CN111364453A - 一种轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法，采用轻质水泥土灌注桩进行深厚软基加固，通过对轻质水泥土搅拌设备、泵送设备和灌注成孔设备的改进组合，水泥浆通过轻质水泥土设备后，与泡沫进行混合，形成密度为1000kg/m³左右的气泡水泥土，以钻孔灌注的方式成桩。该方法对深厚软土的地基加固有明显改进，将传统的地下搅拌变成了地面搅拌，实现了水泥土桩材料装配式化，大幅度保证了水泥土桩的均匀性和强度可靠性；对深厚软基而言，加固区大幅度卸荷，减小下卧软土层有效应力，能大幅度降低下卧层沉降变形，对30‑40m以上深厚软土地基有效加固提供了一种可能；长螺旋钻孔成桩工艺施工进度快，有效缩短工期，降低施工设备维护及管理成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法，属于地基加固技术领域。
背景技术
随着我国城市建设的不断发展，基础设施建设数量日益增加，沿海、沿河区域滩涂道路建设等工程不断增多。水泥搅拌桩作为一种软基加固复合桩，在深厚软基加固处理中应用较为广泛。传统的水泥加固桩将水泥浆与软土在地基中通过搅拌叶片搅拌，并与水泥浆液混合成桩，这种成桩工艺对于孔隙率高、含水量固定、砂性成分含量较高的软土地基使用较广泛，尽管如此由于是就地搅拌，现场加固桩柱体加固质量相对较难控制。另一方面，在沿海地区广泛分布的淤泥质土层，其黏粒含量高，原位就地搅拌时容易发生抱团现象，导致施工质量与设计有很大差距。同时，传统搅拌桩加固深度为15m（浆法）和10m（粉法），而在沿海地区软土深厚经常超过20m。采用不打穿软土层的搅拌桩进行地基加固时，在上负荷载作用下，下卧未加固的软土发生沉降，导致公路等基础设施发生变形。为此，工程措施一般采用预制管桩进行地基处理，该方法综合成本高，同时挤土效应明显，会导致次生的工程风险。
由于深厚软土具有压缩性大，固结慢，强度低等特性，在重要工程建设中往往要进行处理，常规的深厚软土地基处理方式一般分为真空预压处理和加固桩处理。真空预压施工适用于处理面积大，变形控制要求低，临近周边没有重要房屋建筑或道路情况。常规的加固桩处理分为管桩和水泥搅拌桩，其中管桩适用范围较广，但造价成本高，经济性优势不明显。水泥搅拌桩处理应用较为广泛，成本较管桩低，但是水泥搅拌桩在成桩效果难于控制、加固深度有限、施工工效、软基处理综合效果方面仍存在改进空间。目前真空预压处理有效深度一般不超过20m，而搅拌桩干法和湿法有效加固深度一般分别不超过10m和15米。为此对于深厚软土地基（超过20m），目前仍缺乏有效和廉价的加固方法。针对20米以上的深厚软土，目前常用的地基处理方法不能低成本有效地加固处理的问题，本发明提出的轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法，能有效克服上述方法加固地基时存在的问题，同时也为轻质悬浮地基体系铺垫的方向。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法，该处理方法采用陆上拌和方式，保证了加固后形成的桩柱体质量；采用长螺旋工艺兼具快速成孔和后续材料流动性回灌保证桩柱体成型；采用轻质水泥土回填，可减小加固区平均密度，进而降低下卧软土层的自重应力，在上负路堤等荷载作用下，下卧软土层有效应力增加原始自重应力后，地基才会发生变形。
技术方案：本发明提供了轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法，旨在解决现有技术上深厚软土（软土深度超过20米）地基处理难题。
本发明的技术方案如下：
一种轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法， 施工工艺流程如下：
