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兰(兰州忠和)海(海石湾)高速公路是交通部规划的“五纵七横”国道主干线系统中丹东到拉萨国道主干线的一段。本段工程地处陇西黄土高原向青藏高原过渡地带,属祁连山的东延部分,海拔在1604.1787m之间,路线布设在湟水河河谷阶地。在河北建设集团承建的第十八合同段中,遇到了软黄土分布带,起止桩号为: K94+760~K97+530,该段软黄土属于饱和黄土,含水量很大,承载力差,为典型软弱地基地段。

1.工程地质条件
经地质勘探,该段内的地层自上而下为:(1)饱和黄土,厚度6。10m,黄色,土体含水量较大,在20%以上,土体呈软塑至流塑状,地基承载力在 100kPa以下。(2)砂砾石层,厚度3.6m,具水平层理,成份复杂。(3)泥岩,红色,地基承载力大于400kPa,是较好的持力层。
根据设计要求用水泥搅拌桩加固处理该段软黄土地基,施工采用水泥喷粉搅拌桩(干法)工艺。

2.水泥搅拌桩固结原理
水泥搅拌桩是以水泥干粉作为固化材料,通过专用的粉体搅拌机械,用压缩空气将粉体喷到软弱地层中。凭借钻头叶片,在原位进行强制搅拌形成土和掺合料的混合物,通过水泥的水解水化作用,使其产生一系列的物理一化学反应,从而产生一种特殊的,具有较高强度、较好变形特性和水稳定性的混合柱状加固体,它对提高软土路基承载能力及减小地基的沉降量有明显的效果。

3.施工技术要求
水泥搅拌桩在施工前先进行一段试验段,检验其效果,再根据成桩试验确定技术参数进行施工。要严格控制粉喷时间、停喷时间和水泥喷入量,确保粉喷桩长度,桩身上部(1/3桩身)范围内必须进行两次搅拌,确保桩身质量。发现粉喷量不足时应整桩复打,钻机喷灰时要连续、均匀作业,如遇机械故障停机时,必须在12h 内补桩,复打重叠孔段应大于1m,要保证桩的垂直度,其偏差不得超过1.5%。严格控制桩间距,其间距偏差不能超过20mm,如遇障碍物钻机不能钻进至吃力层,可将桩位做适当调整,但必须经监理工程师认可。

4.桩体喷灰量及土体含水量确定
在软黄土路基范围内选择具有代表性的区段,通过10%、13%、15%、17%、19%和20%等6种水泥掺量进行成桩试验,根据对复合地基承载力的测试和对成桩完整性及外观进行检查,达到设计要求的桩体最佳喷灰量为15%,即每延米水泥喷入量为52kg,土体成桩的含水量不能低于28%。

5.施工工艺参数
(1)水泥采用425#普通硅酸盐水泥,掺入比为15%,即每延米掺灰量为52kg。
(2)钻进速度V=0.5—0.8m/min
提升速度Vp=0.5—0.8m/min
搅拌速度R=40—50r/min
空气压力P=0.3—0.4MPa

6.施工机械
施工机械主要有5部分组成,分别应具备以下性能。
(1)钻机。需要具备正向钻进及反转提升的功能。
(2)喷粉机。根据施工时钻机的提升速度和钻机转速,选用合理的粉体发送量。
(3)空气压缩机。气粉混合体的压力只需克服喷灰口处土及地下水的阻力而喷入土中。
(4)搅拌钻头。应保证在反向旋转提升时对柱中土体有压实作用,不使其向地面翻升。
(5)计量装置。用于监测粉体输入量的连续性及均匀性,并能自动记录及打印。

7.施工工艺流程
施工工艺流程如图1。


8.工程质量检验与控制
在施工过程中,严格控制原材料质量,水泥在出厂合格的基础上,按规定频率取样在定点检验单位进行复检,其性能指标均达到设计标号的质量要求。在施工期间施工人员必须做好施工原始记录,监理人员随时检查施工记录。
土体含水量是影响成桩质量的关键因素,为保证土体含水量,采用表面加水浸泡土体和沿钻机钻杆加水至土内的方法,可以保证土体含水量,确保成桩质量,效果较理想。
检查方法主要有:开挖检查、轻便动探和小应变检测、桩体试件无侧限抗压强度测试及载荷试验。先后开挖验桩108根,桩柱光滑圆顺、垂直,水泥搅拌均匀,桩体质量良好。轻便动探275根,小应变检测136根,桩体试件无侧限抗压强度60组,单桩承载力载荷试验8根,复合地基载荷试验8组,检测结果均满足设计要求。
通过采用深层水泥搅拌桩加固处理软黄土路基,可获得较高的复合地基承载力与复合变形模量。深层水泥搅拌加固技术具有无振动、无噪声、无环境污染、施工简便、快捷以及加固费用低等特点,特别适用于软黄土、淤泥质土、粘性土、粉土和杂填土等天然含水量大于30%的土体加固,具有较大的推广使用价值。 

表1 软黄土主要物理及力学性质指标(饱和黄土)
天然密度 含水量 液限 塑限 孔隙比 压缩系数 压缩模量 内摩擦角 粘聚力
/kN/m3 /% /% /% /e /MPa-1 /Mpa /° /kPa
17.5 20~30 29 22 1.24 0.85 3.2 20 25

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