粉噴樁在高速公路軟基處理中的應用

張 偉,衣承昕

(黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司)

滬寧高速公路昆山試驗段實踐證明,采用粉噴樁方法加固軟土地基具有許多優點:如能有效地減少地基的總沉降量,與排水固結法相比總沉降量能減少 25%～49%,這對控制路堤的工后沉降和解決橋頭“跳車”具有明顯的效果,具體表現在地基加固深度內沉降量的大幅度減少。經加固后路基在填筑過程中側向位移明顯減少,實測的最大側向位移僅 6～7cm。與排水固結法在相同條件下相比,側向位移減少 60%～70%,而且在較短時間內即趨穩定。側向位移的減少,不僅能增加路基的穩定,特別在橋涵與路堤連接處保護橋臺樁基不受過大的側向推力,而且也減少地基的沉降。粉噴樁復合地基能提高地基土的承載力,適應快速填筑施工,與排水固結法相比,可以允許有較高的填土速率。但是,粉噴樁法在實際應用中尚有一些問題需要進一步探討,有一些缺點需要克服。

1 粉噴樁的支承式與懸浮式對沉降的影響

昆山段試驗表明,在樁長 11m范圍內的沉降量與樁尖以下沉降的比值達 1∶1.5。查閱其他資料也證明,當粉噴樁打穿軟土層進入較硬的持力層沉降很少;若未打穿軟土層,成為懸浮式時沉降就大。地基的過大沉降,說明樁尖下臥軟土層的沉降還相當大,而且持續時間較長,將不得不重新進行處理甚至報廢。目前高速公路不斷向沿海近海地區延伸,遇到的深厚軟土越來越多,而且是現有粉噴樁機所達深度遠遠不及的。如何來解決這個問題,除了進一步提高機械設備的性能外,在設計理論上也需要有一個突破。對下臥層軟土的沉降有一個正確的評估,同時在實踐中探索解決的方法。

2 地基土含水量對粉噴樁質量的影響

粉噴樁質量的優劣主要反映在粉噴樁的強度指標上,這不僅與摻入粉體的質量、施工工藝、地基土的性質有關,其中尤以含水量的關系甚為密切。規范規定,地基土的天然含水量在小于 30%或大于 70%時不宜采用。因為當土的含水量小于 30%時,土中的水份不足以使粉體進行水化作用;當含水量大于 70%時,含水量過高的土壤往往孔隙比大,若按常規摻入粉體數量,由于水分過多形成不了足夠強度的水泥土樁體,將嚴重影響粉噴樁的強度,在這種情況下必須增加粉體的摻入量和采用復攪的施工工藝。高含水量、大孔隙比和粘粒含量多時,土周邊的束縛力極低,當鉆頭反轉提升噴灰時,產生一個垂直向下擠壓力和一個徑向水平推力,由于土呈流塑狀,束縛力極低,樁體在成形過程中向下及向四周水平向排水,影響形成豎向樁體,通常形成所謂“掉樁”或“下沉”,常為地表下 1～2m。當發生“掉樁”或“下沉”時,只要當時采取立即回填土并重新復噴復攪,就能克服這種現象,如果不作處理將會造成過大的路基沉降。

3 粉噴樁復合地基承載力和粉噴樁單樁承載力的關系

粉噴樁復合地基的平均允許承載力公式為[σ復合]=a×[σ樁]+(1-a)[σ土]式中:σ復合為復合地基的平均允許承載力;a為置換率;σ樁為攪拌樁的允許承力力;σ土為天然地基土的允許承載力。

無疑,樁的強度將直接影響復合地基的強度,假設樁的強度不斷增加而土的強度依然不變,按照公式的計算,復合地基的強度也會不斷增加,然而實際情況并不如此。因為粉噴樁從本質上來講是屬摩擦樁類,當土的強度不變,而且飽和軟粘土的強度很低時,在這種情況下,即使不斷增加樁的強度,但總的復合地基強度也不會隨之增加。

4 樁土置換率及粉體摻入量對復合地基強度的影響

在實際設計運算時往往提供所要求達到的復合地基強度、擬定的粉噴樁強度及天然地基土的強度來求樁土的置換率,計算出樁數,然后布置樁位,再作有關的驗算。實踐證明若置換率過低,如小于 10%往往達不到設計要求,甚至全功盡棄。某高速公路采用粉噴樁復合地基處理,置換率僅為6%～7%,當路堤填至設計標高后出現裂縫,不得不重新處理。這說明作為復合地基的樁土置換率必須大于一定值,否則起不到復合地基的作用,所以在規范中定為 10%～20%,這是有道理的。同樣粉體的摻入量也需控制在一定值,規范定為 10%～15%。如前所述,當軟土中含水量大于 70%,必須加大粉體摻入量,否則將形成不了樁體或形成強度達不到要求的樁體,不能滿足設計要求。

5 復攪和轉速對樁強度的影響

大量的施工實踐已充分證明復攪與不復攪的質量相差甚大。復攪的作用在于通過充分的攪拌使粉體與粘土及水得到比較完全的接觸和作用,促使樁體的充分形成。同時,鉆頭噴出的粉體一般呈脈沖狀,若不充分進行攪拌,粉體在樁中往往呈層狀,形成一種“夾生”,對樁的強度不利。如承受水平推力截止水作用的話,應進行全程復攪,若作為路基加固只承受垂直向力作用,也可以只復攪上部 1/3的樁體。為了提高工效,粉噴鉆機下鉆時可以提高轉速,但是當反轉提升噴粉攪拌時切莫快速旋轉和提升;否則將會嚴重影響攪拌的均勻性和足夠粉量的摻入。

6 粉體噴入的計量

樁的質量與粉體摻入量的多少有直接關系,如何計量粉體便成為關鍵。從理論上講,氣體和固體雙相流的計量具有很大難度,但又非常重要,目前使用的灰罐體積測量法、電子秤稱重法、彈簧秤稱重法等均不是很理想的計量方法。最近某些單位通過對粉噴樁新型計量裝置的研制,提出了氣固雙相流稱量計量,它可以較大程度地克服現有計量裝置所產生誤差,同時也提出了改進目前電子秤稱重法的方案,從而使得粉噴樁施工工藝更趨完善,質量更加可靠。