粉噴樁技術(shù)加固軟土地基
2015-04-14
0 引言
高等級公路跨越通航河流和上跨被交叉公路、通道的凈空要求，往往造成橋頭填土高達(dá)4～7m的路堤，這對于軟土地基來說，則存在高路堤的穩(wěn)定和沉降的問題。在保證路堤穩(wěn)定情況下，高速公路橋頭工后沉降量一般控制在10cm以內(nèi)，若采用袋裝砂井（或塑料派水板）預(yù)壓排水固結(jié)法處理，常因需要的填土與預(yù)壓期較長，給設(shè)計(jì)工作帶來諸多難處，使得處理后地基難以達(dá)到預(yù)期效果。針對這一情況，設(shè)計(jì)采用了粉體噴射攪拌樁（簡稱粉噴樁）加固軟土地基的新技術(shù)。
1 粉噴樁技術(shù)簡介及水泥加固土原理
粉體噴射攪拌（DJMI法）是軟土地基深層攪拌加固技術(shù)的一種。近年來，粉噴樁技術(shù)的應(yīng)用在我國得到工程界的重視，發(fā)展很快，已廣泛應(yīng)用于公路、市政工程、工業(yè)與民用建筑軟弱地基處理和坑壁支護(hù)工程，加固深度由15m提高到了18m。
粉體噴射攪拌法是將粉粒狀加固材料（水泥、生石灰粉）攪合于軟弱地基中，與原位土進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，使土與加固材料產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，在改善土質(zhì)性狀的同時(shí)，提高起強(qiáng)度。目前采用的加固材料多是水泥，其原理如下：
1.1水泥的水解和水化反應(yīng)
水泥主要有硅酸鹽、鋁酸鹽以及硫酸鹽組成，當(dāng)水泥遇土中水時(shí)，水泥中的表面礦物與水發(fā)生水解、水化反應(yīng)，生成氫氧化合物和含水鹽化合物，其中易溶于水中，水泥顆粒表面又暴露出來，繼續(xù)與水作用，如此反復(fù)直到水溶液飽和，形成凝膠體。這種反應(yīng)減少了軟黏土中的含水量，增加土顆粒之間的粘結(jié)力。
1.2離子交換與團(tuán)?；饔?br />
水泥水化后，水泥水化產(chǎn)物的C a2+ 與天然土中膠體微粒的陽離子進(jìn)行等量的吸附交換，使大量的土粒形成較大的土團(tuán)，同時(shí)水泥水化形成的凝膠粒子的表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原水泥表面能，強(qiáng)烈的吸附能力，結(jié)合大土團(tuán)粒形成水泥土的蜂窩結(jié)構(gòu)，并封閉各土團(tuán)之間的孔隙形成堅(jiān)固的聯(lián)結(jié)體。
1.3 硬凝反應(yīng)
隨著水泥水化反應(yīng)的深入，溶液中析出大量的Ca2+，當(dāng)其數(shù)量超過離子交換的需要量時(shí)，在堿性環(huán)境中與粘土礦物中AL2O3與SiO2反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定的結(jié)晶礦物，這種化合物在水中與空氣中逐漸硬化，增加了土的強(qiáng)度，且由于水分不易侵入而具有足夠的穩(wěn)定性。
1.4 碳化反應(yīng)
水泥中游離的Ca（OH）2或空氣中的CO2反應(yīng)生成不溶于水的CaCO3使軟土固化，提高土的強(qiáng)度。
2水泥土的力學(xué)特性
2.1 水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及其影響因素
水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu一般為300～400kpa，比天然軟土大幾十倍至幾百倍，變形特征隨強(qiáng)度不同而介于脆性和彈性體之間。水泥土受力開始階段，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系基本上符合胡克定律。當(dāng)外力達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，對于強(qiáng)度大于200kpa的水泥，很快出現(xiàn)脆性破壞，對于強(qiáng)度小于2000kpa的水泥土則表現(xiàn)為塑性破壞。
?、潘嗤翉?qiáng)度受水泥摻入比、齡期、土的含水量、有機(jī)質(zhì)含量等因素影響。（見圖1）水泥土強(qiáng)度隨著水泥摻入比аw 增加而增大，當(dāng)аw <5%時(shí)，水泥與土的反應(yīng)過弱，水泥土固化強(qiáng)度低，強(qiáng)度離散性大。在實(shí)際施工中，宜選用水泥摻入比不小于7%，一般為10%～20%。滬寧高速公路蘇州段根據(jù)土的含水量不同，分別選用了兩種水泥摻入比：10%和15%。與此同時(shí)，水泥土隨著齡期的增強(qiáng)強(qiáng)度亦呈增大趨勢，水泥土齡期超過28d后，強(qiáng)度仍有明顯增加，齡期超過90d后，水泥強(qiáng)度增長緩慢，因此，一般以養(yǎng)護(hù)齡期3個(gè)月的強(qiáng)度作為水泥土的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。
⑵水泥土的強(qiáng)度隨土樣含水量降低而增大。另外，當(dāng)土中有機(jī)含量大于10%時(shí)，加固效果差，這類土不宜純采用水泥進(jìn)行加固。
2.2水泥土抗剪強(qiáng)度和變形模量
水泥土抗剪強(qiáng)度隨著抗壓強(qiáng)度增加而提高。當(dāng)qu=500～4000kpa，其粘聚力C=100～11000kpa，一般約為qu的20%～30%；其內(nèi)摩擦角變化在20?！?0。之間。水泥土受到剪切破壞時(shí)，剪切面與最大主應(yīng)力夾角約為60。。
當(dāng)水泥土qu=300～4000kpa時(shí)，其變形模量為E50=40～600Mpa，即E50=（120～150）qu
3粉噴樁的計(jì)算
地基處理設(shè)計(jì)工作的第一步是進(jìn)行選擇和比較，一般而言，應(yīng)根據(jù)工程要求、巖土特性和技術(shù)能力三方面因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、對比確定。
3.1 粉噴樁的單樁計(jì)算
承受垂直荷載的粉噴樁一般應(yīng)使土對樁的支承力與樁身強(qiáng)度所確定的承載力相近，并使后著略大于前者最為經(jīng)濟(jì)。因此，粉噴樁的單樁設(shè)計(jì)主要是確定樁長和選擇水泥摻入比。
當(dāng)粉噴樁的樁身強(qiáng)度足夠大時(shí)，單樁極限承載力取決于樁側(cè)土的極限摩阻力；若受軟土的工程性質(zhì)限制，粉噴樁樁身強(qiáng)度較小，當(dāng)粉噴樁承受垂直外荷載時(shí)，在側(cè)摩阻力遠(yuǎn)未達(dá)到極限時(shí)，樁身就開始屈服，因此，樁身強(qiáng)度低的粉噴單樁極限承載力取決于樁身強(qiáng)度。粉噴樁的單樁容許承載力可按下列二式計(jì)算，取其中較小值
Pα=1/2（fuSL+αApRu） ⑴
若Pα=1quAp⑵
式中：Pα—單樁容許承載力，KN
fu—樁側(cè)土的平均極限摩阻力，KPa
S—粉噴樁周長，m
Ap—粉噴樁截面積，m2
L—粉噴樁樁長，m
Ru—樁端土的極限承載力，kpa
qu —與粉噴樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kpa
α—樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6
l—強(qiáng)度折減系數(shù)，可取0.35～0.50
