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摘要 :通过新乡至郑州高速公路No.4合同段湿喷桩处理软基的施工实践 ,总结影响湿喷桩成桩质量的关键因素 (钻进速度、钻头、材料 )、施工中遇到的问题及其处理措施。
关键词 :道路工程软土地基湿喷桩施工工艺
中图分类号： TU4 文献标识码： A
1工程概况
新乡至郑州高速公路No.4合同段全长9.5km,起始桩号为 K31+100-K40+600 ,路基宽 35m,路基平均填土高 3.5m。水泥搅拌桩处理路段长 95219 m,搅拌桩桩长 16～18 m,处理桩号范围为 K31+ 390～ K33 +652,位于冲积平原区 ,埋藏浅、厚度大、分布不均匀 ,物理力学性质较差 ,天然含水量一般情况为 40 %～58 %,最大含水量为 95.8%。天然孔隙比一般为 1.1～ 1.7,最大为 2.10 ,压缩系数 a0.1～0.2 =0.63～ 2.24MPa -1。
本段软土地基处置方案主要为水泥深层搅拌桩 ,其次为塑料排水板结合等载、石灰土加良加固。
2影响水泥深层搅拌桩成桩质量的关键因素
2.1钻进速度
水泥深层搅拌桩 (湿喷桩 )一般是采用下钻钻进、提升喷浆、下钻复搅 (全桩长复搅 )和提钻的施工工艺 ,按设计文件要求 ,钻进速度 v ≤1.0m/min ,提升速度 0.4～0.8m/min ,复搅速度 ≯ 0.8m/min。人们对于下钻和提升的速度快好还是慢好、对成桩质量有多大影响 ,一直持有不同的看法。成桩质量主要受水泥用量、喷浆、复搅和桩长四个因素的影响。水泥用量和桩长确定后 ,关键问题是喷浆、复搅是否均匀。持“慢速”观点的人认为慢速喷浆时复搅比较均匀 ,成桩质量好 ;持 “快速”观点的认为下钻、提升速度不论快还是慢 ,每米深度内钻头旋转的次数相差无几 ,快速钻进对成桩质量不会有什么影响。按说快速复搅比慢速复搅对水泥土的均匀性更为有利。在试桩时 ,为了证实快速钻进的效果 ,分别取 6根桩进行平行试验。上海三挡机型钻速可由“二、二、二、二”挡调为“三、二、三、二”挡。经标贯取芯检测发现 ,快速钻进的桩体岩芯完整 ,呈半坚硬 —坚硬状 ,喷浆、复搅均匀 ,与同一断面慢速钻进的桩体岩芯相比 ,相对喷浆、复搅效果要好一些 ,尽管快速钻进试验的断面和桩体标贯取芯抽检的数量偏少了一点 ,但足以说明快速钻进对成桩质量还是有保证的。采用快速钻进 ,不仅可有效控制施工中出现的沉桩、翻淤、翻灰等问题 ,同时还具有降低工程成本、提高工效、缩短施工周期的好处。快速钻进主要是指下钻、复搅、提升的速度比常规要求快 ,喷浆速度适当提高。如果喷浆速度过快 ,一旦与孔底送浆压力不相适应 ,就有可能出现喷浆不均匀和断桩问题。
2.2钻头的形式及结构
水泥土搅拌桩施工中屡屡出现沉桩、翻灰、糊钻和翻淤等问题。出现这些问题的桩 ,通过标贯取芯检测 ,往往发现桩体喷浆不均匀 ,复搅程度较差 ,岩芯不够坚硬完整 ,达不到优质桩的要求。成桩质量较差的原因 ,除与土层、送浆压力、水泥用量等有较大关系外 ,还与钻头的形式和结构有着密切的关系。
