水泥搅拌桩
搅拌桩在深厚淤泥层基坑支护中的应用
汪钧标 曾 执 吴礼生 徐卫红 邓继国
摘 要 介绍了在深厚淤泥层中采用深基坑复合支护系统施工的成功经验。除了常规的内支撑外,还采用格珊式布置的搅拌桩作为暗支撑,以改善被动土体的性质,提高土层的力学性能,从而达到减小基坑变形的目的。
关键词 深厚淤泥层 基坑 复合支护系统
武汉市国税局办公大楼地上26层,地下1层,地下室承台或底板(地下室外墙) 长45 m,宽18.0~27.5 m,要求基坑周边地下室施工作业面宽2 m 。基坑开挖深度为6.4 m ,局部深度为7.7 m 。本场区地表2.70 m 以下有厚达12~15 m的流塑状淤泥层,基坑开挖支护涉及的土体性质非常差,淤泥质土的内聚力小,内摩擦角很小,主动土压力与被动土压力接近。加之,基坑周边分布有高4层、7层的建筑物和交通繁忙的街道,距离为2.5~10.0 m,同时,业主要求基坑周边的空地作为施工场地,因此基坑支护的难度很大。
1 工程地质概况
本场区属长江一级阶地地貌,“岩土工程勘察报告”推荐的基坑支护地层力学设计参数如表1。
表1 基坑支护地层力学设计推荐参数表
Table 1 Design parameters for supporting system
与基坑支护密切相关的另一个基本因素是水文地质条件。勘探期间测得承压水头埋深在地表以下4.6 m处。与长江、汉江有水力联系。 2 基坑支护方案的选择
在这种流塑性淤泥质土中设计支护结构时,首先要考虑支护结构自身的刚度以控制基坑变形。由于本场区周边空地要用来搭建临时建筑和堆放建筑材料,故不可能采用放坡形式;且由于淤泥层蠕变大,故不宜采用土钉墙支护形式;加之某些地段边宽不足,基底为淤泥层,也不宜采用搅拌桩重力挡土墙结构。所以我们认为本场区采用钻孔桩较为适宜,无论采用何种桩支护,桩必须打入土性质稍好的地层中,即进入粉砂夹粉质粘土层中,以防止出现支护桩脚滑动、推挤工程桩的恶性事故发生,桩间要隔离淤泥质土,以防止淤泥在压力差的作用下产生流动。经初步计算、综合比
较、分析,本基坑支护方案选用钻孔桩加内支撑的支护方案,以提高支护体系的刚度,减少基坑侧壁的变形。
3 搅拌桩格栅暗撑支护的设计
由于该工地淤泥层土的力学性质随深度变好,含水量、孔隙比、压缩系数减小,故可将其下部厚5 m 处单独划分为一个计算层,适当提高内摩擦角和内聚力,参照勘察报告中土的抗剪强度指标统计结果,取内摩擦角φ=10°,内聚力c=15 kPa。其它层的力学设计参数见表1。
3.1 悬臂桩支护结构
(1)计算条件 钻孔桩进入砂层,桩间距为1.1 m,深度为18 m,钻孔桩上部空2 m 放坡,桩径Φ为900 mm 。采用理正软件研究所F-SPW V2.2版软件进行计算。
(2)计算方法 采用经典法和“m法”两种(m为桩侧地基土水平抗力系数的比例系数) ,其中经典法的土压力为经典土压力模式(上小下大,延至桩底) ,“m法”土压力为矩形分布模式(被动区土压力用土弹簧代替) 。
(3)计算结果 采用经典法计算的最大弯矩为4 309 kN. m ,作用深度为17.27 m,最大剪力为480 kN,作用深度为11.84 m;m 法的最大位移为216.9 m。计算结果表明,该场区显然不能采用悬壁桩支护结构。
3.2 桩加一层支撑结构
计算条件为设一道支撑,布置深度在地表以下2 m ,钻孔桩上部空2 m 放坡和作锁口梁。桩深和桩径同悬壁桩一致。支撑选用桁架式钢管结构和角撑。按照建设部建筑基坑支护技术规程(征求意见稿) 计算支护体系的支
