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搅拌桩加固原理

搅拌桩加固原理


第一章 粉体搅拌桩加固机理

1、粉喷桩加固软基的受力与变形规律分析

1.1 加固软基的基本原理

粉喷桩是用成桩机械的搅拌钻头钻至设计要求的土层深度后, 用压缩空气将水泥经钻杆内孔压送至钻头上的特制喷嘴, 水泥随同钻头旋转向四周土体喷射, 同时钻杆以一定的速度提升, 钻头上的叶片将其四周一定范围内的土体自下而上不断切割,使之疏松并与水泥搅拌混合胶结, 硬化后即可形成一定直径高于原土层强度的固结体。

粉体喷射搅拌桩是利用水泥作为固化剂, 通过特制的搅拌机械将粉状固化剂喷入软土地中强制搅拌, 利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理、化学反应, 使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体, 并与桩间土共同作用组成复合地基。这种方案适用于加固软土特别是淤泥类土。可有效地减少地基的总沉降量

1.2水泥的水解与水化反应

水泥与土拌和后,水泥中的硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙与土中的水发生化学反应生成柱状或针状结晶起骨架作用。

水泥的碳化反应

水泥中大量的Ca2+与土中的CO2发生反应,生成CaCO3沉淀,增加水泥土的强度。

离子交换与团料作用

由于大量的Ca2+与K+、Na+发生交换,形成了大的软土团粒和水泥团粒,使水泥土的强度大为提高。

 

1.2变形分析

图4给出的是粉喷桩和土体在荷载作用下位移等值线图. 从图4中可以看出,桩顶处最大位移为6. 505 cm,随着深度的增加,变形逐渐减小. 加固区顶部施加的是梯形荷载,所以计算出的桩顶位移①号桩处最大, ⑤号桩处最小. 沿水平方向看,距加固区愈远的位置,变形越小. 在加固层变形减小的幅度较大,而在下卧层变形减小幅度不大,这说明,水泥土搅拌桩复合地基加固层部分沉降量的减少是整个复合地基沉降减少的主要部分. 曾芳金[ 6 ]通过分析也认为,在基础中心附近,由于加固层的设置,复合地基的变形远远小于相应的天然地基. 沿水平方向看,复合地基和天然地基均表现为:距基础中心愈远的位置,变形越小;当离基础中心线的距离超过一定距离时,复合地基的变形值要大于相应的天然地基. 这是由于设置了加固层,上覆相对较硬的加固层和下卧层在模量上差别较大,使得竖向附加应力重新分布,加固层起到了均匀应力和扩散应力的作用. 一方面,加固层的设置减小了作用于下卧层的附加应力,使得下卧层的变形减小,由于加固层部分模量的增加其变形亦减小,因此可以减小整个复合地基的变形;另一方面,加固层的设置使得附加应力沿水平方向扩散,这又使得距基础一定距离以外的地基变形加大,实际上是加固层均匀应力和均匀变形的结果。

1.3 桩身应力分析

一般来说,对于粉喷桩复合地基,打入粉喷桩后,应力向桩周围集中,且在上部区域较大,桩身应力主要集中在浅部,而桩周土应力区域则比不加固时范围有所减小. 加固后,桩间土附加应力相应减小,即有效地减小了地基沉降. 图5和图6给出了桩身轴向应力随桩深度变化的等值线图. 从图6可见,桩身轴向应力均随桩深度增加而减小,并且最大桩身轴向应力不在桩顶处,而在桩顶下大约0. 17倍桩长处,这正

好反映了垫层的作用和影响.通过数值分析研究认为,在加固区桩体范围内的竖向应力较大,特别在桩体上部较大,且随深度的增加递减较快,在桩体范围内承担的荷载较大,且认为这是由于垫层的影响,最大桩身轴向应力不在桩顶处,而在桩顶下大约0. 1倍桩长处.