施工准备→测量放样→长螺旋打桩机就位→调平对中→制浆（发泡）→（水泥浆与气泡群混合）→钻机下钻成孔→钻机提钻注浆→检验→成桩检测。
其中，制浆（发泡）具体为：轻质水泥土浆液制备工艺如下：
水泥浆制备、发泡剂发泡、发泡后的气泡群与水泥浆混合搅拌。水泥、粉煤灰和土源等原材料由现场储存罐供应。
水泥浆制备采用自动计量装置，根据施工配合比对水泥、土及拌合用水进行自动计量，以确保水泥土浆配合比。水泥土浆搅拌时间不小于90~120s，搅拌过程中监测水泥浆土比重，制备好的浆液确保搅拌均匀不沉淀，水泥浆与气泡群混合前要不断搅拌，确保工作性能。
轻质水泥土浆液主要成分为，水泥、硅灰、粉煤灰：发泡剂、稳泡剂和黏土等材料组成，比例组成为150-300 kg: 0-200 kg：0-400 kg: 10-30kg; 5-10kg:0-500kg。通过实验室试配，保证28天强度大于0.6MPa，发泡浆液密度在1.0 g/cm3附近。
混合设备由发泡剂稀释设备、发泡装置、气泡群与水泥浆混合设备组成，稀释倍率、发泡倍率由先导试验获得，进行精确配制发泡后，通过流量阀门控制系统与水泥浆进行混合，实现不同容重的泡沫轻质土制备。
轻质水泥土浆液制备完成后，对容重进行检测，确保满足配比要求。
其中，轻质水泥土桩施工工艺如下：
轻质水泥土浆液经过输送管道至长螺旋设备进口，通过长螺旋桩机成孔，提升过程中浇筑轻质水泥土浆液钻孔设备，提升过程中进行轻质浆液灌注，完成轻质水泥土桩施工。本工艺施工要点如下：
轻质水泥土输送：
普通桩长15-30m、桩径50-70cm，长螺旋设备下钻速度为2.6m/s、提钻速度为2.3m/s,单根桩施工持续时间为17min，灌注方量为3.93m³，轻质水泥土设备理论产量为30m³/h，生产3.93m³泡沫轻质土所需时间为8min，轻质水泥土浆液供应大于桩基施工需求；长螺旋设备进浆口深度比设计桩长深1.5~2.5m，将轻质水泥土输送至长螺旋设备进浆口顶端，后长螺旋桩机提升，完成灌注操作。
为了保证浆液灌注相匹配，需考虑泡沫轻质土竖向输送距离，轻质水泥土采取地泵泵送方式输送至长螺旋设备进浆口位置。地泵搅拌油压380MPa，地泵主系统油压7.5-20MPa，地泵电流250A。
轻质水泥土消泡控制
该工艺泡沫轻质土湿重度增加系数（浆液密度与成桩后桩柱体密度比值）为1.0~1.25。施工过程中，做好轻质水泥土泵送前、后容重测量及记录，总结容重变化规律，调整轻质水泥土生产容重，确保实际配合比准确，进而成桩后桩柱体重度在1.0 g/cm3附近。
打桩设备控制
轻质水泥土浆液到达钻头出浆口后，对出浆口容重进行测量，确保满足要求。如果容重存在偏差，通过对轻质水泥土发泡设备相应调整，纠正容重偏差。
打桩过程中钻头匀速提升，提升速度2.6 m/min，钻头距离轻质土浇筑面高差不大于20cm,灌注完成后，提升钻头至下一桩位，避免移机过程中触碰已完成桩周围土体，造成桩周土体进入孔内。
在打桩过程中，做好标养试块，做好7天，28天强度检测，根据强度数据确定桩头处理时间。
有益效果：与传统水泥搅拌桩技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用长螺旋灌注工艺，成桩质量高
该方法采用陆上可控拌合，长螺旋成孔灌注组合工艺成桩，桩体均匀好，成桩可控性高，避免了传统水泥搅拌桩由于叶片搅拌存在不均匀性，成桩质量较差的问题。
2、实现桩体轻质化，提高地基承载力，减小地基变形