新乡至郑州高速公路No.4合同段初进场时的水泥深层搅拌桩 (湿喷 )采用的钻头大部分是 3层或 2层厚板状一字形平钻头,这种钻头在砂性土的软土层中钻进效果还算可以 ,但在粘性土层中钻进时 ,切割、破碎土体的能力非常差 ,下钻时容易将土体挤压成饼状、大块状 ,喷浆的均匀性和复搅效果较差 ,还较多出现抱钻、翻淤和堵管等问题。发现这些问题后 ,将钻头改进为 3层薄板状一字形斜钻头 ,下层刀片由平置改为 35°～40°,并且加焊了利于切土的倒三角或倒牛角刺 ,如图 1 (b)所示。
改进后的钻头克服了翻泥、翻淤、抱钻和因抱钻而堵管的问题 ,经过标贯取芯检测 ,岩芯的完整性和坚硬程度有了很大的改观。不仅在淤泥质亚粘土和上覆粘性土层钻进中取得了较好的效果 ,而且使在淤泥质砂和砂性土层中的搅拌均匀程度得到了明显改善。
2.3水泥、粉煤灰和掺加剂
水泥土的强度与水泥的用量、地质、土层、地下水、淤泥质土的有机质含量及粘土粘粒含量等因素有很大的关系。盐城路段软土地基处主要采用 32.5级普通硅酸盐水泥。当软土天然含水量 ≤ 50 %、水泥用量 50 kg/m时 ,水泥土的强度一般可滿足无侧限抗压强度 R28 =0.70 MPa的设计要求 ;软土天然含水量 >50 %、水泥用量 50 kg/m时 ,室内配合比试验结果普遍偏低 ,一般仅为 0.4～0.7 MPa。因此 ,应根据软土天然含水量较大的现状 ,相应增加水泥用量 ,以提高水泥土的强度和成桩质量。
水泥深层搅拌桩处理路段的软土天然含水量一般多在 60 %以上 ,有的路段甚至高达 95.8%。根据盐城市高指掺粉煤灰或加掺加剂的意见 ,拟定了两种配合比方案 :①加掺加剂 ,按水泥用量 ,加0.2%木钙和 2%生石膏粉。 ②加粉煤灰 10 kg/m。按含水量大小通过反复的室内试验 ,最终确定的水灰比 (加粉煤灰时 ,为水Π(水泥 +粉煤灰 ))为 0.5。粉煤灰是一种无机结合料 ,在水泥土中不仅能起到固化剂的作用 ,同时又是添加剂 ,可增加水泥和土之间的水化反应和离子置换反应。在水泥土中掺入一定数量的粉煤灰后 ,除了粉煤灰自身的火山灰活性作用外 ,水化反应和离子置换反应生成的硅酸钙凝胶可以起到增强作用和改善水泥土和易性及减水的效果 ,从而提高水泥土的密实度和强度。从抽样标贯取芯检测的结果来看 ,成桩的质量比较理想 ,静载试验结果也比较理想 ,三桩复合地基承载力σ≥130 kPa。
比较掺加剂和粉煤灰方案 ,加粉煤灰施工时水泥深层搅拌桩的浆液和易性好得多,成本低 ,施工操作也较方便。盐城路段在高含水量的软土路段水泥深层搅拌桩采用水泥 +粉煤灰进行软土地基处理 ,为软土地区地基的处理提供了宝贵的经验。
3施工中遇到的问题及处理措施
3.1翻浆
翻浆即提钻喷浆至软土层上部 1～2m时 ,水泥浆从桩口溢出 (溢出量 10～20kg) ,多发生在软土含水量小、物理力学指标稍好以及上覆粘土层较干燥的粉喷桩处理路段以及回填土较厚的软土处理路段。凡出现较严重翻浆的桩 ,水泥土喷浆、复搅往往不够均匀 ,经标贯取芯检测 ,成桩质量一般都较差。
处理措施 :①在保证正常送浆的前提下 ,尽量调节和减小送浆时的压力 ;②改进钻头的结构 ,在刀片边部切口 ,为桩底高压气体能量提供释放通道 ;③提高下钻、喷浆、复搅和提钻的速度 ;④出现翻浆桩时 ,桩周打一两根空桩 ,为施工桩提供释放能量的空间 ;⑤为解决土层含水量较小的问题 ,下钻时可适当往孔口内注水 ,以增加土和水泥的结合能力。
