水泥粉噴樁加固大型水閘地基的實(shí)踐和體會(huì)

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簡介： 通過水泥粉噴樁加固技術(shù)成功運(yùn)用于大型水閘的實(shí)踐，對(duì)設(shè)計(jì)與施工作用簡要論述，并結(jié)合工程實(shí)踐介紹了設(shè)計(jì)應(yīng)注意事項(xiàng)及施工工藝以及保證質(zhì)量的組織技術(shù)措施。
關(guān)鍵字：水泥粉噴樁 攪拌 工藝試樁 輕便觸探 承載力 靜載試驗(yàn)

1.概述

粉體噴射攪拌法是近二十年來大規(guī)模發(fā)展起來的地基加固處理技術(shù)。該法由瑞典人Kield Paus提出設(shè)想，1974年在瑞典首都斯德哥爾摩以南約十公里處的Hudding首次用石灰粉體噴射攪拌法作為路堤和深基坑邊坡穩(wěn)定措施，并取得成功。我國鐵道部于1984年首次成功運(yùn)用于廣東省云浮硫鐵礦鐵路專用線軟基加固。水泥粉噴法是利用噴粉樁機(jī)，將水泥干粉噴入軟弱基土中，并在原位進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，通過水泥和土的一系列復(fù)雜的物理化學(xué)作用形成水泥土樁體，與基土共同作用形成復(fù)合地基，達(dá)到提高承載力和減少沉降的目的。該技術(shù)成本低、工效快，曾大量運(yùn)用于鐵路、建筑工程地基加固，但大型水利工程的運(yùn)用較為鮮見。何巷閘將該技術(shù)成功運(yùn)用于地基加固，開辟了一條新路。

2.工程設(shè)計(jì)

2.1工程概況

   何巷閘是治淮戰(zhàn)略骨干工程懷洪新河的進(jìn)口控制工程，位于安徽省懷遠(yuǎn)縣境內(nèi)淮北大堤渦河圈堤上，屬Ⅰ等1級(jí)建筑物，該閘以分洪為主，設(shè)計(jì)分洪流量2000m³/s，并兼有蓄水和引水作用，單孔凈寬8m，共分14孔，閘室為鋼筋砼胸墻式結(jié)構(gòu)，底檻高程15.37m，胸墻底高程21.37m，閘室高10.5m，順?biāo)飨蜷L20m，閘室上游采用半徑為20m的圓弧型翼墻，下游采用緩變曲線型翼墻，翼墻擋土高度10.5m，采用鋼筋砼格倉式結(jié)構(gòu)。

2.2地質(zhì)條件

   工程位于淮河、渦河沖積平原上，揭露的地層均為淮河、渦河的沖積、淤積層，具有較為典型的河流相沖淤積地層特征（即顆粒質(zhì)結(jié)構(gòu)大致辭上細(xì)下粗），從鉆探資料所揭示的地層來看，閘室底板以下地層分布如下：

第一層：灰黃色淤質(zhì)重粉質(zhì)壤土，淤質(zhì)粉質(zhì)粘土，流塑~軟塑狀，飽和、高壓縮性，含水量42.8%，干重度12.7KN/m³，孔隙比1.293，液性指數(shù)1.22，天然地基承載能力70Kpa。層底高程10.6~10.8m，厚約4~4.5m；

第二層：黃、棕色重粉質(zhì)壤土，粉質(zhì)粘土，硬塑狀，中偏低壓縮性，含水量22.4%，干重度16.6KN/m³，孔隙比0.642，液性指數(shù)0.27，天然地基承載能力200Kpa，該層層厚約3m，層底高程7.5~8.5m；

第三層：極細(xì)砂、細(xì)砂，黃色、中密狀，頂部約1m厚為砂壤土，下部夾有較厚的粉質(zhì)壤土透鏡體，本層已揭露厚度大于16m，天然地基承載能力200Kpa。

場(chǎng)地地下水有兩種類型，①~②層地下水為潛水，水位高低主要受大氣降水、河水位影響，雨季稍高，約18~19.2m；③層以下地下水具有承壓性，第二層重粉質(zhì)壤土為完整的隔水層，據(jù)大范圍地質(zhì)鉆孔資料分析，該層含水與渦河河槽不直接連通，地下水位主要受潛水越流補(bǔ)給，地下水位約17.5~18.5m。

2.3地基處理設(shè)計(jì)

2.3.1確定方案

    何巷閘閘室、岸墻及上游翼墻均座落于第一屋淤質(zhì)土層上，天然地基承載能力僅70Kpa，而它們的基底壓力則分別達(dá)到了100Kpa、190Kpa和200Kpa，顯然需采取加固措施。設(shè)計(jì)中曾考慮了鋼筋砼灌注樁、碎石振沖樁和水泥粉噴樁等方案，認(rèn)為采用灌注樁需鉆穿第三層隔水層，引起該區(qū)域水文地質(zhì)條件變化，給以后的管理運(yùn)行帶來復(fù)雜的不定因素；采用碎石振沖樁雖可解決承載力問題，但其抗?jié)B性能差，易產(chǎn)生滲透變形，而本閘防洪期持水水頭差又較大，水泥粉噴樁水僅可以提高地基承載力，抗?jié)B性能好，而且造價(jià)低，只要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求控制進(jìn)尺，噴粉量，采用全程復(fù)攪使樁身均勻，同時(shí)解決好樁底水泥土與下臥硬土層的結(jié)合問題，該方案完全可以滿足本閘的承載力和沉降要求。