撑刚度,经计算,当支撑水平间距为14 m 时,支护体系的支撑刚度为15.20 MN/m。计算结果表明,虽然基坑深度不大,并采用了桩撑支护方案,但对于流塑性淤泥质粘土,由于土压力大,致使桩承受的弯矩和剪力较大,尤其是基坑侧壁变形量大,达到123 mm左右,超过了武汉地区深基坑技术指南〔1〕中规定的基坑允许变形值。位移超过允许变形值的主要原因是淤泥深厚,基底以上主要是淤泥,致使基底处位移达68 mm,占总位移的55.28%。
3.3 桩加一层支撑和格栅暗撑结构
针对这一层支撑位移较大的问题,我们采用水泥和生石灰搅拌桩对基坑内侧的土体进行加固,一是水泥固化时吸水,可以减小基坑内侧基底处淤泥含水量,提高土层的c ,φ值;二是在基底处设置暗撑,以改善支护体系的受力状况,减小桩的受力和配筋;三是使支护体系形成箱形,提高支护体系的整体刚度,减小计算变形。根据有关参考资料和经验,选定淤泥经搅拌桩处理后桩体的内聚力为50 kPa,内摩擦角为25°,第二层支撑计算深度在地表以下6.3 m(计算程序不允许支撑位置低于基底) ,并计算暗撑的支撑刚度,结果为10.97 kN/m,其它条件同设一道支撑情况一致。两种方法计算的结果表明,基底内侧采用搅拌桩处理可改良土的力学性质,提高被动区的土压力,设了暗撑以后使基坑侧壁的计算变形大幅度减小,从123 mm降至39 mm,减少了84 mm,基底处位移为12 mm,占总位移的30.77%,由此可见搅拌桩的作用效果显著。初步估算,搅拌桩格栅暗撑工程造价为22万元,占支护工程总造价的10%左右。
经综合分析并征求专家意见,所确定的基坑支护方案如下。
(1)钻孔桩进入砂层,桩径Φ为900 mm,桩间距为1.1 m,深度为18 m ,钻孔桩上部空2 m放坡和作锁口梁。桩的有效长度为16 m;钻孔桩用C30砼,保护层厚50 mm,配14根Φ为22 mm的螺纹钢筋。
(2)沿基坑内侧双排布置喷粉桩,加固深度为6.6~10.6 m,局部加肋。暗撑选喷粉桩。
(3)上层支撑选用桁架式钢管结构和角撑。
(4)选用Φ为350 mm的旋喷桩进行桩侧止水以防止土流动。由于基坑开挖后,相对隔水层主要是淤泥质粘土,厚度仍有12 m,故无需作降水或封底处理。上述平面布置方案见图1,图2。
图1 武汉市国税局办公大楼基坑钻孔桩和支撑支护布置图(图中单位为
mm)
图2 武汉市国税局办公大楼基坑搅拌喷粉桩布置图(图中单位为mm) ① 4 基坑监测情况
在基坑边缘、周边建筑物设置测点,并在基坑边缘布置了4个测孔以测量地层深部位移。开挖工程完成2个月后的最后一次检测结果表明,大多数测点的实际位移值比计算值小十余毫米,可能原因是c ,φ值偏小或m 值偏小,但基坑边的位移与计算值基本一致,相差并不大,如不采用搅拌桩改良基底淤泥层的力学性质也没有设置暗撑,推算实际位移值可能达到100 mm 左右,说明搅拌桩加固处理被动区土体和采用暗撑的作用显著。C1和C4孔的测量曲线表明,沿桩深方向,位移呈上大下小。
总之,本基坑比类似地层中的基坑变形和沉降小得多,而且开挖顺利,
业主、监理、上部建筑施工单位都比较满意,本基坑工程被评为武汉市优良基坑工程。
作者单位:(武汉地质勘察基础工程总公司,武汉,430030)
参考文献
1 武汉市地区深基坑工程技术指南(WBJ1-7-95),
1995
深层搅拌地基施工工艺
一、深层搅拌水泥挡土墙的施工工艺流程如下图所示。
⑴定位 用起重机(或用塔架)悬吊搅拌机到达指定桩位,对中。 ⑵预搅下沉 待深层搅拌机的冷却水循环正常后,启动搅拌机,放松起重机钢丝绳,使搅拌机沿导向架搅拌切土下沉。
⑶制备水泥浆 待深层搅拌机下沉到一定深度时,即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆,压浆前将水泥浆倒入集料斗中。
