水泥粉喷桩加固大型水闸地基的实践与体会
水泥粉喷桩加固大型水闸地基的实践与体会 1.概述 粉体喷射搅拌法是近二十年来大规模发展起来的地基加固处理技术。该法 由瑞典人Kield Paus提出设想,1974年在瑞典首都斯德哥尔摩以南约十公里处的 Hudding首次用石灰粉体喷射搅拌法作为路堤和深基坑边坡稳定措施,并取得成 功。我国铁道部于1984年首次成功运用于广东省云浮硫铁矿铁路专用线软基加固。水泥粉喷法是利用喷粉桩机,将水泥干粉喷入软弱基土中,并在原位进行强制搅拌, 通过水泥和土的一系列复杂的物理化学作用形成水泥土桩体,与基土共同作用形 成复合地基,达到提高承载力和减少沉降的目的。该技术成本低、工效快,曾大量 运用于铁路、建筑工程地基加固,但大型水利工程的运用较为鲜见。何巷闸将该 技术成功运用于地基加固,开辟了一条新路。
2.工程设计 2.1工程概况 何巷闸是治淮战略骨干工程怀洪新河的进口控制工程,位于安徽省怀远县 境内淮北大堤涡河圈堤上,属Ⅰ等1级建筑物,该闸以分洪为主,设计分洪流量 2000m3/s,并兼有蓄水和引水作用,单孔净宽8m,共分14孔,闸室为钢筋砼胸墙式结 构,底槛高程15.37m,胸墙底高程21.37m,闸室高10.5m,顺水流向长20m,闸室上游采 用半径为20m的圆弧型翼墙,下游采用缓变曲线型翼墙,翼墙挡土高度10.5m,采用 钢筋砼格仓式结构。
2.2地质条件 工程位于淮河、涡河冲积平原上,揭露的地层均为淮河、涡河的冲积、淤 积层,具有较为典型的河流相冲淤积地层特征(即颗粒质结构大致辞上细下粗),从 钻探资料所揭示的地层来看,闸室底板以下地层分布如下: 第一层:灰黄色淤质重粉质壤土,淤质粉质粘土,流塑~软塑状,饱和、高压缩 性,含水量42.8%,干重度12.7KN/m3,孔隙比1.293,液性指数1.22,天然地基承载能力 70Kpa。层底高程10.6~10.8m,厚约4~4.5m;
第二层:黄、棕色重粉质壤土,粉质粘土,硬塑状,中偏低压缩性,含水量22.4%, 干重度16.6KN/m3,孔隙比0.642,液性指数0.27,天然地基承载能力200Kpa,该层层厚约3m,层底高程7.5~8.5m;
第三层:极细砂、细砂,黄色、中密状,顶部约1m厚为砂壤土,下部夹有较厚 的粉质壤土透镜体,本层已揭露厚度大于16m,天然地基承载能力200Kpa。
场地地下水有两种类型,①~②层地下水为潜水,水位高低主要受大气降水、 河水位影响,雨季稍高,约18~19.2m;③层以下地下水具有承压性,第二层重粉质壤 土为完整的隔水层,据大范围地质钻孔资料分析,该层含水与涡河河槽不直接连通, 地下水位主要受潜水越流补给,地下水位约17.5~18.5m。
2.3地基处理设计 2.3.1确定方案 何巷闸闸室、岸墙及上游翼墙均座落于第一屋淤质土层上,天然地基承载 能力仅70Kpa,而它们的基底压力则分别达到了100Kpa、190Kpa和200Kpa,显然需 采取加固措施。设计中曾考虑了钢筋砼灌注桩、碎石振冲桩和水泥粉喷桩等方案, 认为采用灌注桩需钻穿第三层隔水层,引起该区域水文地质条件变化,给以后的管 理运行带来复杂的不定因素;采用碎石振冲桩虽可解决承载力问题,但其抗渗性能 差,易产生渗透变形,而本闸防洪期持水水头差又较大,水泥粉喷桩水仅可以提高 地基承载力,抗渗性能好,而且造价低,只要严格按设计要求控制进尺,喷粉量,采用 全程复搅使桩身均匀,同时解决好桩底水泥土与下卧硬土层的结合问题 2.3.2设计计算 根据搅拌桩的作用机理可知,所形成的水泥土桩体与桩周土组成复合地基 共同承担建筑物荷载,由于二者刚度相差较大,桩体与桩间土如何分担建筑物荷载 是较为复杂的问题,目前,可按下列经验公式计算。
fsp.k=Rk.m/Ap+β(1-m)fsk Esp.k=[1+m(n-1)]Esk 式中:fsp.k ----------复合地基承载力标准值 (kpa) fsk -----------桩间土承载力标准值 (kpa) m -----------桩土置换率Ap ----------水泥土桩体横截面积 (m2) β-----------桩间土承载力拆减系数,桩间为硬土可取0.1~0.4 Rk ----------单桩竖向承载力 (KN) Esp.k --------复合地基压缩模量 (Mpa) Esk ----------桩间土压缩模量 (Mpa) n ------------桩土应力比 通过计算,闸室底板、岸墙及上游翼墙桩土置换率分别为0.196、0.348和0.40, 均采用正方形布置,桩径0.5m,桩距依次为1.0、0.75和0.70m。考虑到水闸岸墙及引 堤超载影响,为减少岸墙后引堤超载引起的后仰沉降量,岸墙后另布置三排护桩, 其他结构底板轮廓外布置一排护桩。
