水泥土搅拌桩在高速公路软基处理中的应用

　　摘要：水泥土搅拌桩是一种有效的软基处理方法，从水泥的水解水化、离子交换、硬凝反应、碳酸化作用等方面阐述了其加固机理，介绍了水泥土搅拌桩在平兴高速公路软基处理上的应用。
　　关键词：水泥土搅拌桩；软基；高速公路
　　0引言
　　水泥土搅拌桩是用水泥浆作为固化剂，通过深层搅拌机械在地基深部就地将水泥浆与原状软土强制拌和成具有一定强度的水泥土桩[1][2]。20世纪40年代末起源于美国；50年代后期，日本为其推广运用开辟了新的时代。70年代末，我国进行了深层搅拌桩的引进试验和机械研制工作，并于80年代初在上海宝钢厂区软基加固工程中成功应用[3]。由于水泥土搅拌桩工程造价低，便于施工，工期短等缘故，因此在高速公路软基处理中得到广泛应用[4]。
　　1加固机理
　　水泥与水调和后，能很快生成塑性的、具有粘结性能的胶状物质。可以用来胶结砂、石以及土等各种材料。这种胶状物质，以后会逐渐失去其塑性，硬化成为具有相当强度的石状体，而与其所胶结的砂、石和土等材料一起变成坚固的整体。这个过程是一系列复杂的物理、化学反应的综合[5]。各种类型添加剂以及混合材料的研制和使用也都是在水泥的水解和水化、凝固和硬化的理论基础上进行的。水泥土搅拌桩的加固机理有如下几个化学反应。
　　1.1水泥的水解与水化
　　由水泥中不同的氧化物分别组成不同的水泥矿物,用水泥加固软土时,水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解反应,生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。这些化合物迅速融于水中,使水泥颗粒表面重新暴露出来,再和水发生反应,周围的水溶液逐渐达到饱和,水分子虽继续深入,也只能以分散状态的胶体析出,悬浮于溶液中,形成胶体,使软粘土的强度得到提高。
　　1.2离子交换
　　粘土颗粒在天然状态下表面带有负电荷，反离子层为阳离子，呈胶体微粒状。反离子层中的Na+、K+能同Ca(OH)2溶液中的Ca2+进行离子交换，使土
　　粒水化膜变薄，土颗粒集合成大的团粒。此外，水泥水化后呈分散状的凝胶颗粒，其比表面积约为原来的1000倍，因而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭了各土颗粒之间的孔隙。微观上，在较为松散的土体内部形成了网络状胶结结构，具有牢固的联结；宏观上，水泥土的强度大大提高。
　　1.3硬凝反应
　　水泥水化后，溶液中析出大量Ca2+，与Na+、K+进行离子交换。当Ca2+数量超过离子交换的需要量后，则在碱性环境中，Ca2+可与土中游离的二氧化硅和三氧化二铝进行化学反应，生成不溶于水的稳定结晶化合物。该结晶化合物在空气中和水中逐渐硬化，增大了土体强度。而且由于其结构比较致密，水分不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。
　　1.4碳酸化作用
　　水泥水化后产生的游离氢氧化钙与空气和水中的二氧化碳通过碳化反应(Ca2++CO32-=CaCO3↓)生成不溶于水的碳酸钙，也可以小幅度增加水泥土的强度，只是增长速度较为缓慢。
　　2水泥土搅拌桩的应用
　　2.1某高速公路工程概况
　　本项目位于广东省广州市东北部，地理坐标为东经113°26′～113°46′，北纬23°14′～23°26′。
　　根据珠江三角洲城镇发展布局，将形成一个核心——广州，两个发展主轴——广州至深圳和广州至珠海，三个大都市——大广州和珠江东岸、西岸；同时，广州市以“北优、南拓、东进、西联”为基本战略，积极调整城市空间结构，完善城市功能。本项目是珠江三角洲地区及广州市未来公路网络的重要组成部分，主要的控制点为荔城、朱村、中新、福和、太平及北兴。
　　沿线地貌为山间低洼冲积平原及丘陵坡地，存在部分不良地质，其中软土地基位于低洼平缓的部分填方地段，存在软塑～流塑状淤泥质土及软塑土，埋深0～2m，厚0～18m不等。对厚度<3m的淤泥质土及软塑土填方路基地段,可作清楚或换填处理即可，对厚度较大>3m淤泥质土及软塑土填方路基地段,基底应考虑加固处理。
