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从软土地基处理浅谈高压喷射注浆法的设计与施工

发布时间:2014-04-08 信息来源:工勘院网站

从软土地基处理的设计与施工过程,论述高压喷射注浆法的设计与施工中需要注意的一些问题

引言

广州地铁四号线为南北走向,共设27座车站,全线长68.96公里。其大学城专线(万胜围至新造段)已于2005年12月26日开通,新造至黄阁段于2006年12月30日通车试运营,2007年6月28日蕉门和金洲站启用。其中黄村-新造全部为地下车站,其余为高架车站。笔者有幸承担了广州地铁四号线部分车站的设计工作,并在高架线路与车站土建竣工后,开始着手进行高架区间的区间变电所的设计。本文试图从区间变电所的地基处理的设计与施工过程,论述一下高压喷射注浆法(旋喷桩)的设计与施工中需要注意的一些问题。
由于广州地铁四号线是全国第一条采用直线电机车辆技术的轨道交通线路,因此电气要求非常严格。经过电气专业的计算,确定了庆盛、新官和官桥三个区间变电所的中心里程,并强调变电所位置不应调整过大。
庆盛变电所位于东涌~黄阁北区间DZ88墩柱,中心里程YDK44+565.300。详勘报告显示,其地质状况相当不好,共有平均厚度约13.51米的淤泥及淤泥质土,呈饱和、流塑或软塑状态,属高压缩性欠固结软土,建议承载力特征值为fak=40kPa。而在淤泥质土下方为平均厚度14.78米的中粗砂层。
庆盛变电所为两层混凝土框架结构,经过初步计算,需要的地基承载力特征值约为120kpa,与现有地基的承载力特征值fak=40kPa相差甚远。故必须进行地基处理以满足承载力要求。但当时高架区间箱梁已架设完毕,箱梁底离地面仅5.5m,受到箱梁高度的限制,没有施工条件进行预应力管桩或钻(冲)孔灌注桩的施工。综合成本、工期、最终效果等要素考虑,本工程最终决定采用高压喷射注浆法对现有地基进行处理。
高压喷射注浆法按喷射方式分为旋喷、定喷和摆喷三种类别。其中定喷和摆喷两种方法通常用于基坑防渗、改善地基土的水流性质和稳定边坡等工程。而旋喷则通常用于地基加固等用途。下面详细论述一下旋喷桩的设计与使用。

1 旋喷桩的平面布置与桩长的确定

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)的规定,竖向承载旋喷桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基荷载实验确定。实际设计中,基本都是通过公式确定其复合地基的承载力特征值的:
  • Ra=nfcuAp;
  • Ra=up∑qsili+qpAp
  • fspk=m(Ra/Ap)+β(1-m)fsk
上面公式的各种参数取值范围可参看《建筑地基处理技术规范》中相关条文,此处不一一论述。需要特别说明的是,上式中Ra的确定。有时候按照理论计算,桩长较短即可满足计算要求。以本工程为例,当面积置换率为0.11时,桩长约十米即可满足。但由于淤泥层本身就已经厚14米了,为了控制沉降率,旋喷桩的桩长应伸入下部持力层约一米为妥。而此时单桩竖向承载力特征值就非常有可能是由桩身的水泥土强度控制了,实际计算时要注意这点。另外,在本工程中,由于软土地基的承载力很差,建筑物的基础形式定为筏板基础,以最大限度地减少建筑物的沉降差。这个时候,可以在建筑物的地下室侧墙地下,有意识地加大旋喷桩的面积置换率,也就是适当加密旋喷桩,以承受地下室侧壁带来的集中荷载。同样的,在筏板基础的明梁或暗梁地下,也应适当加密旋喷桩,这对减少底板的变形是很有好处的。如果建筑物采用的是柱下独立基础,且需要较高的符合地基承载力,也最好考虑一下在独立基础下加密旋喷桩。在本工程中,旋喷桩的平均间距约为1.6m,最大间距1.95m,最小间距0.9(柱下加密区域),面积置换率m=0.10。而在桩长方面,考虑到旋喷桩应充分穿越软土层,故定下的平均桩长为15m左右,持力层为中粗砂层。