以上减压、提速、注水和改进钻头是防止翻浆的主要措施 ,采取这些综合措施处理效果比较明显 ,不仅解决了翻浆问题 ,还减少了堵管现象。
3.2糊钻
3.2.1糊钻的原因分析
糊钻多发生在软土上覆粘土层或软土间粘土夹层塑性指数高、含水量偏小的路段。水泥深层搅拌桩钻进过程中粘土紧紧包裹钻头 ,形成一个同桩径一样大小、高 1m左右的土柱并发生堵管和翻泥的湿喷搅拌桩翻浆。孔口翻上的粘泥约 0.5m3 ,多为大块泥饼。
糊钻的原因主要有两个方面 ,一是粘土的塑性指数高、含水量偏小 ;二是水泥深层搅拌桩的钻头有缺陷。经观察 ,水泥深层搅拌桩采用的是两层或三层厚板状一字型平钻头 ,这种钻头适用于砂性土路段 ,因砂性土较松散 ,易搅拌破碎。在粘性土尤其是塑性指数高、粘结力大的粘土层中钻进 ,平缓的钻头不易将土切割搅碎 ,而是下压将土挤压成饼状 ,一部分沿着孔壁被挤出堆在孔口四周 ,另一部分被挤压粘在钻头刀片之间 ,形成土柱越来越多。
3.2.2糊钻的处理措施
主要是改进钻头。水泥深层搅拌桩钻头由两层或三层厚板状一字型平钻头改为三层薄板状一字型斜钻头 ,下层刀片由平置改为 35°左右 ,并加焊利于切土的倒三角或倒牛角刺。改进钻头的效果很好 ,如在德喜河大桥东侧深层搅拌桩处理段 ,初开钻时在钻进 2m左右就出现糊钻 ,将三层厚板状一字型平钻头当场改为三层薄板状一字型斜钻头加牛角耙刺试验 ,再未发生糊钻、翻泥现象。
3.3堵管
湿喷桩堵管一般有以下几种情况 :①搅拌机内的浆液结块未清理干净 ;②受潮结块的水泥 ,因筛孔有洞而混进管道内 ;③夏天浆管暴晒和严冬施工管道结冰都会产生结块 ,或中断施工后管道、钻头和钻杆中的浆渣未清理干净 ;④淤泥或泥块压入喷浆管内等。这些原因发生的堵管都比较好处理。另一种堵管的原因是出现在桩底或桩下部。本来钻头喷浆管道都很正常 ,但到桩底或桩下部 ,电脑记录仪上明显提示无水泥和浆液。这有两种可能 ,一种是桩下部的压力大于管道内送灰的压力 ,由于反压过大 ,浆液喷不出来 ,造成堵管的假象。这种情况的处理办法是先提钻 2～3 m,再下钻喷浆。如果仍喷不出浆 ,另一种可能是由于反压大 ,将孔中淤泥挤入喷灰管内而造成堵管。
通常的堵管处理办法是清理管道、灰罐 (浆罐 ),结合锤击钻杆和加压 ,并用粗钢丝捅开喷浆口内的堵塞物。另据现场观察 ,水泥深层搅拌桩的喷浆口紧贴在下层刀片的上部安放 ,可相对减少堵管 ;设置一侧喷浆管口喷浆 ,喷浆的均匀性和成桩的质量比两侧管口喷浆要好一些。
4几点建议
(1)明确分清施工工艺是一喷二搅还是二喷四搅 ,以及二喷时的每一次喷浆量比是多少。
(2)配置先进的电脑记录仪和深度仪 ,充分发挥监测仪器的作用 ,用过程资料来控制人为作假。业主和监理应要求承包人将工艺曲线一并上交。
(3)勘察软土的试验项目应有淤泥或泥炭的有机质含量以及粉砂中云母的含量 ,搅拌桩可能难以达到预期的处理目的 ,设计时应考虑其它的处理方案。
(4)对于不同地区、不同情况的软土层 ,下钻和复搅的速度以及钻头形式应通过试验确定。