水泥搅拌桩成桩后容重为1800kg/m³，轻质水泥土灌注桩成桩后容重约为1000kg/m³，远远小于搅拌桩密度；在深厚淤泥软基处理中，轻质桩由于密度较淤泥轻，淤泥对桩体存在向下摩阻力，桩体处于悬浮状态；受力状态下，地基对桩体摩阻力首先为向下，随着荷载增加，向下摩阻力慢慢减小为0，然后转为向上的摩阻力。对于深厚软土地基（软土层深度大于20m以上），若地基加固深度为20m，面积置换率为20%，则加固区底部以下软土有效自重应力能减小30kPa，等效于2.5m左右的路堤荷载。传统水泥搅拌桩由于桩体密度接近淤泥层密度，不能对地基进行有效卸载。由此可知，轻质水泥土桩与水泥搅拌桩相比，可以通过自身的轻质化特点抵消一部分作用在软基上的荷载，降低了对地基承载力的要求，变相提高了地基承载力，大幅度降低了加固区底部软土层的自重应力。
3、为实现设计经济性提供依据
从设计角度考虑，轻质水泥土灌注桩为软土地基处理设计提供了有力支撑，为软基处理后的荷载加载量提供了更大考虑空间，对实现软基处理综合经济性起到决定性作用。
4、工期短，降低成本
经分析对比，完成单根水泥搅拌桩时间为50 min，完成单根轻质水泥土灌注桩时间为20 min，功效为水泥搅拌桩2.5倍，有效缩短了施工工期，降低了设备维护及管理成本。
附图说明
图1为本发明的轻质水泥土灌注桩进行深厚软基加固的方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，一种轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法。
1.施工工艺流程
施工准备→测量放样→长螺旋打桩机就位→调平对中→制浆（发泡）→（水泥浆与气泡群混合）→钻机下钻成孔→钻机提钻注浆→检验→成桩检测
2.轻质水泥土浆液制备
轻质水泥土由专有设备制备，该设备将水泥浆制备、发泡剂发泡、气泡群与水泥浆混合搅拌工序高度集成。水泥、粉煤灰和土源等原材料由现场储存罐供应。水泥在水泥罐1，粉煤灰在粉煤灰罐2。
水泥浆制备采用自动计量装置，根据施工配合比对水泥及拌合用水进行自动计量，以确保水泥浆配合比。水泥浆搅拌时间不小于90~120s，搅拌过程中监测水泥浆比重，制备好的浆液确保搅拌均匀不沉淀，水泥浆与气泡群混合前要不断搅拌，确保工作性能。
发泡混合设备3由发泡剂稀释设备、发泡装置、气泡群与水泥浆混合设备组成，稀释倍率、发泡倍率由先导试验获得，进行精确配制发泡后，通过流量阀门控制系统与水泥浆进行混合，实现不同容重的泡沫轻质土制备。
轻质水泥土浆液制备完成后，对容重进行检测，确保满足配比要求。
3.轻质水泥土桩施工
轻质水泥土经过输送管道长螺旋设备5进口，通过长螺旋钻孔灌注设备，进行轻质水泥土桩施工。本工艺施工要点如下：
3.1轻质水泥土输送
普通桩长20-30m、桩径50-70cm，长螺旋设备下钻速度为2.6m/s、提钻速度为2.3m/s,单根桩施工持续时间为17min，灌注方量为3.93m³，轻质水泥土设备理论产量为30m³/h，生产3.93m³泡沫轻质土所需时间为8min，轻质水泥土供应大于桩基施工需求；长螺旋设备进浆口深度比设计桩长深1.5~2.5m，将轻质水泥土输送至长螺旋设备进浆口顶端，后长螺旋桩机提升，完成灌注操作。
为了保证浆液灌注相匹配，需考虑泡沫轻质土竖向输送距离，轻质水泥土采取地泵4泵送方式输送至长螺旋设备进浆口位置。地泵搅拌油压380MPa，地泵主系统油压7.5-20MPa，地泵电流250A。
3.2轻质水泥土消泡控制
该工艺泡沫轻质土湿重度增加系数（浆液密度与成桩后桩柱体密度比值）为1.0~1.25。施工过程中，做好轻质水泥土泵送前、后容重测量及记录，总结容重变化规律，调整轻质水泥土生产容重，确保实际配合比准确，进而成桩后桩柱体重度在1.0 g/cm3附近。
3.3打桩设备控制
轻质水泥土到达钻头出浆口后，对出浆口容重进行测量，确保满足要求，如果容重存在偏差，通过对轻质水泥土发泡设备相应调整，纠正容重偏差。
打桩过程中钻头匀速提升，提升速度2.6 m/min，钻头距离轻质土浇筑面高差不大于20cm,灌注完成后，提升钻头至下一桩位，避免移机过程中触碰已完成桩周围土体，造成桩周土体进入孔内。
