高压旋喷桩复合地基在砂卵石地层中的应用

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  【摘 要】 通过工程实例介绍高压旋喷桩复合地基在砂卵石地层中的应用,以及高压旋喷桩复合地基的设计、施工工艺流程及相关技术保证措施。
  【关键词】 高压旋喷桩;砂卵石;复合地基;应用
  1 引言
  高压旋喷桩
  2 工程概况
  拟建工程主要由6栋超高层住宅楼及会所组成,地上27~39层,地下2层;采用框架剪力墙结构、筏板基础,基础设计等级为甲级。
  根据主体结构设计单位要求塔楼采用高压旋喷桩对地基进行加固处理。要求加固后筏板基础部分的复合地基承载力特征值满足?spk≥650KPa,压缩模量Es≥25MPa。
  3 工程地质及水文地质条件
  3.1工程地质条件
  据钻探揭示,场地地层结构简单,主要由第四系全新统人工堆填(Q4ml)杂填土、素填土、第四系全新统的(Q4h)淤泥及第四系上更新统冲积(Q3al)的粉质粘土、粉土、细砂和第四系上更新统冲洪积(Q3al+pl)中砂、卵石及中生界白堊系上统灌口组(K2g)泥岩组成等组成,现自上而下分述如下:
  3.1.1杂填土(Q4ml):杂色,松散,稍湿,主要由建筑垃圾、原有建筑物基础、拆迁的混凝土以及回填粘性土、粉土等组成,该层在场地内普遍分布,层厚1.00~7.40m。
  混凝土(Q4ml):青灰色,致密,干,主要是为拆迁的原建筑物基础,局部含少量的钢筋,该层零星分布,层厚1.00~2.70m
  3.1.2素填土(Q4ml):杂色~灰黑色,松散,局部地段呈软塑状,稍湿,主要由粘性土、粉土组成,含少许砼、砖瓦碎片及砂卵石等,该层在场地内局部分布,层厚0.50~5.80m。
  3.1.3淤泥(Q4h):青灰~黑色,可塑~流塑,饱和,主要有粘性土、粉土及植物腐殖质组成,局部含较多的腐朽的树干等,具有腥臭味,局部因粉粒、砂粒含量的变化,相变为淤泥质粉土、细砂等,主要分布于A2-1b建筑场地一带发育于卵石顶板以上。层厚1.00-3.50m。
  3.1.4粉质粘土(Q3al):褐黄色~黄褐色,局部黑色,硬塑,稍湿,主要由粘粒和粉粒组成,裂隙较发育,裂隙处被少许灰白色高岭土充填,局部含高岭土较重,裂隙面较光滑,含大量的铁锰氧化物及少量钙质结核,局部地段富集铁锰氧化物,局部地段被污水浸染,带少许腥臭味,无摇震反应,光泽反应稍有光滑,干强度中等,韧性中等。该层在场地内普遍分布,层厚0.40~5.00m
  3.1.5粉土(Q3al):褐黄色,中密,稍湿,主要由粉粒组成,夹薄层的粉砂及粉质粘土或呈互层状,含少量铁锰氧化物及云母,摇震反应较强,光泽反应无,干强度低,韧性较差;该层在场地内局部分布,层厚0.40~4.60m。
  3.1.6细砂(Q3al):青色~灰黄色,松散,局部地段半胶结,矿物成份主要由长石、石英组成,夹少量云母片,局部因砂粒含量的变化,相变为粉砂、粉土或中砂,主要以薄层或透镜体状零星分布于卵石顶板,层厚0.30~4.80m。
  3.1.7中砂(Q3al+pl):青色~灰黄色,湿~饱和,松散,矿物成分以石英、长石为主,夹少量云母片。局部为细砂,另含20~30cm的卵石,当卵石含量较多时,相变为松散卵石,以薄层状或呈透镜体分布于卵石层中,N120锤击数1.0~3.0击,层厚0.30~3.10m。
  3.1.8卵石(Q3al+pl):深灰~灰黄色,湿~饱和,松散~密实。卵石成分主要由岩浆岩,少量沉积岩等组成,呈亚圆形,一般粒径20~80mm,最大达250mm,含少量漂石;局部地段顶部卵石风化严重,大部分呈强~全风化,卵石易捏碎;中部及下部卵石呈微~中风化,少量卵石呈强风化,充填物主要为中细砂,局部卵石中含少量粉质粘土。卵石层中下部分布有中砂透镜体及夹层,局部卵石层底部含少量泥岩。
