CN106906709B - 一种生石灰改性水泥土桩的施工方法 - Google Patents

一种生石灰改性水泥土桩的施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生石灰改性水泥土桩的施工方法，涉及路面基础修建、修复技术领域。包括以下步骤：（1）以1～1.3m为间距打孔，孔的布置方式为相邻各孔之间呈现为正方形或正三角形；（2）将粘性土、水泥、粉煤灰、速溶型水玻璃粉和聚丙烯酸钠按比例拌合均匀制成预拌料；（3）混合料制备：将块状生石灰与预拌料混合均匀制成混合料；（4）成桩夯实：对于所打孔采用隔排夯实作业；（5）第一序孔成桩完毕后，开始第二序孔的成桩作业。本发明方法施工工艺简单，采用常规机械即可成孔作业；加固效果好，处理后土体平均含水量下降明显,土体的承载能力明显提高；生态环保，成本低，施工造价为注浆法造价的50～70%。

Description

一种生石灰改性水泥土桩的施工方法
技术领域
本发明涉及路面基础修建、修复技术领域。
背景技术
由于路基填料的不均匀性及局部填料（或地基）含水量过大，在路基路面自重及行车荷载作用下易产生不均匀沉降，将严重影响道路的使用性能及行车安全。不均匀沉降也成为公路工程的质量通病之一。国内外常用的有关路基不均匀沉降处理方法主要有注浆法、灰土（水泥土）挤密桩法和传统生石灰桩法等。
注浆法需要将水泥配制成水泥浆液，利用水作为载体输送到土体内。注浆法的水泥浆液水灰比一般为0.8～1.0，而水泥胶凝所需的水胶比为0.33～0.35，将造成很高的泌水率（大于25%）。注浆后水泥胶凝泌出的水将滞留并渗入土体内，造成土体含水量增大，并进一步产生附加沉降，只有当水泥浆加固体达到设计强度且土体中的超孔隙水压力消散后，加固后的路基才能稳定。
由于灰土（水泥土）挤密桩法的成孔直径较大（大于300mm），在沥青路面或混凝土路面结构层中成孔难度很大，且由于不均匀沉降区域的路基土体含水量偏高，成孔、成桩效果较差。
传统生石灰桩法采用块状生石灰添加粉煤灰或直接使用块状生石灰为原料，为提高桩体密实度，施工过程中需将粉煤灰预先加湿，造成了生石灰过早接触水分，在成桩前开始消解，降低了其吸水能力，成桩体的强度低（≤0.5MPa）。直接使用生石灰材料方法，由于消解后的熟石灰只会在桩周土体接触面形成一个低强度的外壳，而桩体内部的气硬性材料—熟石灰呈膏状、无强度。生石灰桩在吸水膨胀过程中，桩顶周围路面很容易出现起“蘑菇”现象，破坏路面结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种生石灰改性水泥土桩及其施工方法，本发明方法施工工艺简单，采用常规机械即可成孔作业；加固效果好，处理后土体平均含水量下降明显,土体的承载能力明显提高；生态环保，成本低，施工造价为注浆法造价的50～70%。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
生石灰改性水泥土桩的施工方法，包括以下步骤：（1）以1～1.3m为间距打孔，孔直径为140～160mm，孔深以穿透软土层为止，孔的布置方式为相邻各孔之间呈现为正方形或正三角形；
（2）预拌料由粘性土、水泥、粉煤灰、速溶型水玻璃粉和聚丙烯酸钠组成；预拌料中各成分的组成百分比为粘性土60～75%、水泥8～25%、粉煤灰1～10%、速溶型水玻璃粉0.5～6%、聚丙烯酸钠0.01～1%；将上述各成分按比例拌合均匀制成预拌料；
（3）混合料制备：将块状生石灰与预拌料混合均匀制成混合料；块状生石灰与预拌料的质量比为1:2～1:4；块状生石灰的粒径小于5cm；