2 旋喷桩桩身直径的选取

当前,高压喷射注浆法的基本工艺类型有:单管法、二重管法、三重管法和多重管法等四种方法。单管法和二重管法的施工机械一般是通用的,三重管法和多重管法就必须特定的施工机械。具体使用哪种施工机械,是跟旋喷桩的桩身直径、加固土的类型和密实程度有很密切的关系的。对粘性土地基加固,单管旋喷桩加固直径一般为0.3~0.8m;三重管旋喷注浆加固体的直径可达0。7~1。8m,而二重管旋喷注浆加固体的直径介于以上两者之间。多重管法的旋喷直径则可达2.0~4.0m。定喷和摆喷的有效长度约为旋喷直径的1~1。5倍。而在砂性土中可形成的旋喷固结体直径,一般会比在粘性土中要大一些。
在具体施工实施中,三重管和多重管法由于有气流影响,在粉质砂土中形成的桩体外表可能会比较粗糙。而无论哪种施工工艺,如果不采取特别的措施,当旋喷桩的桩长较长时,均有可能形成上粗下细的形状。因此,设计人员在设计时,应综合考虑承载力、现场土质、施工空间等各种影响因素,设定恰当的桩身直径及桩长。在本工程中,旋喷桩的直径最终定为Φ=600mm,施工工艺为单管法和二重管法都可,建议使用二重管法。

3 水泥浆水灰比与桩身水泥土的抗压强度

待加固的土体,经过水泥浆的高压喷射后,土粒重新排列,并与水泥浆液混合。但浆液的分布是不平均的,一般来说,固结体外侧的浆液成文较多,因此在横断面上,中心强度较低,外缘部分强度较高。因此,影响固结体强度的主要因素是土质和水泥浆液,有时候使用相同比例的水泥浆液,在软粘土中的固结强度会大幅度小于砂土中的固结强度。据统计,一般在粘性土和黄土中的固结体,其抗压强度可达5~10Mpa,在砂土和砂砾中的固结体的抗压强度可达8~20Mpa。
在施工的初期、中期和完工后,为确保工程质量,进行了数次多种方法的质量检验,结果表明,旋喷桩桩间土由于收到高压喷射作用的影响,强度得到的一定程度的提高,而浅层开挖后发现,实际旋喷桩固结体的直径约为750~850mm,大大超过设计要求。经抽芯检查,喷射固结体的强度也满足设计要求。

4 砂石垫层的铺设

铺设砂石垫层是地基处理中很重要的一环,旋喷桩施工完成后,必须铺填一定厚度的砂石垫层,以起到分散上部荷载,平均地基的应力分布,减少桩间土湿陷,减少建筑物沉降差的作用。在含水量大的地方,砂石垫层应适当加厚,可以防止复合地基中出现“橡皮土”现象。在本工程中,砂石垫层厚为350,砂石垫层(碎石:石屑:中粗砂:水=5:3:1:1);搅拌均匀,分层夯实(分层厚度不大于150),夯填度(夯实厚度与虚铺厚度之比)小于0.9。

5 质量检验

高压喷射注浆可根据工程要求和当地施工经验采用不同的检验方法:开挖检查,取芯,标准贯入试验,荷载试验或围井注水试验(采用高压摆喷灌浆构筑垂直防渗板墙时采用)等。而《建筑地基处理技术规范》规定,竖向承载旋喷桩地基竣工验收时,承载力检验应采用复合地基荷载试验和单桩荷载试验。荷载试验宜在成桩28d后进行,检验数量为桩总数的0.5%~1%,且每项单体工程不应少于3点。除荷载试验外,尚应根据需要对建筑物进行沉降观测。本变电所竣工3个月后,各观测点所得到的沉降量平均为3~4mm,满足规范要求。
高压喷射注浆法是一种比较实用的地基处理方法,它和水泥土搅拌法互有优缺点,在适用范围上也有互补性,是多层与高层建筑的复合地基的主流。毋庸置疑,熟练掌握各种地基处理方法,对结构设计人员及施工人员是非常必要的。希望本文对旋喷桩复合地基的解构,能帮助大家加深对高压喷射注浆法的认识。

参考文献:

  1. 建筑地基基础设计规范(GB50007-2002);
  2. 建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002、J220-2002);
  3. 建筑地基基础工程施工质量验收规范(GB50202-2002);
  4. 叶书麟,叶观宝。地基处理与托换技术(第三版).北京.中国建筑工业出版社.2005。