  3.1.9泥岩(K2g):
  紫红色,稍湿~湿,以粘土矿物组成为主,局部夹薄层石膏矿物,泥质胶结,散状~块状结构,中~厚层状构造,主要呈中风化,其层理结构部分破坏,风化裂隙较发育,岩石相对完整,岩芯呈20~50cm短柱状,岩芯岩质较硬,局部夹薄层软弱夹层(节理裂隙极发育,岩芯极破碎,局部用手可掰断及捏碎);上部局部地段分布厚度10~150cm的强风化泥岩层(其结构已部分破坏,含大量粘土矿物,岩芯岩质较软,风化裂隙很发育,岩芯极破碎,可用手折断或捏碎)。该层未揭穿,最大揭露厚度14.50m。
  3.2水文地质条件
  场地地下水为赋存于粘性土层中的上层滞水以及第四系砂卵石层中的孔隙型潜水,受地下径流、大气降水补给;排泄方式以地面蒸发、地下径流为主。
  4 地基土的主要计算参数
  勘察单位提供设计使用的各土层物理力学指标建议值,见表1。
  5 高压旋喷桩复合地基设计
  5.1塔楼高压旋喷桩复合地基设计
  5.1.1土层参数选取
  5.1.2.桩径选择:选择桩径为φ600mm。
  5.1.3.桩间土及桩端持力层选择
  根据勘察报告及设计计算,桩顶标高处为细砂土层考虑,地基土承载力特征值?ak=90KPa。以稍(中)密卵石层做为桩端持力层,桩端阻力特征值=1100(1300)KPa,局部地方(如按有效桩长4.2计算,其桩端为中砂或松散卵石层的)以强(中)风化泥岩层做为桩端持力层,桩端阻力特征值=1800(3600)KPa。
  5.1.4单桩承载力计算
  5.1.7桩间距确定按照等边三角形布桩,则由m=d2/de2计算。13号剖面ZK30号钻孔计算得出桩间距为:s=1.131m,施工中取s=1.10m;
  5.1.8.验算复合地基承载力特征值   由公式;m=d2/de2=0.270
  再由
  计算得:?spk=685.64KPa>650KPa;
  故以上选取的设计参数合理,均满足复合地基承载力特征值的要求。
  5.1.9.沉降验算
  5.1.9.1.复合地基沉降验算方法
  复合地基沉降验算一般有以下几种方法:复合模量法、应力修正法、桩身压缩法及桩基规范法,本工程采用桩基规范法进行验算。
  5.1.9.2.沉降计算
  (1)确定复合土层的压缩模量
  地基处理后的沉降计算应按现行的国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002的有关规定执行。
  复合土层的压缩模量可由两种方法求得:
  a.承载力比值法
  复合土层的分层与天然地基相同,各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的值根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)中式9.2.8-1可按下式确定:
  沉降计算经验系数Ψs按现行的国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002的有关规定确定。
  需进行处理的地基土为细砂、中砂和卵石层,其上部地基土(细砂)承载力特征值=90KPa,ES代表值可取10MPa,只要复合地基承载力特征值达到650KPa,则复合地基压缩模量理论上可达到72MPa。其压缩模量与周边采用天然地基的压缩模量基本相当,复合土层压缩模量以复合地基荷载试验结果为准。
  6 高压旋喷施技术及方法
