校学报　第１９卷　在公路自重及车辆垂直荷载与振动荷载的共同作用　分，从而使软土脱排水和加固的效果更为显著；　（２）水泥干粉通过全面喷射和充分搅拌使固化剂　下，其孔隙率会逐步降低，而密实度则将逐渐增大，从　均匀的分布于土中，不会产生不均匀的散乱现象，因而　而导致桥梁桥台结合部的不均匀沉降并造成跳车．　有利于整个软土地基的脱水和强度的提高．　１．３结构刚柔突变的影响　构筑物桥台一般均采用刚性较大的钢筋砼浇注而　成，具有较大的整体刚度，而与之相连的道路，则为刚　度较小、柔性较大且较易沉降变形的弹塑性体．在车辆　３粉喷桩的设计计算　为避免“桥头跳车”和控制沉降需对粉喷桩进行计　荷载作用下，刚度差使道路与桥台的连接处出现较大　的塑性变形，从而产生不均匀沉降并导致桥头跳车．　１．４设计问题　部分工程未按设计规范要求在桥台连接部位设置　过渡段，对于软基路段，在沉降还未稳定时应考虑先设　过渡性路面，使路堤沉降基本完成后再加铺原路面，在　桥台与路面搭接处应设置胀缝．　１．５施工不当　一些施工单位没有严格按施工规范作业，只求进　度而忽视质量，在进行台背回填时填筑速度过快，铺筑　厚度控制不严，加上材料把关不严，人工压实的压实度　未达到要求，台背的防护排水工程又设置不当，致使高　填土引道发生不稳定和不均匀沉降，从而造成跳车．　２　粉喷桩加固的主要原理　２．１　加固机理　２．１．１水泥的水解与水化反应　水泥与土充分拌和后，水泥中的硅酸二钙（ｃ２ｓ）、　硅酸三钙（Ｃ３Ｓ）、铝酸三钙（Ｃ３Ａ）、铁铝酸四钙（Ｃ４ＡＦ）、　硫酸钙（ＣａＳ０４）等立即与软土中的水发生水解和水化　反应，并生成各种柱状或针状结晶的化合衍生物形成　受力骨架　２．　２．１．２离子交换与团粒作用　大量的Ｃａ：　与Ｋ　、Ｎａ　通过吸附交换后，形成了团　粒较大的水泥土并封闭团粒间的空隙，水的离析排出和　土体间的联结又使水泥土的强度得以大幅度地提高．　２．１．３水泥的碳化反应　水泥中大量的Ｃａ２　与土、水中游离的Ｃ０２发生化　学反应后，生成ＣａＣＯ　沉淀，从而进一步增加水泥土的　强度．　．　２．２加固材料　一般均采用水泥或石灰粉作为固化剂．因本工程　地基软土的含水量均在４５％以上，故决定采用ｐｏ　４２．５　普通硅酸盐水泥干粉搅拌加固，其用量为５０　ｋｇ／ｍＥ　．　本方法主要有以下优点：　（１）使用水泥干粉可充分吸收软土地基中的水　算．主要步骤如下：　（１）根据不同的地层结构，需采用适当的方法进行　沉降计算，并确定加固深度．即要求桥台竣工后其沉降　应控制在１０　ｃｍ以内，由于软土深度大部分均位于地表　以下１０　ｍ左右，故确定粉喷桩长应在８—１３　ｍ之间；　（２）根据土质条件、固化剂掺量、室内配比试验和　现场施工经验，正确选择桩身强度、水泥掺入量及有关　参数．根据试验资料，水泥土的强度随着水泥掺量的增　大而增大，但掺量达到５０　ｋｇ／ｍ以上时，水泥掺量与水　泥土强度增加的效果变得不明显，而且养护龄期越长，　强度越大．故本工程最后确定桩身强度为１．２　ＭＰａ，水　泥掺入量为５０　ｋｇ／ｍ．３组抽检结果为：２１　ｄ龄期的平　均强度为１．６１　ＭＰａ，４３　ｄ龄期的平均强度为２．１４　ＭＰａ，４６　ｄ龄期的平均强度为２．６１　ＭＰａ；　（３）根据桩身强度的大小及桩的断面尺寸计算单　桩承载力；　（４）由单桩承载力及土质条件计算有效桩长；　（５）由单桩承载力、有效桩长和上部要求达到的　复合地基承载力，计算桩土面积；　（６）再根据桩土面积的置换率和基础形式进行布　桩，桩的平面布置一般均为梅花型，本工程主要在路基　范围内布置；　（７）本工程采用软土地基路基设计程序ＲＴ９８进　行计算，通过试算确定桩长和桩间距．在控制沉降的同　时，又进行了路堤稳定性的计算，以确保两者均能满足　要求．由于施工技术和质量控制尚有问题，１０　ｍ以下　粉喷桩普遍存在喷灰量不足、搅拌不均匀和强度提高　不大等现象．因此，当桩承载力达到要求后，应尽量通　过减短桩长和缩小桩间距（桩间距基本上在１．０　ｍ左　右）等办法来控制沉降量ｌ　；　（８）桥头处理长度中小桥一般为３０　ｍ，本工程处　理长度为６０　ｍ．　４粉喷桩施工　４．１　施工机械　本工程采用ＤＪＢ一１４Ｄ型深层单轴搅拌机．　