橋梁工程地基處理旋噴樁應(yīng)用分析

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摘要:公路橋梁工程對于旋噴樁的使用較多，旋噴樁對于飽和淤泥軟土加固效果顯著，不僅可以有效地提高加固地基承載能力，而且單壁鋼管圍堰結(jié)合旋噴樁還可以作為橋臺承載結(jié)構(gòu)。對橋梁工程地基處理加固采用的旋噴樁的施工工藝進(jìn)行介紹，以及對旋噴樁的加固機(jī)理進(jìn)行分析。通過對旋噴樁狀體切割試塊進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)旋噴樁強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加。針對這一現(xiàn)象，對樁體強(qiáng)度機(jī)理進(jìn)行相關(guān)研究，研究表明隨著水泥石水化產(chǎn)生的晶體與樁體包裹的土顆粒形成狀體的一部分，增加了旋噴樁的抗壓強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞:旋噴樁;施工工藝;加固機(jī)理

前言

隨著我國交通運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，橋梁工程對于公路與鐵路運(yùn)輸起到至關(guān)重要的作用，橋梁作為跨越河流與溝谷的重要樞紐對于交通運(yùn)輸?shù)淖饔貌谎远鳎?］。橋梁地基是影響橋梁工程安全的關(guān)鍵因素，一部分橋梁工程地基經(jīng)常位于河床或者溝谷，橋梁地基多處于軟弱土層或沙土層中，橋梁地基不僅要承擔(dān)橋梁自重以及橋梁過往車輛產(chǎn)生的震動載荷，所以橋梁地基不僅要承擔(dān)上部荷載還要有一定的地基承載能力。20世紀(jì)70年代，日本首次采用旋噴樁加固軟土地基，并取得了良好的效果［1］。長江三峽工程也采用旋噴樁加固水庫大壩，對軟弱地基以及風(fēng)化嚴(yán)重的巖石進(jìn)行加固處理。旋噴樁廣泛應(yīng)用于軟弱地基加固處理技術(shù)。

1旋噴樁應(yīng)用

20世紀(jì)60年代初期，旋噴樁技術(shù)開始逐漸推廣，日本最先采用旋噴樁用于地基加固以及施作基坑止水帷幕［2］。旋噴樁技術(shù)通過在實(shí)踐過程中不斷改良，逐步應(yīng)用到橋梁路基加固、住房基坑圍護(hù)以及山體邊坡加固等方面，特別是公路與橋梁交通領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。旋噴樁是利用旋轉(zhuǎn)噴嘴將水泥漿液以一定壓力旋轉(zhuǎn)噴出，同時(shí)以一定的速度進(jìn)行提升，使噴出的漿液與土體混合凝固，形成圓柱形的樁體。在鉆機(jī)按照設(shè)計(jì)要求鉆好孔后，將注漿鉆機(jī)的噴嘴放置在土層預(yù)定埋深位置，通過噴嘴將漿液以30MPa的壓力噴出，由于噴出的漿液速度較快，含有較大的沖擊能量，導(dǎo)致鉆孔周圍一部分土體在較大能量的沖擊作用下剝落，一些土顆粒與噴出的漿液混合形成固結(jié)體，旋噴樁示意圖如圖1所示。

1.1旋噴樁加固地基的優(yōu)點(diǎn)

1)旋噴樁使用范圍較廣，對土層要求不高，可適用于多種土層以及特殊的地質(zhì)條件。2)旋噴樁的加固效果較好，加固強(qiáng)度高，樁體強(qiáng)度可達(dá)1000～10000kPa，而且旋噴樁的主要材料是水泥，施工成本較低，經(jīng)濟(jì)效益高。3)旋噴樁的形狀與入土角度也是多種多樣的，可以是豎直向下也與地表成一定角度傾斜向下，加固區(qū)間大。4)旋噴樁對周圍土體擾動中，而且使用壽命較高，不僅可以作為地基加固處理也可作為永久的地基支護(hù)結(jié)構(gòu)。施工影響范圍小，且旋噴樁形狀不固定，可根據(jù)工程需要設(shè)計(jì)旋噴樁形狀，施工簡單。