⑷提升喷浆搅拌 待深层搅拌机下沉到设计深度后,开启灰浆泵,将水泥浆压入地基,且边喷浆、边搅拌,同时,按设计确定的提升速度提升深层搅拌机。
⑸重复上、下搅拌 为使土和水泥浆搅拌均匀,可再次将搅拌机旋转边沉入土中,至设计深度后再提升出地面。
⑹清洗、移位 向集料斗中注入适量清水,开启灰浆泵,清洗全部管路中残存的水泥浆,并将粘附在搅拌头上的软土清洗干净。移位后进行下一根桩的施工。
二、主要施工机械
三、深层搅拌桩质量保证技术措施
⑴工程施工前认真组织全体职工,由现场技术人员向全体施工人员,按DBJ08-40-94技术规范工艺要求逐级交底。•现场应事先平整,清除地上、地下一切障碍物。准备好施工机具,并进行机械组装和试运转。
⑵为保证水泥土桩的垂直度,搭设的桩机垂直度偏差不得超过1.0%,桩位布置偏差不得大于50mm ,桩径偏差不得大于4%。
⑶施工中有专人负责成桩记录,对每根桩的编号、日期、水泥用量、成桩过程进行详细记录,并且在竣工图上标明桩号,禁止先记后做或事后追记。
⑷深层搅拌机在预搅下沉时,当遇到较坚硬的表土层而使下 沉速度过慢时,可适当加水下沉或拌制稀浆下沉。
⑸每根桩必须连续施工,因故停浆使成桩工艺中断时,宜将搅拌机下沉至停浆点以下0.5M ,待复供浆时再喷浆提升。
⑹进场的原材料规格品种、质量状况等都必须按有关规定核实验收及抽样试验,质量合格后方可使用,并收集齐全应有资料。
⑺搅拌桩喷浆采用在第一次提升搅拌头时一次喷浆完成,全桩必须喷浆均匀,不得有未喷浆的夹心层,施工前制作数根试桩,再最后确定水泥浆的水灰比、泵送时间、搅拌机提升速度等参数,第二次提升速度〉1m/min。
⑻当喷浆达到桩顶标高时,•为保证桩端质量,•应喷浆座底30S ,使桩头均匀密实。
⑼桩与桩的搭接不小于20cm ,其搭接时间不超过24小时,因故超过时,应增加水泥用量20%和延长搅拌时间,•或经建设单位认可后,采取补桩和注浆措施。
四、保证安全生产技术措施:
⑴认真抓好职工安全教育,新工人及合同工、临时工上岗必须进行安全生产三级教育,并经安全主管部门考核合格后上岗。
⑵工程开工前由安全员组织全体职工进行分项安全技术交底,有针对性的提出安全防范措施,坚持班前班后会议制度和每周一次安全生产活动日,检查安全措施执行情况和违章作业情况,查隐患,落实措施,认真做到“四不放过”。
⑶建立健全安全管理网络,形成“专管成线,群管成网”,指定安全生产管理制度和技术措施,贯彻执行“安全第一,预防为主”的方针。 ⑷组装、拆卸桩机及机械转向、调位和遇六级以上大风时,必须四角设好浪风绳等加强稳定措施。
⑸桩机搭、拆作业时,施工人员必须系好安全带,扣好保险钩,并不准往下或往上乱抛材料和工具等,地面应设监护人员,严禁非施工人员进入作业区。
⑹施工电源、配电箱、配电板设置好触电保护器和漏电开关,并加以保护,电动机械及照明灯具,必须有良好的保护罩和接地装置,桩架设置避雷措施。
⑺夜间施工必须有足够的照明设施,并不得随意拉设电线,非电工严禁擅自装接用电器具。
⑻特殊工种持证上岗操作,严格遵守执行安全操作规程。 ⑼施工现场、食堂、材料库必须备有安全防火设置。
五、施工进度
围护桩总方量为 XXXX M3,每天平均施工100M 3,•安排2台套桩机施工,计划能在 XXX天完。
水泥搅拌桩湿喷法加固小桥涵软土地基施工技术 我国沿海地区以及江河湖泊沿岸,常有厚度不等、承载力较低的高压缩性淤泥或淤泥质土,呈塑性,强度极差。在这种地基上建造小桥涵,如果处理不好,就可能出现地基的局部破坏乃至整体滑动等失稳现象。近年来,江苏省国营淮海农场采用深层水泥搅拌桩湿喷法加固小桥涵软土地基,较好地解决了这一工程问题。
设计
设计桩长15m ,桩径55cm ,按110cm 的间距布桩。 施工准备