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　李晓英等．粉喷桩技术在软基处理及桥梁桥头跳车中的应用　８１　４．２施工准备　由于桥头原先填有宕渣，施工前必须先行挖除，然　后整平场地，铺上３０　ｅｍ砂砾垫层，再进行施工放样，　并确定桩位、桩号．　４．３施工工艺　５　质量检测　５．１浅部开挖桩头　其深度从停灰面以下直到桩实体，一般深度为５０　ｅｍ．并主要用于检查搅拌的均匀性、成桩直径，其抽样　应该严格按照设计桩位及规范要　（１）钻机就位检查频率为１０％．根据国家海洋局第二海洋研究所的　检测报告，本工程被抽检的桩呈“灰色，含灰量中等，搅　拌均匀，固结良好，呈中柱状”＂；　５　２钻探取芯　求定位，对孔误差不大于５０　ｒａｉｎ，钻机主轴垂直度误差　应不大于１％，并保持机座平稳，钻杆竖直．　（２）预搅下沉钻机就位后，可开始预搅下沉，并　使钻机成正向旋转钻进，同时通过空压机送气以减轻　负载并防止喷射口堵塞，直至钻至设计深度．本工程钻　进速度控制在０．８　ｍ／ｍｉｎ左右．　粉喷桩施工前必须钻探取芯检测，并符合有关规　定＿５　；同时采取措施保证岩芯采取率．钻进时除现场进　行记录描述外，还必须做无侧限抗压强度试验，取样测　（３）粉喷桩提升钻进深度经检查无误后即开始　试间距为１．０—０．５　ｒｎ，必要时还应对桩芯水泥做含水　喷粉，并使水泥均匀喷人桩位下端与土充分拌和．本工　量试验．抽检工程宜在成桩２８　ｄ后进行，抽检频率一　程采用的反转提升速度为０．６　ｍ／ｍｉｎ．　般为２％，并视需要增加抽检数量．本工程芯样采取率　（４）复搅为了保证粉体充分均匀搅拌，需再次　在８３％　９７％之间，强度试验报告桩的抗压强度都在　将搅拌头下沉到设计深度进行复搅，并在提升时喷掉　１．２　ＭＰａ以上，符合设计要求．　剩余灰量．　６　结　语　（５）钻机移位经重复搅拌完成后，该桩即施工　完毕，此时应将钻机及时移至另一桩位继续施工．　近１０多年来国内围绕软土地基上路桥连接处跳　４．４质量控制措施　车现象，运用粉喷桩处理成功解决了软土地基不均匀　沉降而带来的路桥行业难题．本工程经粉喷桩施工处　为严格质量要求，必须确保钻机准确就位和钻杆　竖直．其地面高程一般可高于桩顶０．５　ｍ；　钻至设计深度时，应严禁停气或停止搅拌，并保持　深度不变，再空搅１—２　ｍｉｎ，以防止喷口堵塞；　水泥喷洒应均匀．由于水泥喷洒量受喷射压力的　影响，因此为掌握适宜的压力，在正式开钻前应先试桩　３　５根．设压力在一定的范围内时，其水泥喷洒量与　提升速度呈如下关系：　ｇ＝（丌／４）Ｄ　Ｐａ　理，达到设计要求的预压时间后，经沉降观测，均控制　在规范要求的范围之内，因此处理是成功的．大量的工　程实践证明，在软土层厚度小于１０　ｒｎ的情况下，采用　粉喷桩处理时，应尽量打穿软土层以充分发挥粉喷桩　固土脱水和增强改性的作用．因此，在桥台软土地基土　层不是很厚的情况下，粉喷桩处理桥台技术是目前解　决跳车现象的一种有效手段，可在具有类似条件的地　区大力推广．　１）河海大学，南京公路建设处．粉体喷射深层搅拌桩加固机理及施　工质量控制研究报告，１９９８．　式中：Ｐ一软土容重，ｔ／ｍ；　口　一水泥掺人比；　钻头提升速度，ｍ／ｍｉｎ；　一Ｄ一钻头直径，ｒｎ．　本工程设计的９．５　ｒｎ粉喷桩（　０．５　ｒｎ）其单桩喷　粉量在４６８—５０１　ｋｇ间；　参考文献：　［１］　叶书麟．地基处理工程实例应用手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出　版社，１９９８．　（１）如在喷粉过程中发生意外断桩，应在１２　ｈ内　处理，处理时应重新搅拌至断桩面以下１　ｒｎ处，并继续　采用上述方法喷粉提升；　（２）当提升至设计桩顶高程以下３０　ｅｍ时，应停止　［２］钱家欢．土力学［Ｍ］．南京：河海大学出版社，１９９５．　［３］叶书麟．地基处理ＥＭ］．北京：中国建筑工业出版社，１９８８．　［４］杨涛，殷宗泽．复合地基沉降的复合本构有限元分析［Ｊ］．岩土　力学，１９９８（２）：１９—２５．　喷粉，并用压缩空气吹尽输送管内的余粉．　［５］刘清波．粉喷桩检测方法［Ｊ］．地基处理，１９９８，９（１）：１６．