（4）成桩夯实：对于步骤（1）所打孔采用隔排夯实作业，每孔每次填混合料厚度为30～50cm，夯击8～15次，依次夯击至距离桩顶50～100cm，用预拌料夯实封孔至桩顶；采用套管式锤击法，锤重大于150Kg，锤直径为110 ～120mm；
（5）第一序孔成桩完毕后，开始第二序孔的成桩作业，先检查第二序孔内的积水和缩径状况，将孔内积水排出，如果缩径，进行扩孔处理，扩孔至直径为140～160mm，然后进行夯实成桩作业，成桩作业同第一序孔。
优选的步骤（2）预拌料中各成分的质量组成百分比为粘性土72～75%、水泥12～22%、粉煤灰5～10%、速溶型水玻璃粉0.5～6%、聚丙烯酸钠0.01～0.5%。
步骤（5）中第二序孔指与第一序孔相隔一排的孔。
步骤（1）中孔的布置方式为相邻孔之间呈现为正方形或正三角形。
速溶型水玻璃粉为五水偏硅酸钠粉末。
本发明所用水泥为常规型水泥。
本发明生石灰改性水泥土桩成桩原理：
对于路基(或地基）土体含水量偏大而造成不均匀沉降病害的治理最有效的方法是提高土体密实度、降低含水量。本发明生石灰改性水泥土桩是将水泥、土、粉煤灰、添加剂（速溶型水玻璃粉和聚丙烯酸钠）预拌后再添加块状生石灰拌合均匀。混合料中水泥、粉煤灰等吸附在土颗粒表面，形成保护层，将CaO与土颗粒中的H2O隔离。CaO经过夯击挤入土体内后吸收桩周围水分。由于钻孔直径小（140～160mm），夯填过程中混合料在重锤的锤击下，生石灰块被击成碎块并被包裹在混合料中， CaO碎块消解由桩周向中心逐步进行。水泥与土的胶凝固结反应，提供了生石灰改性水泥土桩的早期强度。
CaO碎块分散并被包裹于混合料及桩周土体中，CaO吸水形成的Ca（OH）2与土、粉煤灰、添加剂等相互之间发生胶凝固结反应，此反应滞后于水泥与土的胶凝固结反应。由于Ca（OH）2属于气硬性材料，只有Ca2+接触到CO3 2-、SO4 2-、PO4 3-、AlO3 3-、SiO3 2-等酸根离子时，才能胶凝固结。当Ca2+接触不到上述酸根离子时，Ca（OH）2不胶凝固结。由于生石灰碎块分散于混合料和桩周土体中，Ca2+与酸根离子接触面积大，胶凝反应比较完全，桩体后期强度能够继续增长。
生石灰改性水泥土桩在成孔后，采用隔排或隔行成桩工艺作业，其目的是空孔可以作为夯实及生石灰吸水膨胀应力释放孔。当生石灰吸水膨胀挤密桩周土体时，空孔可以释放应力，减小向上的膨胀压力。孔隙水扩散时，能够及时排出并能就近汇集到空孔内，再将空孔内的水导出，可以提高生石灰改性水泥土桩降低土体含水量的功效。
具体施工方法为：
（1）桩间距、桩长确定：桩间距一般取值1～1.3m，孔深以穿透高含水量的软弱土层为宜。桩的布置排列方式为正方形或正三角形，指的是相邻桩之间呈现为正方形或正三角形。施工前先放样布置桩位。放样完毕后，从平面整体看，桩位也会呈现出排、列。
（2）成孔：采用常规钻具成孔，直径为140～160mm。
（3）混合料拌合：混合料成分为粘性土、水泥、粉煤灰、速溶型水玻璃、聚丙烯酸钠和生石灰块，混合料拌合分两步实施。
预拌料拌合：将粘性土、水泥、粉煤灰、速溶型水玻璃粉、聚丙烯酸钠这五种组份按表中配比预拌合均匀，制成预拌料。预拌料的含水量接近于最佳含水量，简易控制办法为：手握成团、落地即散。
组份 粘性土 水泥 粉煤灰 粉状水玻璃 聚丙烯酸钠
最低含量（wt%） 60 8 1 0.5 0.01
最高含量（wt%） 75 25 10 6 1
再将块状生石灰与预拌料按质量比1:2～1:4拌和均匀成混合料备用。
（4）成桩夯实机械：采用套管式锤击法，锤重>150kg，夯锤的外直径为110～120mm。
（5）成桩夯实：采用隔排夯实作业方式，其余孔作为应力释放兼排水孔。夯实成桩时，每次填混合料厚度为30～50cm，然后重锤夯击8～15次。填料时，重锤提出孔外。依次夯击到距离桩顶50～100cm，用预拌料夯实封孔到桩顶。
