深层搅拌法在佛山大堤路堤结合工程地基处理中的应用

 
时间日期:2010-4-28        已被阅读次:[2228]
 
佛山市佛利建设工程有限企业 黄成雄

  [摘 要] 先容深层搅拌法在佛山大堤路堤结合工程地基处理中的设计和施工。实践证
       明,该路基加固效果良好,达到了预期目标。
  [关键词] 深层搅拌法 地基处理 应用

  1、 概述
  广东省佛山市为了发展城市交通道路,建设城区外环交通网络,加速市郊城市化进程,
充分利用土地资源,提高近堤土地开发利用价值,推动滨河改造,决定在佛山大堤内侧修建
一条滨河路以实现上述目标,该工程以修筑公路结合防洪堤加固整治,故名路堤结合。由于
该路所经地段为软弱地基,为控制道路的沉降,保证道路的正常使用,经综合比较,决定采
用深层搅拌法加固该滨河路地基。实践证明,该路基加固效果良好,达到了预期目标。
  2、工程地质条件
  根据地质勘察资料,各土层的物理力学指标如表1所示。
  根据地质资料,道路基面从上至下的土层依次为淤质粉质粘土、细砂和淤泥-淤质粉质
粘土层,其地基承载力标准值分别为淤质粉质粘土层50kpa、细砂层70kpa、淤泥-淤质粉质
粘土层50kN/m2,土的桩周摩擦力标准值分别为6kN/m2、17kN/m2和6kN/m2。由于天然地基承
载力不能满足设计求,必须进行处理。
  3、地基处理方案比较与选择
  本道路设计活荷载为超汽-20级,路基处理后应达到以下设计要求:复合地基承载力≥
110kpa,路槽下路基回弹模量≥30kpa,剩余沉降量≤100mm,两年内剩余沉降量在100m范围
内的沉降差≤100mm。
  根据现场地质条件,结合工程的实际情况,如果采用堆载预压法或真空预压法,则工期
要求较长,而本工程工期要求紧迫,故不宜采用;由于该工程淤质粉质粘土的不排水抗剪强
度小于20kpa,采用碎石桩可能成桩较困难,故碎石桩也不宜采用。经过对几种地基处理方
法的初步筛选,选择以下三种地基处理方法进行。
  (1)深层搅拌法:深层搅拌法施工速度快,施工噪音小,完工后剩余沉降量小,技术
较成熟,施工难度小,工程质量易于控制,但水泥用量较大,工程造价较高。
  (2)强夯置换法——强夯块石墩法:强夯块石墩法施工速度快,完工后剩余沉降量小
,但施工噪音大,技术不够成熟,施工难度较大,工程质量不易控制,工程造价较高。
  (3)强夯排水固结法——塑料插板加强夯法:强夯排水固结法施工速度快,工程造价
低,但施工噪音大技术不够成熟,施工难度较大,工程质量较难控制,完工后剩余沉降量较
大。
  经技术经济比较,结合有关专家的评审意见,为了尽量减少对堤路内侧民房的影响,保
证施工质量,保证按期完工,决定采用深层搅拌法。
  4、设计与施工
  4.1深层搅拌桩的设计
  根据工程地质资料和附近其他工程的实践经验,本工程深层搅拌桩采用如下设计参数:
  (1)桩型及桩径:深层搅拌桩采用单头喷浆搅拌,桩径Ф=500mm。
  (2)桩长:根据地质资料,从现状地面至全风化碳质泥岩的厚度一般为18m左右。为保
证搅拌桩穿透渗透系数较大的细砂层,搅拌桩必须大于6.5m,现设计桩长为9m,搅拌桩深入
相对不透水层约2.5m。
  (3)桩位布置:设计桩间距1.0m,呈梅花形布置。
  (4)水泥用量即要求:水泥掺量60kg/m,约占被加固湿土质量的17%,水泥采用42.5
级普通硅酸盐水泥,水泥浆水灰比选用0.45~0.5。
  (5)桩体强度要求:设计单桩承载力要求不小于85KN,桩体水泥土90天龄期的无侧限
抗压强度不小于1.0Mpa。
  (6)单桩承载力验算:单桩承载力特征值宜通过现场载荷试验确定,也可按下列两式
估算,并取其中较小值:



  式中:fcu——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块无侧限抗压强度平均值
(kPa);fcu=1500kPa;
  η——桩身强度折减系数;取η=0.3;
  up——桩周长(m);Ф500搅拌桩up=1.57m;
  n——桩长范围内所划分的土层数;
  Ap——搅拌桩的截面积(m2);Ap=0.196m2;
  qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值(kPa);
  Li——桩长范围内第i层土的厚度(m);
  qp——桩端地基土未经修正的承载力特征值(kPa);
  а——桩端天然地基的承载力折减系数;取а=0.40;上述参数均根据岩土工程勘察报
告及室内水泥土配比试验成果进行取值。
  按土对桩的支撑力计算:Ra=1.57×(6×2.5+17×4+6×2.5)+0.4×0.196×90=160
.92KN
  按桩身水泥土强度计算:Ra=0.3×1500×0.196=88.20KN
  取上述两种计算方法中单桩承载力较小值者,即Ra=88.20KN。
  4.2复合地基承载力计算
  软土地基经搅拌桩处理后形成复合地基,其承载力特征值按下式计算:

  
  式中fspk——复合地基的承载力特征值(kPa);
   m——面积置换率;
   Ra——单桩竖向承载力特征值(kN);
   Ap——桩的截面积(m2);
   β——桩间土承载力折减系数,取β=0.8;
  fsk——处理后桩间土承载力特征值(kPa);
  将上述已知条件代入(3)式,得

  

  故复合地基承载力满足要求。
  4.3下卧层强度验算
  根据地质勘察资料可知复合地基下卧层为淤泥-淤质粉质粘土层,属于软弱下卧层。软
弱下卧层强度的验算按下式进行:
  pz+pcz≤fz (4)
  fz=fk+ηbγ(b-3)+ηdγo(d-0.5) (5)
  式中:pz ——软弱下卧层顶面处的附加压力(kPa);
  pcz——软弱下卧层顶面处的复合地基自重压力(kPa);
  fz——软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力设计值(kPa);
  fk——地基承载力标准值(kPa);
  ηb、ηd——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数;
  γ——土的重度,地下水位以下取有效重度(kN/m3);
  b——基础底面宽度(m);
  γo——基础底面以上土的加权平均重度,地下水位以下取有效重度(kN/m3);
  d——基础埋置深度(m);
  软弱下卧层顶面处的附加压力pz按下式压力扩散角的计算方法简化计算:
  Pz—— (6)
  式中:p——基础底面平均压力设计值(kPa);
  pc——基础底面处的自重压力(kPa);
  l——基础底面的长度(m);
  z——基础底面至软弱下卧层顶面的距离(m);
  θ——复合地基压力扩散角。
  已知该基底平均压力p=110kPa,由规范查得复合地基压力扩散角θ=23°,则基底处土
的自重压力pc为
  pc=18.9×1+(18.9-9.8)×0.8+(19.1-9.8)×3.1+(17.9-9.8)×0.6=59.87
kPa
  将上述已知条件代入(6)式,得
  Pz=22.85 kPa
  复合地基平均容重γp=19.1kN/m3,则软弱下卧层顶面处的自重压力pcz为
  pcz=γp(d+z)=19.1×1+(19.1-9.8)×(5.5+9-1)=144.65 kPa
  式中d为基础埋深,计算时地下水位以下取浮容重。
  软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力设计值fz为
  fz= fk+ηbγ(b-3)+ηdγo(d-0.5)=190.14 kPapz+pcz =22.85+144.65=167
.50 kPa≤fz=190.14 kPa
  故软弱下卧层强度满足要求。
  4.4沉降计算
  深度计算s由复合地基的变形量s1和桩端下土层的变形量s2组成。
  4.4.1复合地基的变形量s1计算
  搅拌桩复合地基的压缩变形量s1按下式计算:
  S1= (7)
  式中Esp为复合地基的压缩模量,l为复合地基长度。
  复合地基的压缩模量Esp采用置换率加权的方法计算:
  Esp= mEp +(1-m)Es (8)
  式中:Ep——搅拌桩的压缩模量,取Ep =100 fcu;
  Es——桩间土的压缩模量,取桩长范围内土的加权平均压缩模量。
  Ep=100fcu =100×1500 kPa=150Mpa
  Es=3.876×2.5/9+17.094×4/9+2.920×2.5/9=9.485Mpa
  Esp= mEp +(1-m)Es=37.588Mpa
  S1=(110-59.87+22.85)×9/(2×37.588×103)=0.009m=9mm
  可见复合地基的压缩变形量较小。
  4.4.2复合地基下土层的变形量s2计算
  复合地基下未被加固土层的变形量s2采用分层总和法计算:
  