  6.1工艺流程
  施工工艺流程根据工程地质条件,本工程需要加固的地层为中砂、松散卵石,根据成都地区施工经验,采用高压旋喷加固原理:即在超高压(≥20MPa)旋转喷射的水泥浆作用下,软弱土层(如本工程砂、卵石)被冲切破坏并与水泥浆原位搅拌混合,从而形成承载力高、沉降小的混凝土桩体。桩体与桩间土共同作用形成复合地基,从而大幅度提高地基土的承载力与变形指标。工艺流程为测量放线加固范围(雇主提供建筑物轴线、高程以及控制点)→基坑开挖至基础地标高(即:垫层地面标高)→测放旋喷点位→N120成孔(插PVC管护孔)→旋喷钻机喷管、喷嘴锤击至设计深度→由下至上旋喷注浆回灌补浆→桩体养护→人工检底及截桩→地基加固效果检测→褥垫层施工→混凝土垫层施工→基础施工等。具体参见高压旋喷桩施工工艺流程图。
  6.2施工工艺参数
  在进行旋喷桩施工之前,施工工艺参数进行室内浆液配比并按照下列施工工艺参数现场喷射试验,旋喷时做好压力\流量和冒浆量的量测工作,按要求进行记录,出现异常情况及时采取措施进行处理。
  根据试验结果,选用合适的参数以获得均匀密实的成桩。
  浆液:使用P.O42.5R级普通硅酸盐水泥作为固化剂,水灰比1:1。
  浆液压力:20~30MPa
  浆液流量:60~100L/min
  喷嘴孔径:φ3mm
  提升速度:0.1~0.25m/min
  旋转速度:20r/mmin
  6.3质量要求
  旋喷桩固结体需具有一定的整体性和均匀性,在强度要求高的地方施工时,应在水泥中掺入适量的外加剂,桩体强度要求28天不小于8MPa,傾斜度不得大于1.5%。
  7 质量管理技术保证措施
  7.1施工质量控制(自检)按规程JGJ79-2002第12.3节和GB50202-2002条第4.10节进行,应主要抓好:
  (1)定孔位:在定孔位时,一定严格按照设计放样定孔位,其误差不大于2cm,并用木桩固定。在高喷灌浆轴线拐弯处应设固定桩,同时在施工轴线5~10m范围设控制桩。
  (2)造孔:把钻机移至钻孔位置,对准孔位用水平尺掌握机台水平,立轴垂直、垫牢机架、钻机的垂直度满足精度要求,经技术人员验测合格后方可开钻。如发现钻机倾斜,则停机找平后再开钻。采用合金钻头钻进施工,钻孔直径Φ130mm。
  钻进过程中,遇到异常情况及时查明原因,采取相应措施,对地层变化、颗粒大小、硬度等要详细记录,钻孔结束后,由技术人员进行质量检查,合格后方可移位进行下一个孔的钻进。
  (3)喷射管:将喷射台车移至成孔处,先在地面进行浆、气试喷,检查各项工艺参数符合设计要求后将喷射管下至设计深度,经现场质检人员检查认可后方可进行高喷灌浆施工,喷射过程中如遇特殊情况,如浆压过高或喷嘴堵塞等,应将喷射管提出地面进行处理,处理好后再进行施工。
  (4)喷浆材料:采用P.O42.5R普通硅酸盐水泥搅制,水泥应为新鲜无结块,通过0.08mm方孔筛的筛余量为≤5%,每批次进场水泥必须有生产厂家产品合格证,并根据有关规定进行抽查检验。制浆用水必须保证清洁无污染,符合拌制水工砼的要求。
  (5)制浆:按设计配比进行浆液搅制,在制浆过程中应随时测量浆液比重,每孔高喷灌浆结束后要统计该孔的材料用量。浆液用高速搅拌机搅制,拌制浆液必须连续均匀,搅拌时间不小于30S,一次搅拌使用时间宜控制在4h以内。
  (6)喷射提升:当喷射管下至设计深度,开始送入符合要求的浆、气,待注入浆液冒出孔口时,按设计的提升方式及速度自下而上提升,直至提升到设计的终喷高程。
  喷射过程中,值班技术人员应随时检查各环节的运行情况,并根据具体情况采取下列措施:
  ①接、卸换管要快,防止塌孔和堵嘴;