3.4在打桩过程中，做好标养试块，做好7天，28天强度检测，根据强度数据确定桩头处理时间。
具体的施工方案如下：
XX大桥工程软土路基段某匝道采用轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基方案，该处软土深40m，为典型的珠三角软土。采用轻质水泥土长螺旋灌注的工艺进行水泥土桩的施工，桩长20m，桩径0.7m，桩间距1.5m，等边三角形布置，面积置换率为20%。路基底宽度8.5m，填筑高度为5.0m（其中轻质混凝土厚度为2.5m），路堤等效荷载为60kPa。
轻质水泥土浆液配比为干土：水泥：气泡群：水=391kg:196kg:21.8kg:294kg，理论容重903kg/m³。采用YZB90型长螺旋钻机，HBT60B-13-90S混凝土输送泵和40型泡沫轻质土搅拌设备进行组合施工。施工结束28天后，进行抽芯取样，桩芯强度在1.0-1.2MPa之间，桩身容重在0.9-1.1g/cm3之间，单桩极限承载力超过24吨，单桩复合地基极限承载力超过320kPa，达到了设计要求。
软基处理结束后加固区底部平均有效自重应力从135kPa，降低至100kPa。路基施工结束后，路中路基底部/地基顶部附加应力为65kPa，加固区底部/下卧软土层顶部附加应力为15.6kPa，综合起来下卧层顶部仍处于超固结状态，路基荷载对下卧软土层没有产生附加应力。
经分层沉降观测，采用了轻质水泥土长螺旋灌注桩工艺进行地基处理后，地基压缩变形发生在加固区（为0.25m），下卧层沉降变形非常小（基本可忽略）。传统搅拌桩地基处理加固的相邻路段，总沉降为0.65m，加固区沉降为0.35m，下卧层沉降约为0.30m，且随时间发生固结。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法，其特征在于：施工工艺流程如下：施工准备、测量放样、长螺旋打桩机就位、调平对中、制浆发泡、水泥浆与气泡群混合、钻机下钻成孔、钻机提钻注浆、检验、成桩检测。
2.根据权利要求1所述的一种轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法，其特征在于：轻质水泥土浆液制备工艺包括水泥浆制备、发泡剂发泡、发泡后的气泡群与水泥浆混合搅拌，得到轻质水泥土。
3.根据权利要求2所述的一种轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法，其特征在于：水泥土浆搅拌时间不小于90~120s，搅拌过程中监测水泥浆比重在1.0g/cm3。
4.根据权利要求2所述的一种轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法，其特征在于：轻质水泥土浆液主要成分为，水泥、硅灰、粉煤灰、发泡剂、稳泡剂和黏土，比例组成为150-300 kg: 0-200 kg：0-400 kg: 10-30kg; 5-10kg:0-500kg；通过实验室试配，保证28天强度大于0.6MPa，发泡浆液密度在1.0 g/cm3附近。
5.根据权利要求1所述的一种轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法，其特征在于：混合设备由发泡剂稀释设备、发泡装置、气泡群与水泥土浆混合设备组成，稀释倍率、发泡倍率由先导试验获得，进行精确配制发泡后，通过流量阀门控制系统与水泥土浆进行混合。
6.根据权利要求1所述的一种轻质水泥土长螺旋灌注桩加固深厚软土地基的方法，轻质水泥土桩施工工艺特征在于：轻质水泥土浆液经过输送管道至长螺旋设备进口，通过长螺旋钻孔桩基设备进行成孔，提升过程中浇筑轻质水泥土，完成水泥土桩施工。
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