  式中:s′——按分层总和法计算出的地基沉降量(mm);
  Ψs——沉降计算经验系数,取Ψs =1.1;
  n——地基沉降计算深度范围内所划分的土层数;
  pz——地基底面处的附加压力(kPa);
  Esi——基础底面第i层土的压缩模量(Mpa);
  Zi、Zi-1——基础底面至第i层土、第i-1层土底面处的距离(m);
  αi、 αi-1——基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系
数。
  下卧层沉降变形量计算至全风化碳质泥岩顶面,具体计算表2所示:
  根据上表计算,得总沉降量为:
  s=s1+s2=9+40.7=49.7mm< =100mm
  满足要求。
  4.5深层搅拌桩的施工
  4.5.1浆液制备
  本工程搅拌桩固化剂采用42.5级普通硅酸盐水泥,水泥浆液水灰比0.45~0.5,施工中
严格控制水灰比。为有利于浆液的泵送施工,配制浆液时掺入木质素磺酸钙,设计木质磺酸
钙掺量占水泥用量的0.2%。
  4.5.2施工工艺流程
  根据设计桩径,施工中采用DJB-14D型深层搅拌桩机。按照设计要求,施工工艺流程如
下:
  (1)桩机就位为保证桩位准确,施工时采用定位卡,桩位对中误差不大于5cm,导向架
和搅拌轴与地面垂直,垂直度偏差不大于1.5%。
  (2)预搅下沉
  待深层搅拌机的冷却水循环正常后,启动搅拌机电机,放松搅拌机钢丝绳,使搅拌机沿
导向架搅拌切土下降,为保证电机安全,控制最大工作电流值不大于50A,
  (3)提升喷浆搅拌
  深层搅拌机钻头下沉到设计加固深度后,开启灰浆泵将水泥浆压入地基中,且边旋转边
喷浆,同时严格控制提升速度,提升速度控制在1+0.05m/min。为保证桩头质量,设计停浆
面高于设计桩顶高程0.5m(高于设计桩顶高程部分桩头在浇筑混凝土底板前人工凿除)。
  (4)重复搅拌下沉至设计加固深度。
  (5)重复提升喷浆搅拌至设计停浆面。
  (6)桩机移位进行下根桩施工。
  5、质量检验
  5.1质量检验方法
  目前深层搅拌桩的质量检验方法有以下几种:
  (1)静荷载试验:静荷载试验是最为可靠、直接的方法,但需在成桩28d后才能进行,
对施工过程缺乏及时的引导、监督作用,试验时间长,操作繁琐,费用较大,不宜大量使用

  (2)N10轻便触探试验:N10轻便触探试验操作简便,数据直接,可以及时引导施工过
程,便于大量采用,但通常只能坐作桩顶5m以内的检验,只能用一周内的实验结果推断后期
的强度。
  (3)N63.5标准贯入试验:N63.5标准贯入试验数据直接,但操作繁琐,对所检验的桩
可能造成破坏,不宜广泛采用。
  (4)弹性波动测试验:弹性波动测试验方法简便快速,但目前此法不太成熟。
  (5)桩身抽芯试验:桩身抽芯试验较为直观,但操作繁琐,费用较大。
  以上五种质量检验方法各有利弊,经过论证后认为:采用N10轻便触探试验(检验数量
为总桩数的1.5%)结合少量静荷载试验(每标段路2个)及桩身抽芯试验(检验数量为总桩
数的0.5%,其中0.25%用于跟踪施工检测,另0.25%用于28d以上龄期后检测),可以保证
在施工初期对桩身质量进行较多的抽检,发现问题及时处理,以便调整施工参数,保证施工
质量和进度,又可采用静荷载试验最直观地确定处理后地基的承载力和沉降量,以检验设计
的合理性和施工的可靠性。
  5.2质量检验结果
  本工程所选静荷载试验点均要求顺利加荷至设计单桩极限承载力,沉降稳定后正常卸荷
。在设计单桩极限荷载作用下,各类桩桩顶沉降量为16.2~33.6mm,均小于规范允许沉降值
(40mm),各桩Q(加荷量)-S(桩顶沉降量)关系曲线变化较平缓,无明显第二拐点,证
实各试验桩在设计单桩极限荷载作用下尚未破坏,满足设计要求。
  根据野外检验和室内抗压强度试验结果,经分析认为:检验桩深与记录桩深基本一致,
桩身搅拌基本均匀。搅拌桩强度受地层控制,由于淤泥中含砂量不均,桩身强度变化较大,
但绝大部分桩的桩身强度都能满足设计要求,与设计要求有一定差距桩,在其周边补桩以满
足设计要求。
  6、结论
  经过精心设计、精心施工和严格监理,该基础处理分部工程验收时质量等级被评为优良
。工程运行一年后测量,最大沉降量为48mm,最大沉降量差为14mm,满足设计要求,运行情
况良好,充分发挥了工程效益。
     
 
 
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