（6）排水孔导水：第一序孔成桩完毕后，开始第二序孔的成桩作业，先检查第二序孔内的积水和缩径状况。将孔内积水排出，如果缩径，进行扩孔处理。然后进行夯实成桩作业。成桩作业同第一序孔。第二序孔与第一序孔相隔一排，依次类推至待作业区域完成。
本发明生石灰改性水泥土桩施工方法的特点：
（1）施工工艺简单：成孔直径小（D=140～160mm），采用常规钻具即可成孔作业，夯实设备采用直径为D=110～120mm的套管式重锤（锤重>150kg）。
（2）加固效果好：桩体材料中块状生石灰吸水、膨胀挤密效果好，对周围土体的有效挤密影响范围为80～120cm，处理后土体平均含水量下降3～8%，桩间土密实度提高2～5%，成桩直径可达到260～350mm，且在被加固土体的含水量越高，成桩直径越大；桩体强度28天强度可达到3～5MPa，在施工完成后2天内可以铺设路面。
（3）生态环保，成本低：在施工过程及施工完成后不会对周边环境造成污染，具有环保、无公害的特点。施工造价为注浆法造价的50～70%。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明方法施工工艺简单，采用常规机械即可成孔作业；加固效果好，处理后土体平均含水量下降明显,土体的承载能力明显提高；生态环保，成本低，施工造价为注浆法造价的50～70%。
具体实施方式
实施例1
某山区高速公路路基（填方高度为5.2m），由于局部排水不畅，导致雨水渗入路基至下部地基土体，导致路面局部沉降8.5cm。沉降面积为115m2经钻孔从上往下揭露：①路面结构层0.8m；②中风化碎石填料层，层厚2.2m；③粉质粘土填筑层，层厚2.2m、含水量为22～28%；④原地基粉质粘土层，层厚1.3m，含水量,19%；⑤粉质粘土层，层厚3.2m，含水量,13%；⑥风化岩。
根据钻探资料分析，采用生石灰改性水泥土桩对该段区域进行加固处理。
1）桩长为7m，穿过④粉质粘土层；桩间距为1.2m，相邻孔之间呈现为正三角形。
2）钻孔：成孔直径为140mm，路面以下3m深度采用潜孔钻机开孔，软土层采用30型地质钻机成孔。
3）预拌料混合：按照粉质粘土、P.O.32.5水泥、粉煤灰、速溶型水玻璃粉、聚丙烯酸钠=10:2:1:0.5：0.01的质量比，人工拌合均匀备用。含水量接近于最佳含水量，简易控制办法：手握成团、落地即散。
4）混合料拌合：采用块状生石灰：预拌料=1:2的比例（质量比）配比拌合均匀。
5）夯实机械：采用30型地质钻机，套管锤总重300kg，锤头安装锥形尖。
6）成桩夯实：采用隔排夯实作业方式。夯实成桩时，每次填料厚度为30cm，然后重锤夯击10次。填料时，重锤提出孔外。依次夯击到距离桩顶100cm，用预拌料夯实封孔到桩顶。
7）排水孔导水：第一序孔成桩完毕后，开始第二序孔的成桩作业。先检查第二序孔内的积水和缩径状况。采用套管将孔内积水泥浆掏出，同时也进行扩孔处理，至到孔底。然后进行夯实成桩作业，成桩作业同第一序孔。
8）加固后土体含水量抽测：在相邻桩的几何中心，对含水量高的土层进行钻孔取样验证。取样结果显示，土体平均含水量为16%，大幅降低。
9）沉降观测：施工完毕2天后重新铺设路面，经过长期观测，路基保持稳定，满足规范要求。
实施例2
某山区高速公路斜坡地基段路基（横断面最大填方高度为10.6m），在通车两年后发生不均匀沉降，并在行车道处出现长度为112m的纵向裂缝，原先采用注浆法进行过加固处理，没有成功。沉降面积为772m2经钻孔从上往下揭露：①路面结构层0.8m；②中风化碎石填料层，层厚1.2m；③粉质粘土填筑层，层厚2.2～5.3m、含水量为24～28%，路基外侧钻孔有滞留水；④原地基粉质粘土层，层厚3.3m，含水量,13～15%；⑤风化岩。