1.2旋噴樁加固分類

旋噴樁根據(jù)噴射方式的不同可分為:單管、二管和三管旋噴法，表1為三種噴射注漿分類［3］。單旋噴樁加固機(jī)理是將高壓漿液通過單根管道噴射出去，利用高速運(yùn)動漿液切削鉆孔周圍土體，使切削下來的土體與漿液混合，形成直徑為40～50cm的圓柱形樁體，通過高壓噴射的漿體擠壓鉆孔周圍土體，以及漿液壓力使鉆孔周圍土體通過擠壓密實(shí)。當(dāng)土體與漿液混合凝固以后，旋噴樁在自重作用下對樁體周圍土體也會有一定的擠壓密實(shí)效果。

2旋噴樁施工工藝

1)施工準(zhǔn)備工作。在施工旋噴樁前首先按照圖紙?jiān)O(shè)計(jì)確定旋噴樁的布置位置，整平旋噴樁周圍土體，并在周圍空地預(yù)先施工排漿池，用于排除鉆孔中多余漿液。施工設(shè)備主要有TX－100，QT50旋噴鉆機(jī)，以及BWT100/30高壓注漿泵。旋噴樁的主要材料是水泥，當(dāng)施工機(jī)械和使用材料準(zhǔn)備好后，檢查鉆孔機(jī)械各個(gè)設(shè)備的使用性能，以及對水泥進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)，確定水泥強(qiáng)度，并留樣保存。2)成孔施工。在鉆孔施工前先要按照圖紙進(jìn)行放樣，標(biāo)記出每一個(gè)鉆孔的位置。放樣結(jié)束后調(diào)整鉆機(jī)的角度，每個(gè)鉆孔的平面誤差不應(yīng)該超過0.5cm來進(jìn)行鉆機(jī)鉆孔。旋噴樁施工中為防止擠土現(xiàn)象，應(yīng)該隔樁施工，最后補(bǔ)齊剩下的旋噴樁。3)鉆機(jī)就位。施工前對各個(gè)機(jī)械進(jìn)行逐一檢查，檢查高壓注漿泵體內(nèi)是否有殘?jiān)z查各部位密封圈是否完好，鉆機(jī)的傳動與制動裝置是否正常運(yùn)行，檢查鉆機(jī)與注漿泵各個(gè)部位螺母是否扣緊，以及鉆機(jī)減速箱與變速箱是否正常。在檢查施工機(jī)械完成之后記錄留底。然后使用卷尺測量鉆桿長度，在鉆孔設(shè)計(jì)深度留下標(biāo)記，以便確定鉆孔深度以及防止鉆孔過深。接著調(diào)整鉆機(jī)的角度，對于豎直樁而言，鉆桿的垂直度應(yīng)當(dāng)小于1.5%。4)旋噴樁施工。旋噴樁的施工流程如圖2所示，調(diào)整鉆孔角度以后進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔施工中注意鉆孔轉(zhuǎn)速，對于鉆機(jī)遇到障礙時(shí)應(yīng)該查明具體原因，遇到卡鉆情況應(yīng)當(dāng)停止鉆孔，防止鉆孔角度出現(xiàn)偏差，調(diào)整鉆孔角度后，然后繼續(xù)進(jìn)行鉆孔施工。5)在鉆孔施工結(jié)束后，將注漿管插入鉆孔底部進(jìn)行旋噴注漿，注漿時(shí)應(yīng)該控制注漿壓力與注漿管的提升速度，對于第一根旋噴樁施工，應(yīng)該在施工結(jié)束后進(jìn)行二次注漿復(fù)噴，因?yàn)榈谝淮问┕ば龂姌兜闹睆酵_(dá)不到設(shè)計(jì)要求，重復(fù)噴射漿液增加旋噴樁直徑，以滿足設(shè)計(jì)要求。在第一根旋噴樁施工結(jié)束以后，清洗注漿管與注漿機(jī)具，清理機(jī)械內(nèi)的殘留水泥漿液。