(5)现场作假的主要手段有 :①水桩浆量用开关控制。趁监理人员不在 ,打开开关利用仪器内的电池仿真流量 ;②利用仪器的内存储数据 ,更改表头参数 ; ③在家利用仪器预先做好或事后做资料。建议加强这方面的监督。
关键词 :道路工程软土地基湿喷桩施工工艺
中图分类号： TU4 文献标识码： A
1工程概况
新乡至郑州高速公路No.4合同段全长9.5km,起始桩号为 K31+100-K40+600 ,路基宽 35m,路基平均填土高 3.5m。水泥搅拌桩处理路段长 95219 m,搅拌桩桩长 16～18 m,处理桩号范围为 K31+ 390～ K33 +652,位于冲积平原区 ,埋藏浅、厚度大、分布不均匀 ,物理力学性质较差 ,天然含水量一般情况为 40 %～58 %,最大含水量为 95.8%。天然孔隙比一般为 1.1～ 1.7,最大为 2.10 ,压缩系数 a0.1～0.2 =0.63～ 2.24MPa -1。
本段软土地基处置方案主要为水泥深层搅拌桩 ,其次为塑料排水板结合等载、石灰土加良加固。
2影响水泥深层搅拌桩成桩质量的关键因素
2.1钻进速度
水泥深层搅拌桩 (湿喷桩 )一般是采用下钻钻进、提升喷浆、下钻复搅 (全桩长复搅 )和提钻的施工工艺 ,按设计文件要求 ,钻进速度 v ≤1.0m/min ,提升速度 0.4～0.8m/min ,复搅速度 ≯ 0.8m/min。人们对于下钻和提升的速度快好还是慢好、对成桩质量有多大影响 ,一直持有不同的看法。成桩质量主要受水泥用量、喷浆、复搅和桩长四个因素的影响。水泥用量和桩长确定后 ,关键问题是喷浆、复搅是否均匀。持“慢速”观点的人认为慢速喷浆时复搅比较均匀 ,成桩质量好 ;持 “快速”观点的认为下钻、提升速度不论快还是慢 ,每米深度内钻头旋转的次数相差无几 ,快速钻进对成桩质量不会有什么影响。按说快速复搅比慢速复搅对水泥土的均匀性更为有利。在试桩时 ,为了证实快速钻进的效果 ,分别取 6根桩进行平行试验。上海三挡机型钻速可由“二、二、二、二”挡调为“三、二、三、二”挡。经标贯取芯检测发现 ,快速钻进的桩体岩芯完整 ,呈半坚硬 —坚硬状 ,喷浆、复搅均匀 ,与同一断面慢速钻进的桩体岩芯相比 ,相对喷浆、复搅效果要好一些 ,尽管快速钻进试验的断面和桩体标贯取芯抽检的数量偏少了一点 ,但足以说明快速钻进对成桩质量还是有保证的。采用快速钻进 ,不仅可有效控制施工中出现的沉桩、翻淤、翻灰等问题 ,同时还具有降低工程成本、提高工效、缩短施工周期的好处。快速钻进主要是指下钻、复搅、提升的速度比常规要求快 ,喷浆速度适当提高。如果喷浆速度过快 ,一旦与孔底送浆压力不相适应 ,就有可能出现喷浆不均匀和断桩问题。
2.2钻头的形式及结构
水泥土搅拌桩施工中屡屡出现沉桩、翻灰、糊钻和翻淤等问题。出现这些问题的桩 ,通过标贯取芯检测 ,往往发现桩体喷浆不均匀 ,复搅程度较差 ,岩芯不够坚硬完整 ,达不到优质桩的要求。成桩质量较差的原因 ,除与土层、送浆压力、水泥用量等有较大关系外 ,还与钻头的形式和结构有着密切的关系。