根据钻探资料分析，采用生石灰改性水泥土桩联合微型钢管桩对该段区域进行加固处理。
1）在路基拦水带处设置一排微型钢管，桩长为10m，穿过④粉质粘土层，桩间距为1m；内部区域采用生石灰改性水泥土桩，桩长6～10m，桩间距为1.2m，相邻孔之间呈现为正三角形。
2）钻孔：成孔直径为140mm，路面以下3m深度采用潜孔钻机开孔，软土层采用30型地质钻机成孔。
3）首先实施与微型钢管桩相邻的生石灰改性桩，然后施工微型钢管桩。
4）预拌料混合：按照粉质粘土、P.O.32.5水泥、粉煤灰、速溶型水玻璃粉、聚丙烯酸钠=10:2:1:0.5：0.01的质量比，人工拌合均匀备用。含水量接近于最佳含水量，简易控制办法：手握成团、落地即散。
5）混合料拌合：采用块状生石灰：预拌料=1:2的比例（质量比）配比拌合均匀。
6）夯实机械：采用30型地质钻机，套管锤总重300kg，锤头安装锥形尖。
7）成桩夯实：采用隔排夯实作业方式。夯实成桩时，每次填料厚度为30cm，然后重锤夯击13次。填料时，重锤提出孔外。依次夯击到距离桩顶100cm，用预拌料夯实封孔到桩顶。
8）排水孔导水：第一序孔成桩完毕后，开始第二序孔的成桩作业。先检查第二序孔内的积水和缩径状况。采用套管将孔内积水泥浆掏出，同时也进行扩孔处理，至到孔底。然后进行夯实成桩作业，成桩作业同第一序孔。
9）加固后土体含水量抽测：在相邻桩的几何中心，进行钻孔取样验证。取样结果显示，土体内的滞留水消失，含水量为15～18%，大幅降低。
10）沉降观测：施工完毕3天后重新铺设路面，经过一年的观测，路基保持稳定，满足规范要求。
实施例3
某山区高速公路路基（填方高度为5.2m），由于局部排水不畅，导致雨水渗入路基至下部地基土体，导致路面局部沉降8.5cm。沉降面积为115m2经钻孔从上往下揭露：①路面结构层0.8m；②中风化碎石填料层，层厚2.2m；③粉质粘土填筑层，层厚2.2m、含水量为22～28%；④原地基粉质粘土层，层厚1.3m，含水量,19%；⑤粉质粘土层，层厚3.2m，含水量,13%；⑥风化岩。
根据钻探资料分析，采用生石灰改性水泥土桩对该段区域进行加固处理。
1）桩长为7m，穿过④粉质粘土层；桩间距为1m，相邻孔之间呈现为正方形。
2）钻孔：成孔直径为160mm，路面以下3m深度采用潜孔钻机开孔，软土层采用30型地质钻机成孔。
3）预拌料混合：按照粉质粘土、P.O.32.5水泥、粉煤灰、速溶型水玻璃粉、聚丙烯酸钠质量百分含量分别为72%，22%，5%，0.5%，0.5%，人工拌合均匀备用。含水量接近于最佳含水量，简易控制办法：手握成团、落地即散。
4）混合料拌合：采用块状生石灰：预拌料=1:4的比例（质量比）配比拌合均匀。
5）夯实机械：采用30型地质钻机，套管锤总重300kg，锤头安装锥形尖。
6）成桩夯实：采用隔排夯实作业方式。夯实成桩时，每次填料厚度为50cm，然后重锤夯击10次。填料时，重锤提出孔外。依次夯击到距离桩顶100cm，用预拌料夯实封孔到桩顶。
7）排水孔导水：第一序孔成桩完毕后，开始第二序孔的成桩作业。先检查第二序孔内的积水和缩径状况。采用套管将孔内积水泥浆掏出，同时也进行扩孔处理，至到孔底。然后进行夯实成桩作业，成桩作业同第一序孔。
8）加固后土体含水量抽测：在相邻桩的几何中心，对含水量高的土层进行钻孔取样验证。取样结果显示，土体平均含水量为17%，大幅降低。
9）沉降观测：施工完毕2天后重新铺设路面，经过长期观测，路基保持稳定，满足规范要求。
实施例4