 

第二章 施工准备

 

施工单位在开工前,应根据工程地质勘察报告和粉喷桩的设计资料在原投标文件的基础上编制更为详细具体的施工组织设计,在质量控制、安全保障、工期、人员、设备、材料等方面提出完整的实施计划和措施。

1、要有完整的质量管理和质量保证体系,有合理的安全施工、文明施工管理办法,责任到人,使粉喷桩现场施工一直处于受控状态;

2、粉喷桩施工单位应根据设计单位提交的施工图文件编制桩位平面图(A3图),并与设计相对照,该桩位平面图作为开工报告的一部分必须经过审批后方可使用;

3、施工单位应根据设计单位交给并已复核,且经监理工程师复验的导线点、水准点,依照施工图设计文件及桩位平面图进行放样。桩位平面偏差小于50mm,填写放样复核记录,报测量监理工程师签字认可;

4、 要有完整的室内配方试验报告

每一施工标段至少取一处含水量较大地点取样试验,试验方法

详见附录A及有关规范,应提交如下报告:文字说明;现场地层地质条件;试料土采集方法、位置、深度、日期、保存运输方式;加固料名称、生产厂家及出厂日期等。

软土:(1)天然含水量以取得的扰动土样含水量为主,对照钻孔资料,该孔位有2米以上较大含水量淤泥层存在,而所取土样含水量较小,则应取该层位(距该层位最近)的土加水至较大含水量,再做配比试验。

(2)水泥土:水泥掺入比为天然土重的15%时的7天、28天、90天龄期的无侧限抗压强度,每组不少于三个试件。试验方法参照JTJ017-96《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》,养护条件按JTJ017-96执行,养护期最后一天浸水。

5、 粉喷桩正式施工前,应进行工艺性试桩,并形成正式报告审批,

以确定该场地、该搅拌喷灰设备的成桩工艺及各项技术参数,施工工艺参数可参考下列数值:

钻孔速度: V=0.5—0.8m/min;

提升速度: Vr=0.5—0.8m/min;

搅拌速度: VR=30--50r/min’

 

钻进、复搅时管道压力:0.1—0.2MPa;

喷灰时管道压力:0.2—0.4MPa

对输灰管要经常检查,不得泄漏及堵塞,保证管道畅通,输灰管长度一般不大于50米,管道最大长度不得大于80米,对使用的钻头要定期检查,其直径磨耗量不得大于1cm,但也不宜套用直径过大的钻头(以小于53cm为宜),以免桩身成型不好。

粉喷桩成桩工艺试验应由施工单位发出通知,邀请指挥部、设计、监理等部门派人参加,在监理的监督下进行,注意对机械性能的检查。试桩结束后上报“粉喷桩成桩工艺的试验报告”(见附录B),每台桩机均必须进行成桩试验,并将取得的施工参数挂牌标明在机架上以便执行及检查。

 

第三章 施工阶段

一、施工工艺

1、 钻孔移至桩位,用全站仪或经纬仪定位,并用水平尺在钻

机杆及转盘的两正交方向校正垂直度和水平度;

2、 水泥应过筛后加入料罐;

3、 关闭粉喷机灰路阀门,打开气路阀门;

4、 开动钻机、启动空压机并缓慢打开气路调压阀,对钻机供气;

5、 观察压力表读数,随钻杆下钻压力增大而调节压差,使后阀

较前阀大0.02—0.05MPa压差;

6、钻头钻到桩底设计标高后,关闭气路阀门,并开启灰路阀门,反转提升,视地质情况,调整转速,喷灰成桩,钻头提至地面下0.25米时停止供灰;

 

7、 关闭送灰阀,打开供气阀,钻机正转下钻复搅;

8、 原位旋转2分钟后,将钻头提高至地面0.2m;

9、 打开阀门,减压放气;

10、钻机移位,进入下一根桩施工。

二、施工操作要点

1、施工场地要求平整,并清除杂物,挖除地下障碍物。场地低洼时应回填素土,不得回填杂土,压实度为85%,平整后的场地要符合施工要求并布置粉喷桩所需材料的储存棚、安装机具设备地点以及水电供应和排水沟位置。

2、钻孔前应准确测放轴线和桩位,并用竹签或木桩标定,桩位布置与设计图误差不得大于5cm;