3旋噴樁成樁試驗(yàn)

水泥強(qiáng)度以及土質(zhì)和旋噴樁成樁質(zhì)量直接影響旋噴樁的強(qiáng)度，由于旋噴樁的施工特點(diǎn)，導(dǎo)致旋噴樁成樁以后含水量較大，而且在施工旋噴樁時(shí)，鉆孔周圍切削下來的土塊與漿液混合，導(dǎo)致樁體自身存在缺陷，樁體密實(shí)度有所降低導(dǎo)致旋噴樁的強(qiáng)度有所降低。對工程中常用的C30水泥旋噴樁，切割7cm×7cm×7cm的立方體試塊進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看出，在2個(gè)月齡期養(yǎng)護(hù)下，試塊的抗壓強(qiáng)度為11.2MPa，隨著樁體養(yǎng)護(hù)齡期的增長，樁體的抗壓強(qiáng)度也進(jìn)一步增長，而且試塊的強(qiáng)度增長在養(yǎng)護(hù)齡期為6個(gè)月以內(nèi)增長較快，在之后的6～12個(gè)月養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)強(qiáng)度增長較為緩慢。從圖3中試塊的強(qiáng)度增長曲線可以看出，旋噴樁的強(qiáng)度增長曲線明顯與普通的混凝土試件不同。其中的原因主要有以下幾點(diǎn):①水泥的水化硬化作用，旋噴樁的主要材料是水泥，水泥石也是樁體主要的強(qiáng)度來源，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長水泥不斷進(jìn)行水化，水化凝膠體相互搭接在一起，導(dǎo)致樁體的強(qiáng)度進(jìn)一步增長;②旋噴漿液使切削的一部分土體被漿液包裹。待漿液凝固以后成為水泥樁體的一部分，水泥的逐漸水化改變包裹土體的結(jié)構(gòu)，隨著水泥水化過程中鈣礬石晶體的不斷增長，晶體之間相互接錯(cuò)形成網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，周圍土顆粒被水化晶體包裹，形成水泥石－土骨架結(jié)構(gòu)［4］，這也是樁體強(qiáng)度不斷增長的一個(gè)因素。

4結(jié)語

1)旋噴樁可以有效加固橋梁軟弱地基，通過向鉆孔內(nèi)注射高壓水泥漿，由于水泥漿液凝固后具有較高的強(qiáng)度，將橋梁荷載直接傳遞到堅(jiān)硬土層中。2)旋噴樁加固橋梁軟土地基效果較好，樁基承載能力較高，而且對于重力式橋臺來說可以抵抗一定的水平荷載。3)對于承載能力較低的飽和淤泥土，可采用豎直旋噴樁作為橋臺的承重構(gòu)件。4)旋噴樁強(qiáng)度增長與水泥石的強(qiáng)度增長曲線不一致，由于水泥石與包裹的土顆粒成為樁體的一部分，導(dǎo)致樁體強(qiáng)度逐步在增長。［ID:009986］

參考文獻(xiàn):

［1］高壓旋噴樁在橋臺基礎(chǔ)中的應(yīng)用研究［D］．長沙:湖南大學(xué)，2007．

［2］王吉望，熊大玉，顧德珍．高壓噴射樁改良軟土地基［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1981，2(6):67－76．

［3］胡斌．旋噴樁在橋梁工程地基處理中的應(yīng)用［J］．交通科技，2004，30(1):16－17．

［4］劉玉柱，王福壽．旋噴樁加固橋梁特殊軟弱地基工程技術(shù)探討［C］//中國科協(xié)青年學(xué)術(shù)年會.1998．

作者：馬志超 單位：山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司