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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,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設(shè)計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)械各個設(shè)備的使用性能,以及對水泥進(jìn)行強(qiáng)度檢驗,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)記出每一個鉆孔的位置。放樣結(jié)束后調(diào)整鉆機(jī)的角度,每個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。施工前對各個機(jī)械進(jìn)行逐一檢查,檢查高壓注漿泵體內(nèi)是否有殘渣并檢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,因為第一次施工旋噴樁的直徑往往達(dá)不到設(shè)計要求,重復(fù)噴射漿液增加旋噴樁直徑,以滿足設(shè)計要求。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
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,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,實(shí)驗結(jié)果如圖3所示,從圖3中可以看出,在2個月齡期養(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個月以內(nèi)增長較快,在之后的6~12個月養(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,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