3.施工控制 粉喷桩地基加固技术成本低、工效快,曾大量运用于工民建工程,后因其喷 粉量、搅拌均匀性等不易控制,一般重要建筑物特别是水平荷载较大的水利工程 均不再推荐采用,何巷闸为大型Ⅰ级水闸,如何保证施工质量是该闸地基加固处理 的关键所在。
3.1工艺性试桩 为保证工程桩的成桩质量,在正式实施粉喷桩之前,均应按设计确定的初步 施工工艺打设工艺试验桩。何巷闸工程共布置了10根工艺性试桩,两根为一组,分 别以进入硬土层0.5m和1.0m,半程复搅和全程复搅。不同的钻进速度和提升速度、 喷灰时间、钻机电流等参数成桩,试桩7天内,在搅拌桩d/4位置钻孔取芯,重点观察 桩底与硬土层结合面、桩进入硬土层质量、桩身的均匀性,最后确定了详细的成 桩工艺:①桩身进入下卧硬土层0.5m,此时钻机电流约65A;②钻进和提升速度不大 于1米/分钟;③成桩采用全程复搅;④钻头到桩底时原地旋转1分钟,开启灰罐,再间 隔10秒后,钻杆提升。工艺性试桩所确定的参数,为施工、监理单位提供了操作性 很强的量比指标,为保证工程质量提供了可靠的依据。
3.2工程桩施工粉喷桩的质量除科学的设计作为保证之外,关键还在于施工质量,何巷闸为 淮北大堤上的Ⅰ级建筑物工程,保证工程质量是建设、设计、监理的共同目标,各 参建单位领导也高度重视,在整个实施过程中,施工单位成立了以项目经理为组长 的地基处理领导小组,监理单位全程旁站监理,设计单位长驻工地配合,严格按照 工艺桩所确定的各种参数有序施工,克服雨雪天气,在一个月时间内顺利完成了 4875根粉喷桩施工,经对101根桩的抽样轻便触探试验和静载试验,施工质量满足 设计要求,达到了预期目的。
3.3.1轻便触探 按照有关规范,对不少于2%桩数进行抽样检验,根据轻便触探击数(N10)与 水泥土强度对比关系来看,当桩身24h龄期30cm是入度的击数N10大于15击时,可 以认为强度已能满足设计要求,由于桩身较短(4.0m 3.3.2静载试验 为更加直观的检验粉喷桩的加固效果,在闸底板范围内抽样进行了单桩复 合地基、四桩复合地基垂直承载力静探试验,同时进行了桩间土垂直承载力试验。
单桩复合地基承台板面积为1.0x1.0m,四桩复合地基承台板面积2.0x2.0m,均与设 计置换率相同,加载方法为均匀堆载。试验结果为:单桩复合地基垂直承载力标准 值fk≥138kpa,沉降s=4mm;四桩复合地基fk≥120kpa, s=8mm,桩间土 fk=72kpa,s=4mm。试验结果表明,由于群桩效应,四桩复全地基承载力小于单桩复 合地基,但均已满足闸室上覆荷载100kpa的要求。
4.加固效果 何巷闸天然地基承载力仅为70kpa(试验值为72kpa),而闸室、岸墙及上游翼 墙基底压力分别达100kpa、190kpa和200kpa,尽管基础下卧压缩层不厚,但天然地 基沉降量理论计算值分别达到了30mm、141.2mm和155mm,闸室与岸墙沉降差高 达110mm,将严重影响闸门的开启和封水效果。何巷闸完工近三年,采用粉喷桩加 固后,经沉降观测,闸室最大沉降量为13mm,岸墙为18mm,闸室与岸墙沉降差仅为 5mm,且从沉降曲线分析,已趋于稳定,超预期达到了加固效果。
5.结语与体会 粉喷桩是一种高效、经济和安全的地基处理技术,不仅可用于一般工民建 和交通工程,也可用于大型水利工程,设计和施工中应注意以下几点:5.1适当地层条件 拟加固的软土地层厚度一般应小于10m,且下卧硬土层天然地基承载能力 以大于150kpa为宜,桩底进入硬土层的深度应视硬土层含水量、强度、通过工艺 桩取样试验确定,务必保证硬土层内桩体搅拌均匀、固结良好和桩尖与硬土层的 良好接触,绝非进入硬土层越深越佳,避免因硬土层内含水量过小,固结差而导致 削弱桩体强度。
5.2桩身均匀控制 一般操作规程规定,粉喷桩复搅深度为1/2桩长或1/3桩长,从工艺桩取芯结 果看,一次喷粉提升成桩桩体水泥土搅拌均匀性差,“干层”现象严重,影响了桩身 强度,为保证桩身均匀性应采用全程复搅工艺成桩。
5.3钻杆提升时间 为保证桩尖成桩质量,钻至桩底后,钻机应在原地旋转1~2分钟,打开灰罐后, 应使粉体水泥从喷咀喷粉后才能提升,水泥干粉从钻口到喷咀的时间与连接两者 的皮管长度和空气压力有关,应由试验确定。
5.4护桩 粉喷桩为复合地基,其加固范围不能局限于基础轮廓线范围以内,周围均应 布置护桩。特别对于由引堤与岸墙连接的布置形式,岸墙后引堤基础适当范围内 也需加固,其范围应由计算确定,以引堤荷载引起的沉降曲线不影响岸墙为宜,避 免水闸岸墙后仰变形。
5.5精心施工 粉喷桩为隐蔽工程,成桩质量不易认定,极易造成喷粉量不足,进尺不够,搅 拌不均匀等质量事故。因此,必须要有一支高度责任感和高素质的施工队伍,监理 单位应全程旁站,逐一记录,严格按设计和工艺试桩参数施工。