2.3.2設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)攪拌樁的作用機(jī)理可知，所形成的水泥土樁體與樁周土組成復(fù)合地基共同承擔(dān)建筑物荷載，由于二者剛度相差較大，樁體與樁間土如何分擔(dān)建筑物荷載是較為復(fù)雜的問題，目前，可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

f_sp.k=R_k.m/A_p+β(1-m)f_sk

E_sp.k=[1+m(n-1)]E_sk

式中：f_sp.k ----------復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值  (kpa)

      f_sk -----------樁間土承載力標(biāo)準(zhǔn)值  (kpa)

      m -----------樁土置換率

      A_p ----------水泥土樁體橫截面積  (m²)

      β-----------樁間土承載力拆減系數(shù)，樁間為硬土可取0.1~0.4

      R_k ----------單樁豎向承載力  (KN)

      E_sp.k --------復(fù)合地基壓縮模量  (Mpa)

      E_sk ----------樁間土壓縮模量  (Mpa)

      n ------------樁土應(yīng)力比

通過計(jì)算，閘室底板、岸墻及上游翼墻樁土置換率分別為0.196、0.348和0.40，均采用正方形布置，樁徑0.5m，樁距依次為1.0、0.75和0.70m。考慮到水閘岸墻及引堤超載影響，為減少岸墻后引堤超載引起的后仰沉降量，岸墻后另布置三排護(hù)樁，其他結(jié)構(gòu)底板輪廓外布置一排護(hù)樁。

3.施工控制

    粉噴樁地基加固技術(shù)成本低、工效快，曾大量運(yùn)用于工民建工程，后因其噴粉量、攪拌均勻性等不易控制，一般重要建筑物特別是水平荷載較大的水利工程均不再推薦采用，何巷閘為大型Ⅰ級(jí)水閘，如何保證施工質(zhì)量是該閘地基加固處理的關(guān)鍵所在。

3.1工藝性試樁

為保證工程樁的成樁質(zhì)量，在正式實(shí)施粉噴樁之前，均應(yīng)按設(shè)計(jì)確定的初步施工工藝打設(shè)工藝試驗(yàn)樁。何巷閘工程共布置了10根工藝性試樁，兩根為一組，分別以進(jìn)入硬土層0.5m和1.0m，半程復(fù)攪和全程復(fù)攪。不同的鉆進(jìn)速度和提升速度、噴灰時(shí)間、鉆機(jī)電流等參數(shù)成樁，試樁7天內(nèi)，在攪拌樁d/4位置鉆孔取芯，重點(diǎn)觀察樁底與硬土層結(jié)合面、樁進(jìn)入硬土層質(zhì)量、樁身的均勻性，最后確定了詳細(xì)的成樁工藝：①樁身進(jìn)入下臥硬土層0.5m，此時(shí)鉆機(jī)電流約65A；②鉆進(jìn)和提升速度不大于1米/分鐘；③成樁采用全程復(fù)攪；④鉆頭到樁底時(shí)原地旋轉(zhuǎn)1分鐘，開啟灰罐，再間隔10秒后，鉆桿提升。工藝性試樁所確定的參數(shù)，為施工、監(jiān)理單位提供了操作性很強(qiáng)的量比指標(biāo)，為保證工程質(zhì)量提供了可靠的依據(jù)。

3.2工程樁施工

粉噴樁的質(zhì)量除科學(xué)的設(shè)計(jì)作為保證之外，關(guān)鍵還在于施工質(zhì)量，何巷閘為淮北大堤上的Ⅰ級(jí)建筑物工程，保證工程質(zhì)量是建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理的共同目標(biāo)，各參建單位領(lǐng)導(dǎo)也高度重視，在整個(gè)實(shí)施過程中，施工單位成立了以項(xiàng)目經(jīng)理為組長的地基處理領(lǐng)導(dǎo)小組，監(jiān)理單位全程旁站監(jiān)理，設(shè)計(jì)單位長駐工地配合，嚴(yán)格按照工藝樁所確定的各種參數(shù)有序施工，克服雨雪天氣，在一個(gè)月時(shí)間內(nèi)順利完成了4875根粉噴樁施工，經(jīng)對(duì)101根樁的抽樣輕便觸探試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)，施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期目的。