某山区高速公路路基（填方高度为5.2m），由于局部排水不畅，导致雨水渗入路基至下部地基土体，导致路面局部沉降8.5cm。沉降面积为115m2经钻孔从上往下揭露：①路面结构层0.8m；②中风化碎石填料层，层厚2.2m；③粉质粘土填筑层，层厚2.2m、含水量为22～28%；④原地基粉质粘土层，层厚1.3m，含水量,19%；⑤粉质粘土层，层厚3.2m，含水量,13%；⑥风化岩。
根据钻探资料分析，采用生石灰改性水泥土桩对该段区域进行加固处理。
1）桩长为7m，穿过④粉质粘土层；桩间距为1.3m，相邻孔之间呈现为正方形。
2）钻孔：成孔直径为160mm，路面以下3m深度采用潜孔钻机开孔，软土层采用30型地质钻机成孔。
3）预拌料混合：按照粉质粘土、P.O.32.5水泥、粉煤灰、速溶型水玻璃粉、聚丙烯酸钠质量百分含量分别为75%，12%，10%，2.8%，0.2%，人工拌合均匀备用。含水量接近于最佳含水量，简易控制办法：手握成团、落地即散。
4）混合料拌合：采用块状生石灰：预拌料=1:3的比例（质量比）配比拌合均匀。
5）夯实机械：采用30型地质钻机，套管锤总重300kg，锤头安装锥形尖。
6）成桩夯实：采用隔排夯实作业方式。夯实成桩时，每次填料厚度为50cm，然后重锤夯击10次。填料时，重锤提出孔外。依次夯击到距离桩顶100cm，用预拌料夯实封孔到桩顶。
7）排水孔导水：第一序孔成桩完毕后，开始第二序孔的成桩作业。先检查第二序孔内的积水和缩径状况。采用套管将孔内积水泥浆掏出，同时也进行扩孔处理，至到孔底。然后进行夯实成桩作业，成桩作业同第一序孔。
8）加固后土体含水量抽测：在相邻桩的几何中心，对含水量高的土层进行钻孔取样验证。取样结果显示，土体平均含水量为17%，大幅降低。
9）沉降观测：施工完毕2天后重新铺设路面，经过长期观测，路基保持稳定，满足规范要求。
实施例5-8
预拌料中粉质粘土、P.O.32.5水泥、粉煤灰、速溶型水玻璃粉、聚丙烯酸钠质量百分含量见下表1，其他参数同实施例2。
表1
粉质粘土 水泥 粉煤灰 速溶型水玻璃粉 聚丙烯酸钠
实施例5 60% 25% 9% 5.5% 0.5%
实施例6 75% 8% 10% 6% 1%
实施例7 69% 24% 1% 5.2% 0.8%
实施例8 70% 17% 8% 4.99% 0.01%
加固后土体含水量抽测：在相邻桩的几何中心，进行钻孔取样验证。取样结果显示土体内的滞留水消失，含水量见下表2。
表2
实施例5 实施例6 实施例7 实施例8
含水量 16 18 17 18

Claims (1)

1.一种生石灰改性水泥土桩的施工方法，其特征在于：
包括以下步骤：(1)以1～1.3m为间距打孔，孔直径为140～160mm，孔深以穿透软土层为止，孔的布置方式为相邻各孔之间呈现为正方形或正三角形；
(2)预拌料由粘性土、水泥、粉煤灰、速溶型水玻璃粉和聚丙烯酸钠组成；预拌料中各成分的质量组成百分比为粘性土72～75％、水泥12～22％、粉煤灰5～10％、速溶型水玻璃粉0.5～6％、聚丙烯酸钠0.01～0.5％；将上述各成分按比例拌合均匀制成预拌料；
(3)混合料制备：将块状生石灰与预拌料混合均匀制成混合料；块状生石灰与预拌料的质量比为1:2～1:4；块状生石灰的粒径小于5cm；
(4)成桩夯实：对于步骤(1)所打孔采用隔排夯实作业，每孔每次填混合料厚度为30～50cm，夯击8～15次，依次夯击至距离桩顶50～100cm，用预拌料夯实封孔至桩顶；
(5)第一序孔成桩完毕后，开始第二序孔的成桩作业，先检查第二序孔内的积水和缩径状况，将孔内积水排出，如果缩径，进行扩孔处理，扩孔至直径为140～160mm，然后进行夯实成桩作业，成桩作业同第一序孔。
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