新乡至郑州高速公路No.4合同段初进场时的水泥深层搅拌桩 (湿喷 )采用的钻头大部分是 3层或 2层厚板状一字形平钻头,这种钻头在砂性土的软土层中钻进效果还算可以 ,但在粘性土层中钻进时 ,切割、破碎土体的能力非常差 ,下钻时容易将土体挤压成饼状、大块状 ,喷浆的均匀性和复搅效果较差 ,还较多出现抱钻、翻淤和堵管等问题。发现这些问题后 ,将钻头改进为 3层薄板状一字形斜钻头 ,下层刀片由平置改为 35°～40°,并且加焊了利于切土的倒三角或倒牛角刺 ,如图 1 (b)所示。
改进后的钻头克服了翻泥、翻淤、抱钻和因抱钻而堵管的问题 ,经过标贯取芯检测 ,岩芯的完整性和坚硬程度有了很大的改观。不仅在淤泥质亚粘土和上覆粘性土层钻进中取得了较好的效果 ,而且使在淤泥质砂和砂性土层中的搅拌均匀程度得到了明显改善。
2.3水泥、粉煤灰和掺加剂
水泥土的强度与水泥的用量、地质、土层、地下水、淤泥质土的有机质含量及粘土粘粒含量等因素有很大的关系。盐城路段软土地基处主要采用 32.5级普通硅酸盐水泥。当软土天然含水量 ≤ 50 %、水泥用量 50 kg/m时 ,水泥土的强度一般可滿足无侧限抗压强度 R28 =0.70 MPa的设计要求 ;软土天然含水量 >50 %、水泥用量 50 kg/m时 ,室内配合比试验结果普遍偏低 ,一般仅为 0.4～0.7 MPa。因此 ,应根据软土天然含水量较大的现状 ,相应增加水泥用量 ,以提高水泥土的强度和成桩质量。
水泥深层搅拌桩处理路段的软土天然含水量一般多在 60 %以上 ,有的路段甚至高达 95.8%。根据盐城市高指掺粉煤灰或加掺加剂的意见 ,拟定了两种配合比方案 :①加掺加剂 ,按水泥用量 ,加0.2%木钙和 2%生石膏粉。 ②加粉煤灰 10 kg/m。按含水量大小通过反复的室内试验 ,最终确定的水灰比 (加粉煤灰时 ,为水Π(水泥 +粉煤灰 ))为 0.5。粉煤灰是一种无机结合料 ,在水泥土中不仅能起到固化剂的作用 ,同时又是添加剂 ,可增加水泥和土之间的水化反应和离子置换反应。在水泥土中掺入一定数量的粉煤灰后 ,除了粉煤灰自身的火山灰活性作用外 ,水化反应和离子置换反应生成的硅酸钙凝胶可以起到增强作用和改善水泥土和易性及减水的效果 ,从而提高水泥土的密实度和强度。从抽样标贯取芯检测的结果来看 ,成桩的质量比较理想 ,静载试验结果也比较理想 ,三桩复合地基承载力σ≥130 kPa。
比较掺加剂和粉煤灰方案 ,加粉煤灰施工时水泥深层搅拌桩的浆液和易性好得多,成本低 ,施工操作也较方便。盐城路段在高含水量的软土路段水泥深层搅拌桩采用水泥 +粉煤灰进行软土地基处理 ,为软土地区地基的处理提供了宝贵的经验。
3施工中遇到的问题及处理措施
3.1翻浆
翻浆即提钻喷浆至软土层上部 1～2m时 ,水泥浆从桩口溢出 (溢出量 10～20kg) ,多发生在软土含水量小、物理力学指标稍好以及上覆粘土层较干燥的粉喷桩处理路段以及回填土较厚的软土处理路段。凡出现较严重翻浆的桩 ,水泥土喷浆、复搅往往不够均匀 ,经标贯取芯检测 ,成桩质量一般都较差。
处理措施 :①在保证正常送浆的前提下 ,尽量调节和减小送浆时的压力 ;②改进钻头的结构 ,在刀片边部切口 ,为桩底高压气体能量提供释放通道 ;③提高下钻、喷浆、复搅和提钻的速度 ;④出现翻浆桩时 ,桩周打一两根空桩 ,为施工桩提供释放能量的空间 ;⑤为解决土层含水量较小的问题 ,下钻时可适当往孔口内注水 ,以增加土和水泥的结合能力。