  ②喷射因故障中断,应酌情处理:
  a、因机械故障,要尽力缩短中断时间,及早恢复灌浆;
  b、如中断时间超过1小时,要采取补救措施;
  c、恢复喷射时,喷射管要多下0.3m,保证凝结体的连续性。   (7)回灌:喷射结束后,随即在喷射孔内进行静压充填灌浆,直到浆面不再下沉为止,保证高喷防渗墙固结后墙顶标高,回灌浆液一般采用邻孔高喷冒浆静压充填。
  (8)记录:施工中钻孔、高喷灌浆的各道工序应详细、及时、准确记录,所有记录需按要求使用统一表格。
  7.2褥垫层施工
  (1)严格控制砂卵石料的质量(主要是级配),对干燥的料应撒入少量水以保护一定的湿润(最优含水量);
  (2)褥垫层应夯筑密实,夯填度≤0.9;
  (3)褥垫层厚度为300mm。
  7.3.旋喷桩成桩质量检验标准
  7.4关键过程控制措施
  7.4.1钻机就位:施工前先进行场地平整,做好钻机定位,要求钻机安放保持水平,钻杆保持垂直,其倾斜度不得大于1%,钻头对准孔位中心,允许偏差在50mm以内,钻杆与钻孔方向一致。
  7.4.2钻孔插管:钻孔与插管同时施工为一道工序,射水成孔的同时插管至设计桩底标高位置,此时水压不宜大于1.0MPa。
  7.4.3喷射注浆:
  ①喷射注浆前要检查高压设备和管路系统,并对安全阀进行测定,其运行必须可靠,注浆管接头的密封圈必须无破损、密封性能良好,注浆管及喷嘴内不得有任何杂物。
  ②旋喷使用的水泥必须新鲜无结块,浆液宜在旋喷前半小时以内配制,搅拌时间不得少于3分钟,浆液必须搅拌均匀,浆液存留不得超过4小时,水泥浆比重控制在0.80~1.0之间,防止产生沉淀。
  ③喷射浆液前,先送高压水,后送浆液,再在底部旋喷1分钟,当达到预定喷射压力及喷射量后,边旋转边喷浆,同时控制不同土层提升速度,以防止浆管扭断。
  ④喷射时做好压力、流量和冒浆量的量测工作,并按要求逐项记录,冒浆量控制在20%注浆量以内,大于注浆量20%或完全不冒浆时,应查明原因并采取相应的措施。对冒出地面的浆液,应经过滤、沉淀,除去杂质和调整浓度后,方可回收使用。
  ⑤喷射过程中钻杆的旋转和提升必须连续不断,如发生故障,应停止提升和旋喷,以防止桩体中断,同时立即进行检查排除故障。
  ⑥由于浆液析水特性,防止产生收缩,停灰面应高于设计桩顶标高,施工完成人工破除至设计桩顶标高,以保证桩顶质量。
  ⑦冲洗及移动机具:当喷射提升到停灰面高程后,立即结束旋喷、拔出注浆管,用清水彻底清洗泥浆泵和高压泵及管路,管内、机内不得残存浆液和其它杂物,在机具冲洗时必须保证桥后整洁,禁止泥浆到处漫溢,然后将机具移动到下一孔位进行操作。
  8 地基处理效果
  该工程总工期60天,动用4台高压旋喷钻机,共打入6881根桩。根据规范每栋建筑物选取1%且不少于3个点进行复合地基載荷试验,其试验结果均满足复合地基承载力特征值大于650Kpa。处理效果明显。
  9 结语
  1、高压旋喷桩复合地基可用于高层建筑和超高层建筑,其复合地基承载力高。通过充分利用桩间土大大节约了地基处理工程造价。
  2、高压旋喷桩施工工艺成熟,适用于砂卵石地层中砂层处理。
  3、高压旋喷桩施工简单,工期短,费用低,在地基处理技术中有一定的推广价值。
  参考文献:
  [1]中华人民共和国行业标准.JGJ79-2012建筑地基处理技术规范.北京:中国建筑工业出版社,2012.
  [2]林宗元主编.土工程治理手册.辽宁科技出版社,1993,38-44.
  [3]龚晓南复合地基浙江大学出版社,1992
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