3.3.1輕便觸探

按照有關(guān)規(guī)范，對(duì)不少于2%樁數(shù)進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，根據(jù)輕便觸探擊數(shù)(N₁₀)與水泥土強(qiáng)度對(duì)比關(guān)系來看，當(dāng)樁身24h齡期30cm是入度的擊數(shù)N₁₀大于15擊時(shí)，可以認(rèn)為強(qiáng)度已能滿足設(shè)計(jì)要求，由于樁身較短(<4.0m)，要求進(jìn)行全程錘擊，在總共101根樁試驗(yàn)中，其錘擊數(shù)N₁₀均在16~24擊之間，滿足規(guī)定要求。

3.3.2靜載試驗(yàn)

為更加直觀的檢驗(yàn)粉噴樁的加固效果，在閘底板范圍內(nèi)抽樣進(jìn)行了單樁復(fù)合地基、四樁復(fù)合地基垂直承載力靜探試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了樁間土垂直承載力試驗(yàn)。單樁復(fù)合地基承臺(tái)板面積為1.0x1.0m，四樁復(fù)合地基承臺(tái)板面積2.0x2.0m，均與設(shè)計(jì)置換率相同，加載方法為均勻堆載。試驗(yàn)結(jié)果為：單樁復(fù)合地基垂直承載力標(biāo)準(zhǔn)值f_k≥138kpa,沉降s=4mm；四樁復(fù)合地基f_k≥120kpa, s=8mm,樁間土f_k=72kpa，s=4mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于群樁效應(yīng)，四樁復(fù)全地基承載力小于單樁復(fù)合地基，但均已滿足閘室上覆荷載100kpa的要求。

4.加固效果

何巷閘天然地基承載力僅為70kpa（試驗(yàn)值為72kpa），而閘室、岸墻及上游翼墻基底壓力分別達(dá)100kpa、190kpa和200kpa，盡管基礎(chǔ)下臥壓縮層不厚，但天然地基沉降量理論計(jì)算值分別達(dá)到了30mm、141.2mm和155mm，閘室與岸墻沉降差高達(dá)110mm，將嚴(yán)重影響閘門的開啟和封水效果。何巷閘完工近三年，采用粉噴樁加固后，經(jīng)沉降觀測(cè)，閘室最大沉降量為13mm，岸墻為18mm，閘室與岸墻沉降差僅為5mm，且從沉降曲線分析，已趨于穩(wěn)定，超預(yù)期達(dá)到了加固效果。

5．結(jié)語與體會(huì)

粉噴樁是一種高效、經(jīng)濟(jì)和安全的地基處理技術(shù)，不僅可用于一般工民建和交通工程，也可用于大型水利工程，設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

5.1適當(dāng)?shù)貙訔l件

擬加固的軟土地層厚度一般應(yīng)小于10m，且下臥硬土層天然地基承載能力以大于150kpa為宜，樁底進(jìn)入硬土層的深度應(yīng)視硬土層含水量、強(qiáng)度、通過工藝樁取樣試驗(yàn)確定，務(wù)必保證硬土層內(nèi)樁體攪拌均勻、固結(jié)良好和樁尖與硬土層的良好接觸，絕非進(jìn)入硬土層越深越佳，避免因硬土層內(nèi)含水量過小，固結(jié)差而導(dǎo)致削弱樁體強(qiáng)度。

5.2樁身均勻控制

一般操作規(guī)程規(guī)定，粉噴樁復(fù)攪深度為1/2樁長或1/3樁長，從工藝樁取芯結(jié)果看，一次噴粉提升成樁樁體水泥土攪拌均勻性差，“干層”現(xiàn)象嚴(yán)重，影響了樁身強(qiáng)度，為保證樁身均勻性應(yīng)采用全程復(fù)攪工藝成樁。

5.3鉆桿提升時(shí)間

為保證樁尖成樁質(zhì)量，鉆至樁底后，鉆機(jī)應(yīng)在原地旋轉(zhuǎn)1~2分鐘，打開灰罐后，應(yīng)使粉體水泥從噴咀噴粉后才能提升，水泥干粉從鉆口到噴咀的時(shí)間與連接兩者的皮管長度和空氣壓力有關(guān)，應(yīng)由試驗(yàn)確定。

5.4護(hù)樁

粉噴樁為復(fù)合地基，其加固范圍不能局限于基礎(chǔ)輪廓線范圍以內(nèi)，周圍均應(yīng)布置護(hù)樁。特別對(duì)于由引堤與岸墻連接的布置形式，岸墻后引堤基礎(chǔ)適當(dāng)范圍內(nèi)也需加固，其范圍應(yīng)由計(jì)算確定，以引堤荷載引起的沉降曲線不影響岸墻為宜，避免水閘岸墻后仰變形。

5.5精心施工

    粉噴樁為隱蔽工程，成樁質(zhì)量不易認(rèn)定，極易造成噴粉量不足，進(jìn)尺不夠，攪拌不均勻等質(zhì)量事故。因此，必須要有一支高度責(zé)任感和高素質(zhì)的施工隊(duì)伍，監(jiān)理單位應(yīng)全程旁站，逐一記錄，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)和工藝試樁參數(shù)施工。