我国幅员辽阔,地质情况复杂多变,其中软土在我国分布十 分广泛,在长江、珠江三角洲等滨海和湖沼地带尤为普遍。 软土地基由于其低抗剪强度、高压缩性和弱透水性,工程力 学性能很差,直接影响结构工程的稳定性和耐久性。为保证高速 公路的安全和正常使用,必须要对高速公路通过地段的软土进行 加固处理,使其满足工程的要求。工程实践证明,对于深厚软黏 土地基或粘性较大的软土地基的加固处理以深层搅拌法居多。

深层搅拌法处理深度一般要超过5 m,一些资料显示最大加 固深度可达60 m,一般不超过15 m~18 m。深层搅拌法采用的 固化剂一般分水泥类、石灰类、沥青类和化学材料类。目前最常 用的固化剂就是水泥类固化剂,其次是石灰类固化剂。用水泥类 固化剂的搅拌桩又分为“湿法”和“干法”两种工艺,水泥深层搅拌 桩就是典型的“湿法”。本文介绍的某高速公路中,桥坡段及涵洞 或通道结构物处为防止结构物开裂、位移、基桩受剪破坏及控制 工后沉降,采用水泥搅拌桩处理方案。

1　水泥深层搅拌桩加固地基的基本原理

本工法属于胶结法类。通过搅拌机械将胶结材料(水泥)与 地基的软土搅拌成桩柱体。由水泥搅拌桩柱体与四周软土组成 复合地基,提高地基的承载力,减少地基沉降。此外,还能阻止地 下水的渗透。水泥黏土固化过程中的物理化学机理与混凝土的 硬化机理有所不同。水泥黏土在固化过程中由于水泥掺入量很 少,它是由黏土包围水泥,与混凝土不同,水泥黏土的固化速度 慢,强度也低,并随含水量的变化而改变。

1.1　水泥的水介和水化化学反应

普通硅酸盐水泥由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二 铁及三氧化硫等组成,由这些不同的氧化物可以分别组成不同的 水泥矿物,它们是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙及 硫酸钙等。当黏土与水泥相接触时,水泥颗粒与黏土中的水发生 水介和水化反应,生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水 铁酸钙等钙化物。这些钙化物是坚硬的固体,是促进水泥黏土具 有一定强度而达到加固目的的核心物质。

1.2　水泥水化物与黏土颗粒的化学作用

当水泥的各种水化物生成后,有的自身继续硬化,形成水泥 骨架;有的则与其周围的黏土颗粒发生一系列的反应,这些反应 如下:1)离子交换和团粒化作用。2)硬化反应。3)碳酸化作用。

2　水泥深层搅拌桩在高速公路软土地基加固中的作用

2.1　工程概况

我单位2002年~2005年在安徽滁州市承建的蚌宁高速公路 来安曹庄—明光段二标K6+920~K8+280范围内桥坡段和小 型构筑物地基处理就采用了水泥深层搅拌桩,总桩长为121 606 延米。

2.2　软土地基加固设计

1)桥坡段处理方案。针对软土地基上桥台可能发生诸如桥 台开裂、位移、基桩受剪破坏等情况,为保证桥台与路堤相邻处差 异和工后沉降不大于0.1 m,桥坡段采用水泥搅拌桩预压处理方 案,湿法施工,成桩直径50 cm,在桩顶做30 cm厚碎石垫层,布桩 形式采用正三角形,按平行于桥台走向布设,桩长8 m~10 m,桥 坡段按2倍左右的台背高度等分A,B,C三段加固处理区,桩间距 分别为1.1 m,1.2 m,1.3 m,另外在台前1.5倍~2倍左右的台 后填土高度及锥坡范围内的D区也要处理,桩间距1.3 m。

2)小型构筑物地基的处理方案。为满足涵洞或通道结构物 对地基承载力的要求和保证工后沉降不大于0.2 m,对软土地基 采用水泥深层搅拌桩预压处理方案,湿法施工,成桩直径50 cm, 在桩顶做30 cm厚碎石垫层,布桩形式采用正三角形,按平行涵 洞的中轴线对称布桩,桩长8 m~14 m,涵洞附近划分B,A,B三 段加固处理区,中间加密区A断桩间距为1.1 m,两端过渡区B 段为1.3 m。A区采用20 m高土工格室装碎石回填密实。

2.3　水泥深层搅拌桩施工工艺

1)成桩试验。在搅拌桩施工前为确认施工工艺,水泥浆配合 比及外加剂的加入情况对搅拌桩强度的影响,确定场地相对较好 的K8+180圆管涵明光侧B区做试验桩位置,利用工程桩,做8 种配合比及不同搅拌情况下的成桩试验,每种做2根,共计16根, 分别进行编号,根据试验结果确定最佳施工工艺。根据试验结 果,最后确定选用二喷二搅成桩,水泥掺入量15%,减水剂为水泥 用量的1.5%。

3)施工现场应予 平整并压实,不得回填杂填土。

4)搅拌桩施工前应对搅拌机械的 灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机输浆口的时间和起吊设 备提升速度等施工参数进行标定。水泥浆液的配制要严格控制 水灰比,一般为0.45~0.5。

5)水泥搅拌桩主要按下列步骤进行: 搅拌机械就位、调平;预搅下沉,下沉时采用喷浆工艺;喷浆搅拌 提升至设计停浆标高;重复搅拌下沉;重复喷浆、搅拌至设计停浆 标高后,再提升到孔口;测量料罐剩余量,对不满足设计要求的桩 位应立即补搅,关闭机械,桩机移至下一机位。6)水泥搅拌桩质 量检验的项目及抽检数量,按设计及规范要求办理。

2.4　施工中应注意的事项

1)加固深度:虽然水泥深层搅拌桩加固深度曾有过60 m,甚 至更长的记录,但由于目前搅拌桩桩长受机具工艺限制,且由于 水泥搅拌桩复合地基的分层沉降和水平收敛深度在15 m左右 所以在作为承载作用下的水泥搅拌桩加固深度还是以不超过 15 m~18 m为宜。

2)搅拌工艺。搅拌机械的搅拌功能和搅拌是 否充分对水泥搅拌加固法的加固效果起着重要的作用。因此在 水泥搅拌桩施工中不得少于两次循环搅拌,否则部分水泥会失去 效用。

3)水质要求。由于水泥固化过程中吸纳大量的自由水体 因此这些自由水体必须是无害的,如pH值不能太低,如果太低就 会影响加固效果。

4)水泥。水泥搅拌桩最基本的原理是通过水 泥吸水固化,为达到水泥吸水固化的效果,要求水泥必须是新鲜 的,不能存放太久,一般不超过三周。

5)施工注意事项。水泥深 层搅拌法目前因机械自动控制设备不完善,大部分依赖于人工控 制,因此造成施工质量不稳定,甚至出现工程事故,为此必须加强 水泥用量总体控制和分区、分段甚至分桩控制,务必达到设计要 求的水泥用量及充分搅拌。其次在开工前必须先做工程试桩,不 得少于10根,通过试桩制定出该工程完整的施工工艺。 加强施工检验,主要是用N10轻型动力触探24 h内抽检,抽 检量为2%~3%。此外,载荷试验和抽芯检验必不可少。