以上减压、提速、注水和改进钻头是防止翻浆的主要措施 ,采取这些综合措施处理效果比较明显 ,不仅解决了翻浆问题 ,还减少了堵管现象。
3.2糊钻
3.2.1糊钻的原因分析
糊钻多发生在软土上覆粘土层或软土间粘土夹层塑性指数高、含水量偏小的路段。水泥深层搅拌桩钻进过程中粘土紧紧包裹钻头 ,形成一个同桩径一样大小、高 1m左右的土柱并发生堵管和翻泥的湿喷搅拌桩翻浆。孔口翻上的粘泥约 0.5m3 ,多为大块泥饼。
糊钻的原因主要有两个方面 ,一是粘土的塑性指数高、含水量偏小 ;二是水泥深层搅拌桩的钻头有缺陷。经观察 ,水泥深层搅拌桩采用的是两层或三层厚板状一字型平钻头 ,这种钻头适用于砂性土路段 ,因砂性土较松散 ,易搅拌破碎。在粘性土尤其是塑性指数高、粘结力大的粘土层中钻进 ,平缓的钻头不易将土切割搅碎 ,而是下压将土挤压成饼状 ,一部分沿着孔壁被挤出堆在孔口四周 ,另一部分被挤压粘在钻头刀片之间 ,形成土柱越来越多。
3.2.2糊钻的处理措施
主要是改进钻头。水泥深层搅拌桩钻头由两层或三层厚板状一字型平钻头改为三层薄板状一字型斜钻头 ,下层刀片由平置改为 35°左右 ,并加焊利于切土的倒三角或倒牛角刺。改进钻头的效果很好 ,如在德喜河大桥东侧深层搅拌桩处理段 ,初开钻时在钻进 2m左右就出现糊钻 ,将三层厚板状一字型平钻头当场改为三层薄板状一字型斜钻头加牛角耙刺试验 ,再未发生糊钻、翻泥现象。
3.3堵管
湿喷桩堵管一般有以下几种情况 :①搅拌机内的浆液结块未清理干净 ;②受潮结块的水泥 ,因筛孔有洞而混进管道内 ;③夏天浆管暴晒和严冬施工管道结冰都会产生结块 ,或中断施工后管道、钻头和钻杆中的浆渣未清理干净 ;④淤泥或泥块压入喷浆管内等。这些原因发生的堵管都比较好处理。另一种堵管的原因是出现在桩底或桩下部。本来钻头喷浆管道都很正常 ,但到桩底或桩下部 ,电脑记录仪上明显提示无水泥和浆液。这有两种可能 ,一种是桩下部的压力大于管道内送灰的压力 ,由于反压过大 ,浆液喷不出来 ,造成堵管的假象。这种情况的处理办法是先提钻 2～3 m,再下钻喷浆。如果仍喷不出浆 ,另一种可能是由于反压大 ,将孔中淤泥挤入喷灰管内而造成堵管。
通常的堵管处理办法是清理管道、灰罐 (浆罐 ),结合锤击钻杆和加压 ,并用粗钢丝捅开喷浆口内的堵塞物。另据现场观察 ,水泥深层搅拌桩的喷浆口紧贴在下层刀片的上部安放 ,可相对减少堵管 ;设置一侧喷浆管口喷浆 ,喷浆的均匀性和成桩的质量比两侧管口喷浆要好一些。
4几点建议
(1)明确分清施工工艺是一喷二搅还是二喷四搅 ,以及二喷时的每一次喷浆量比是多少。
(2)配置先进的电脑记录仪和深度仪 ,充分发挥监测仪器的作用 ,用过程资料来控制人为作假。业主和监理应要求承包人将工艺曲线一并上交。
(3)勘察软土的试验项目应有淤泥或泥炭的有机质含量以及粉砂中云母的含量 ,搅拌桩可能难以达到预期的处理目的 ,设计时应考虑其它的处理方案。
(4)对于不同地区、不同情况的软土层 ,下钻和复搅的速度以及钻头形式应通过试验确定。
(5)现场作假的主要手段有 :①水桩浆量用开关控制。趁监理人员不在 ,打开开关利用仪器内的电池仿真流量 ;②利用仪器的内存储数据 ,更改表头参数 ; ③在家利用仪器预先做好或事后做资料。建议加强这方面的监督。