3、严格控制下钻深度、喷粉高程及停灰面,确保粉喷桩桩长和单桩粉量达到规定要求。粉体喷射机上的储灰罐应按设计投料量投一次料打一根桩,严格控制加固长度,水泥输出时间及停止时间,确保桩头进入持力层,严禁未达设计加固深度或尚未输出水泥的情况下提钻,以确保成桩质量,桩长不小于设计,水泥损耗量不得大于1%。

4、为保证粉喷桩的垂直度,应注意粉体搅拌机导向架对地面的垂直度,一般应使垂直度偏差不超过1.5%,为保证桩位准确度,必须使用定位卡,一般应使桩距偏差不大于10cm;

5、施工中应经常检查机械设备状况,保证良好运转,定期更换或清洗阀门,同时注意施工中异常情况,及时采取对策,进一步校正、优化施工工艺参数;

6、施工单位应设专人负责填写施工原始记录,原始记录应准确、清晰、整洁,统一使用黑色钢笔或签字笔,并按设计桩位放样后统一编号,以便查对;

7、 每桩必须至少下钻各二次(复搅),全桩复搅有困难时,复搅深

度以电流表读数达到70A为止,桩顶采用水泥浆搅拌。

三、施工现场管理

粉喷桩属地下隐蔽工程,其质量控制应贯穿在施工的全过程,施工单位每台钻机必须有专人管理,监理组派人进行旁站,如发现施工质量得不到保证,监理组在报请监理工程师代表批准后将立即清退施工单位,不搞下不为例,以确保软基处理的质量。

1、施工单位的现场管理

各标段粉喷桩施工须实行项目经理负责制,各项目经理部应组织技术、质检、计量、材料等有关人员参与粉喷桩的施工管理,制定详细的质量管理及质量保证体系,负责本标段施工便道的修建及施工场地的清理,并根据本标段工程量及工期合理安排桩机数量及施工计划,结合施工现场具体情况科学合理地布置桩机位置,用图表详细表示清楚。现场应对所有桩机进行编号,并在现场设立标志牌,注明施工单位、施工段落、机长姓名、设计桩距、设计桩长。要求各项目经理部按每两台机配三名内部质保员对施工现场全过程进行监督,以加强管理。做好施工人员岗前培训,把有关规定及要求贯彻到每个施工人员,服从指挥部及监理组的现场管理。每台机械应安排三名机长,分别跟随三班作业,责任到人,挂牌上岗。对水泥用量等应有详细记录,施工原始记录本务必清楚、详细、及时,原始记录本应逐页使用,不得出现跳页和缺页现象,否则一律视为假资料,直接责任人清除出场。

2、监理要求

(1)粉喷桩施工前监理组应对下列内容进行监理:

a、进场施工设备的型号、性能、数量及其机械设备的可靠性(含计量仪表是否经过省市有关权威部门的检定);

b、进场施工人员的组织机构及设备;

c、进场加固料(水泥)的质量、数量、规格;

d、施工测量放样。

d1 监理人员应对承包人填报的进场设备报验单、施工组织设计报审表、施工放样报验单和建筑材料报验单进行鉴定;

d2 监理人员应详细审查承包人申报的施工技术方案报审表,并对施工方案、施工工艺、质量控制及进度计划提出审查意见;

d3 工艺性试桩时专业监理工程师必须到场,确认其施工工艺及各种操作参数,并作为工程桩施工的依据;

d4 现场旁站人员应对加固深度、复搅长度、单桩喷灰量等加强监理,及时指出存在的问题。对于错误的施工手段及方法应指令承包人及时纠正;

d5 监理组应加强现场旁站人员的岗前培训,包括业务培训和监理人员行为准则的培训,并在监理过程中加强对旁站人员的检查督促,做好对粉喷桩施工的监理工作,确保粉喷桩施工的质量.

d6 旁站人员应随钻机对每根桩记录一份原始资料,应认真做好理日记,并根据自己的记录详细核对施工人员的记录并及时予以签认.