①机械设备。根据水泥搅拌桩的设计根数、长度和工期,选用l ~2台STB-3型单头深层水泥搅拌机,每台搅拌机配备灰浆拌和机l 台,UBJ-1.8C1型挤压式灰浆泵l 台以及相应的起吊和导向装置、电气控制盘。水泥浆泵站离深层搅拌机应小于50m ,越近越好。 ②劳动组织。搅拌机每个台班由8~10人组成。
③三通一平。开工前把水、电引入工地,一般1台深层水泥搅拌机需用60kW ,2台需用100kW ;供水压力必须达到6~10kg/cm2;临时便道要修通;场地要平整;有河沟要做围堰,排除积水,铺满片石。 ④测定桩位。机械设备进场前,要测定桩基轴线、定位点和水准点,桩位要进行编号,以便顺序施工。
浆液配制与输送
①配合比。深层搅拌的浆液以425#普通硅酸盐水泥为主配制,水泥用量为水泥湿土重的12%~15%(Υ=1.8t/m3) ,水灰比O.45~0.50,另搀木质素磺酸钙减水剂(为水泥重量的0.2%),石膏搀量为
水泥重量的2%。
②配制与输送。搅拌灰浆时,应先加水,然后按水泥、减水剂、石膏顺序投料,每次灰浆搅拌时间不得少于2min ,应将水泥浆充分拌匀。水泥浆从灰浆拌和机倒入集料斗时,必须过滤筛,把水泥硬块剔出。集料斗的容量一般为0.2m 3,就可以保证一定的余量,不会因浆液供应不足而断桩,也不会因浆液过多产生沉淀而引起浆液浓度不足。
水泥浆由挤压式灰浆泵压入内径为φ32的胶管送到深层搅拌机的钻杆内,最后射入搅拌叶的出浆口。
深层搅拌施工
①设备就位。搅拌机的钻杆须垂直并对准桩位。
②第一次钻进。在确认浆液从搅拌叶的出浆口喷出后,方可启动搅拌机,以60r/min的转速和1m/min的钻进速度,顺时针方向边钻边注浆,直至设计桩长,再继续喷浆15min 后停泵,改逆时针方向搅拌提升至设计桩顶。
③第二次钻进。以同样方式再次顺时针方向钻进注浆。停止注浆的位置以水泥用量达到每根桩设计用量为准,但不能影响搅拌机的继续钻入,直至复搅到设计桩长后,改逆时针方向搅拌提升到搅拌头露出地面。
④两次循环钻进成桩。经过上下两次循环钻进提升,使水泥浆在桩孔内搅拌4次,最后把一个直径500mm 、厚10mm 、中间留有100mm 孔的圆形钢板置于桩顶,用搅拌头向下压20~30cm ,此桩完成作业。然后,移机到下一桩位施工。
质量控制
①严格控制水灰比,须用计量容量配制浆液。
②搅拌杆的垂直偏差不得超过1%,桩机与桩位的对中误差不得大于2cm ,成桩后的桩位偏差不得大于8cm 。
③桩浇筑后7天之内不得开挖基坑,并禁止使用机械挖掘,桩头要小心整理,不得用重锤敲击,桩头应整平,并高出基底标高2~3cm 。 质量检验
抽取2%~5%的桩进行质量抽验。在成桩后的7天内,采用轻型触探(N10)对桩顶区段约1m 深的水泥桩体内进行连续检测。对重要受力部位,要根据设计要求进行切割取样,制成70.7mm×70.7mm×70.7mm的试块进行抗压试验,一般28天强度可达到7MPa ~8MPa ,90天后强度稳定在10MPa ~12MPa 。基坑开挖时,我们请建设单位监理到实地测试桩体直径,观察外观搅拌均匀程度,并把形成的检测资料送给监理人员,合格后签字。同时、设计单位对单根桩体也进行了垂直承载力试验,承载力可达到160kN ~180kN ,复合地基承载力达到250kPa ~300kPa ,满足设计要求。
技术经济分析
①水泥用量:制作每米55cm 孔径的水泥搅拌桩水泥用量为29~36kg 。
②工作效率:通过现场记录,平均每台STB-3型深层搅拌机一个台班可加固95延长米。
③工程造价:按现行单价,包括材料费、机械费、人工费等,湿喷水泥搅拌桩为78.65元/m3,在满足设计承载力的条件下比149.85元/m3的粉喷桩少用71.20元/m3,如与潜水桩和沉管桩比较,节约投资则更多。