　　2.2水泥土搅拌桩施工
　　(1)施工准备
　　○1现场布置：开工前布置水泥浆制备和泵送系统，合理安排水泥浆废液处进行水泥残渣排除，各桩机校正一次钻杆长度和深度指示器工作性能，或在钻架上标定相应的深度刻度；
　　○2试验性制桩：正式施工前，在各施工区域现场试制2～3根桩，以调试桩机及配套设备性能，了解土层情况及桩基承载力，确定泵浆时间、泵浆量、可控电机转速和搅拌工艺，掌握成桩技术参数，了解成桩效果能否满足设计要求，以便指导实际施工。
　　(2)水泥搅拌桩施工安排
　　采用6台水泥搅拌桩机施工，严格按施工工艺流程、工艺参数及施工技术指标的要求进行；按照总体施工平面安排布置深层搅拌桩的施工安排，分别在桥的两端安排3台桩机同时施工。
　　(3)水泥搅拌桩施工质量控制措施
　　○1桩位定位：按甲方提供的现场控制点，用钢尺、竹签等定位，并经甲方及监理人员验收；
　　○2钻杆长度标定：开工前或因故改变长度时，必须用钢尺对钻杆进行标定；
　　○3桩身垂直度：按合理的操作技术要求将钻架调直，确保桩身垂直度不大于1.5%；
　　○4桩埋设深度：除考虑设计深度外，还应视实际地层变化、工作电流高低和下沉速度等具体情况进行施工，必要时应及时报请甲方及现场监理人员共同决定；
　　○5座底：搅拌头下沉至桩端时，原位旋转喷浆30s以上；
　　○6淤泥层：为确保水泥土强度满足设计要求，在搅拌速度不变等情况下，通过提高注浆泵电机转速增加水泥浆的喷入量；
　　○7配浆：按施工配合比计算出每桶浆液的水、水泥和外加剂用量，要求称量准确和搅拌均匀，时间不少于3min，并过筛后使用，制备好的浆液不得有离析现象，且泵送必须连续进行；
　　○8单桩水泥掺量：根据标定的泵浆量和搅拌次数及桩长长度，计算每次喷搅的用浆量，如与设计不符则及时调整，直至每1m水泥掺量符合设计要求；
　　○9最后一次提升搅拌时应采用慢速提升，当喷浆口达到桩顶标高时，宜停止提升并搅拌数秒。
　　(4)材料质量管理
　　材料进场必须履行验收手续，无出厂质量检验单的水泥不得进场；
　　对进场水泥分批抽样送检，不合格的不得使用，严禁使用过期或潮湿结块的水泥，认真做好现场水泥的堆放防潮、防水浸护理和散落水泥的清理等工作，尽量减少浪费现象；
　　管理人员及时对各桩机水泥用量做好统计工作，以供项目经理部及时掌握材料消耗等情况。
　　3结束语
　　该高速公路完成了一万多延米的水泥土搅拌桩施工，施工后对搅拌桩进行了轻便触探、抽芯以及对单桩及复合地基进行了静载试验以检验桩的施工质量、桩身强度及复合地基强度，同时还对部分结构物处的深层搅拌进行了沉降观测，结果表明，所有技术指标均达到技术规范的要求，加固效果良好。工程采用水泥土搅拌桩法进行软基加固，大大缩短了工期，为后续桥涵施工奠定了基础，为该主干线的的按时顺利建成和开通提供了保障。工程实践证明：水泥土搅拌桩大幅缩短工期，是一种快速处理软基的方法，而且加固软土地基效果良好，极大提高了软土的承载力，减少了沉降量及结构物与路基的沉降差，能较好地解决桥头跳车现象，完全满足工程设计要求，可在同类软基处理工程中推广应用。
　　参考文献
　　[1]陈荣斌，裴捷.提高水泥土搅拌桩施工质量的方法与技术.上海地质[J]，2002，（3）：54-57.
　　[2]龚晓南.高等级公路地基处理设计指南[M].北京：人民交通出版社，2005.
　　[3]李蓉，侯天顺.水泥土搅拌桩及其在软土地基加固中的应用.建筑科学[J]，2008，（5）：88-90.
　　[4]方育琪，张卫国.我国水泥土搅拌桩施工技术现状与改进.低温建筑技术[J]，2008，（2）：123-124.
　　[5]李琦.深圳地区海相淤泥水泥土强度特性的研究.北京：铁道科学研究院，2005.

《水泥土搅拌桩在高速公路软基处理中的应用》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 水泥土搅拌桩在高速公路软基处理中的应用

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-19182