2、 原材料控制管理

为确保粉体搅拌所用水泥的质量和数量,抓紧源头管理,水泥由指挥部甲供。

(1)各物资物资供应站与各标段粉体搅拌桩施工单位签订供货协议,监理组、指挥部各一份,以作为控制进场水泥总量的依据。

(2)进场材料的验收

各粉喷桩施工单位必须每10天报一次材料进场计划。进场材料必须由监理组、施工单位及材料供应商的材料员分别签认方可进场,进场材料采用三联单位签收,由材料商、施工单位、驻地监理签收,指挥部备存。

(3)施工单位应建立水泥台帐,并做到上下级台帐帐目相符,台帐列明本单位累计水泥用量及各桩机水泥调拨量;

(4)材料保管职责

进场材料由施工单位负责卸力,卸货前水泥的数量及质量由水泥供应厂商负责,卸货后由施工单位负责,水泥堆放时不应超过十袋高。

(5)货款的结算

水泥款由指挥部代扣支付,原则上按进场材料单据,每月结算一次,待该款形成计量后再从计量款中扣除。

(6)处罚措施

在施工中,如发现施工单位有偷工减料的行为,一经查实,将无条件被清除出场。

4、现场问题的处理原则

(1)粉喷桩要穿透软弱土层到达强度相对较高的持力层,并深入硬土层50cm,持力层深度除根据地质资料外,还应根据钻进时电流表的读数值来确定,当钻杆钻进时电流表的读数明显上升,说明已进入硬土层,如能持续50cm以上则说明已进入持力层。如软土层厚度与设计桩长不相符时,应遵循以下原则:

a 如达到设计桩长软土层仍未穿透时,应继续钻进,直至深入下卧硬层50cm为止;

b 如未达到设计桩长在探明确已钻至硬土层的情况下,至少应深入硬层1.0m;

c 凡是施工桩长与设计桩长不符时,必须经驻地监理签认,如出现大面积桩长不符时,应报设计院进行设计变更;

(2)钻进提升时管道压力不宜过大(以不堵塞出气孔为原则),以防钻孔淤泥向孔壁四周挤压形成空洞。

(3)在成桩过程中,如发生意外影响桩身质量时,应在12小时内采取补喷措施,补喷重叠长度以不小于1.0m为宜.特别困难时以电流表读数明显变化时为准,但在提升喷灰前要有等待送粉到达的时间,防止断桩,否则应重新打设,新桩距报废桩的距离不能大于桩距的15%,并填报在事故记录中备查,所有接桩及补桩都必须报现场监理认可。

 

第四章 质量检验

一、质量检验

1、施工过程中必须随时检查喷灰量、桩长、复搅长度以及是否进入硬土层及施工中有无异常情况,记录处理方法及措施;

2、粉喷桩成桩七天后,由施工单位进行开挖自检,观察桩体成型情况及搅拌均匀程度,测量成桩直径,并如实做好记录,检查频率为10%,如发现凝体不良等情况,应及时报废补桩;

3、成桩二十八天后由监理工程师随机指定,施工单位自检,在桩体上部(桩顶上下0.5m,1.0m,1.5m)截取整段桩体并分成三段进行桩身无侧限抗压强度试验,按下式推算90天龄期的水泥土强度R90:

R90= K1K2K3RT

式中:RT­­—试验龄期的强度(Mpa);

K1—推算系数,K1= 90/T

T—试验龄期,天;

K2—试件边界条件修正系数,一般为1.15;

K3—制样强度损伤系数,一般为1.3;

抽检桩数的频率为2‰,如单侧桥头或通道等独立构造物粉喷桩点数小于1000根,则抽检桩不得少于2根。采用分项工程现场检测记录表C-1-33表记录,试验应符合附录C规定.

4、在所述1-3条检查合格的前提下,由指挥部组织进行全

桩长的钻芯抽检,主要检查:

(1)是否贯穿软土层(特殊路段参照设计标准);

(2)桩身的长度;

(3)喷灰量是否达到设计要求;

(4)桩身成型情况;

(5)水泥土搅拌均匀程度;

(6)桩身的强度。

抽检中应特别注意检查实际施工长度与设计长度不符合的桩(经本办法第三章、四、5、(1)条确定的桩),并以此数据作为计是珠一个依据。

二、粉喷桩质量检验标准

粉喷桩施工质量允许偏差应符合下表要求,质量检验后监理工程师应填写《粉喷桩拌桩现场质量检验报告单》(C-1-7表)。

粉喷桩质量检验标准

 


检查项目
 
质量标准
 
检查方法和频率
 

桩 距(mm)
 
±100
 
抽查2%
 

桩 径(mm)
 
不小于设计
 
抽查2%
 

桩 长(mm)
 
不小于设计
 
查施工记录
 

钻杆倾斜度(%)
 
≤1.5
 
查施工记录
 

单桩喷粉量(%)
 
符合设计
 
查施工记录
 

桩体无侧限抗压强度(Mpa)
 
≥1.5
 
抽检2‰
 

 

附录A 粉喷技术室内配方试验操作规定

 

A 01 本规定适用于将粉喷桩加固料加入软弱土中搅拌形成加固处理土,进行室内试验的方法。

加固处理土的强度,应以无侧限抗压强度衡量。

A 02 本规定未列的试验操作要求应按土工试验规程所规定的操作试验方法进行。

A 03 在需要加固处理的软弱土地基内,选择有代表性的土层,在取样钻孔中(或试坑)采集必要数量的试料土(数量应考虑到试验所需的富余量)。

采集的试样土,应采用塑料袋或其他方法包装,保持天然含水量;当试样土采集地点离试验室较远,运输过程中不能保持天然含水量的情况下,试样土可采用风干土。但两者均必须采集部分原状土,满足常规定土工试验要求。

A 03 1 试样土制备时,应除去其中所夹有的贝壳、树枝、草根等杂物。

以现场施工为目的的室内配合比试验应采集保持天然含水量的扰动土,当采用风干土料时,土料应粉碎、过5mm筛,加水在室内重新配制成相当于天然含水量的试样土,放置24小时,并防止水分蒸发。

A 03 2 试样土含水量必须在同一地层的不同部位,至少3处取样测定。

A 04 加固料、添加料、拌和用水应符合下列要求:

(1)室内试验所用的加固料、添加料应与工地实际使用的加固料和添加料在品种与规格上相符。

(2)当用风干土料时,拌合用水的PH值应与工地软弱土的PH值相符,否则应用蒸馏水作拌合水。

A 05 试件的制作及养护应符合下列要求:

(1)试料土必须与加固料、添加料充分搅拌均匀。每个试件所需的试料土、加固料、添加料的质量事先必须按拟定的配合比用天平称好,并控制试件达到统一的单位质量,这一步骤制作时应十分仔细。

(2)试件的制模尺寸应为70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体。试件可在振动台上振实,振动频率为3000±200次/min,负载振幅0.35±0.05mm,振实3min。也可人工捣实。加固处理土放入试模时应仔细分层填塞均匀并不得产生空洞和气泡。上下两端面应采用刮刀刮平。

每个制成的试样应连制模称取质量,同一类型试件质量误差不得大于0.5%。

(1)应将制作好的试件带模放入保湿箱内进行湿润养护。

(2)试件养护温度宜为20±3℃,湿度宜为75%。

(3)试件养护龄期应为7d、28d、90d。

A 06 室内抗压强度试验应采用控制应力试验方法。逐级加压并保持应力水平,量测垂直向变形量,待变形稳定后再加下一级荷载,直至破坏。

稳定标准:试件垂直变形速率小于0.5mm/min;

破坏标准:应力不变,变形不断发展;试件裂纹产生,应力下降。

每组试件必须有三个以上平行试验。

A 07 试验报告应包括下列内容:
A 07 1现场地层地质剖面、代表性土层的天然含水量、重度、塑限、液限、PH值、有机质含量、无侧限抗压强度。

A 07 2 试样土的采集方法、位置、深度、日期。

A 07 3试样土的保存方法。

A 07 4加固料、添加剂名称、化学成分分析、生产厂家及出厂日期。

A 07 5试验结果制晟的图表:

(1) 无侧限强度与龄期的关系 qu-t;

(2)无侧限强度与粉喷量关系qu-aw;

(3)应力与应变曲线δ-ε;

(4)含水量与时间关系曲线w-t。

 


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