无锡市梅梁湖泵站工程软弱地基处理水泥搅拌桩施工参数的确定及优化

无锡市梅梁湖泵站工程软弱地基处理水泥搅拌桩施工参数的确定及优化2011年第3期江苏水利无锡市梅梁湖泵站工程软弱地基处理水泥搅拌桩施工参数的确定及优化0引言淤泥及淤泥质土的主要特性:①天然含水率高于液限.孑L隙比大(淤泥孑L隙比大于1.5,淤泥质土孑L隙比为l～1.5);②常处于流动状态,具有触变性.在水利工程建设中淤泥及淤泥质土视为软弱地基,不宜作为天然地基.在该类土质条件下进行建筑时必须要采取加固措施.水泥搅拌桩加固地基适用于处理淤泥,淤泥质土,粉土,粉质粘土,砂土,地基承载力不大的粘性土和粉性土等软弱或不良地基.其原理是通过深层搅拌机械,在地基深处将土和水泥就地强制搅拌均匀,利用水泥的固化性,改善土体的性能,从而达到提高地基承载力的目的.影响水泥土加固地基质量的因素很多,如:土的物理力学性能,原材料的质量,施工工艺流程等,但在施工过程中水泥掺量,水灰比等具体的施工参数更为重要,认识并控制这些因素有利于控制T程质量和提高工程效益.1工程概况,地质条件及设计要求1.1工程概况梅梁湖泵站工程位于无锡市区以西的太湖风景区,地处梅梁湖,梁溪河与五里湖的交界处,西侧紧靠犊山水利枢纽梁溪河控制闸和船闸,南侧为五里湖控制闸,北侧为环湖公路.梅梁湖泵站一r程的主要作用是改善梅梁湖,五里湖及无锡地区河道的水环境,以期形成调水循环.梅梁湖泵站工程中建筑物的地基处理主要采用直径60cm,间距1.2m梅花状布置的水泥土深层搅拌桩技术,对软土地基进行处理.1.2地质条件地质勘探资料表明:场地区勘探陈远兵苍波宋力深度范围内所揭示的土层为冲一湖冲,湖一沼积沉积层,深层搅拌桩涉及的主要有以下几种土质:④层:灰,灰黄,灰褐,黄灰色粉质粘土,重粉质壤土,杂碎砖,石块等,含植物根茎,为犊山枢纽工程施工时弃土和鱼塘隔堤的人工堆土.土质松软,层厚0.5～3.9m,工区较普遍分布.①层:深灰,灰色粉质粘土质淤泥,淤泥质粉质粘土,含有机质,流塑状态,高压缩性,力学强度较低.厚度变化大,层厚0.3～5.9m,工区内广泛分布.土体湿容重为1.69t/m,,承载力为55kPa.②层:灰,灰黄局部棕黄色粉质粘土,重粉质壤土,可塑状态,中压缩性,局部分布较薄处土质相对较软些.层厚0.6～5.4in,工区内较广泛分布.土体湿容重为1.97t/m3,承载力为150kPa,详见表1.1.3设计要求梅梁湖泵站工程上,下游翼墙底板,进出水渠挡墙底板,梅梁湖进水闸,五里湖进水闸闸室,采用布设直径60cm,间距120cm,呈梅花形布置的水泥搅拌桩复合地基,桩长分别为4m,5m和6m.设计要求见表2.本工程水泥搅拌桩的设计中没有给出水泥掺量,水灰比等具体的施工参数,只给出了最终检测的控制指标.因此,施工参数和工艺流程要通过试验确定,优化.2施工参数的优选2.1水泥掺量深层搅拌桩加固软土地基的效果,很大程度上取决于水泥掺量的选择,以及是否适合被加固的地质条件.根据本工程的地质资料,先到施工现场取土,按类似土质的参数值进行室内配合比试验.试验掺量分别为13%,15%,17%,试验报告成果见表3.在技术交底会上,建设,设计,监理,施工单位认真分析,研究后达成一致意见,为确保基础工程的质量,按15%和18%两种配比的水泥掺量进行试桩.根据7d试验检测结果最终确定后续施工的水泥掺量.2.2水灰比表1工程地质勘察综合成果表(部分)含水率湿密度干密度饱和度液限塑限地基土标贯层号孔隙比(%)(g/m)(g/m)(%)(%)(%)承载力(kPa)击数④34.11.9O1.42O.9310044.122.1,2①53.71.691.101.499942-221.7551②28.31.971.540.789931.618.215013表2设计承载力要求设计无侧限抗压单桩复合地基桩长(m)强度(MPa)承载力(kN)承载力(kPa)部位梅梁湖,五里湖进出水闸基础,4≥1≥9O.48≥88.10梅梁湖泵站进出水渠挡墙基础梅梁湖,五里湖进出水闸5≥l≥107.44≥101.72翼墙基础梅梁湖泵站上下游6≥1≥124.40≥115-33翼墙基础■冒瞄譬田2011年第3期江苏水利根据多年深层搅拌桩的施工经验及试配结果,水灰比选用0.50.55,考虑到水泥,水及施工气候,环境对水灰比的影响,实际施工时采用0.5.2.3单桩水泥用量单桩水泥用量计算式如下:G0=1T×D/4×LXR(1)=Goxi(2)G=G×i/e(3)式中:一土体重量(t);拌桩直径(m);L—搅拌桩桩长(m);R『_土的平均湿容重(t/m3);G,-单桩水泥用量(t);卜水泥掺量百分比;G一单桩用水量(t);i,c一水灰比.计算结果见表4.3试桩及施工准备工作(1)根据计算结果进行试桩,15%和18%掺量分别成桩两根,按照"四搅两喷"的施工工艺施工.7d后检测表明:15%掺量的桩不能满足设计要求;18%掺量的桩基本能够满足要求,但在后续的施工过程中对淤土层要进行复搅,即要达到六搅,或改用55kW高速电机搅拌.(2)施工前标定深层搅拌机械的灰浆泵输浆量,灰浆经输浆管到达搅拌机喷浆口的时间和起吊设备提升速度,并通过成桩试验确定搅拌桩的施工工艺.(3)依据设计图纸要求,确定搅拌桩最终施工方案,做好现场平面布置,安排施工供水,供电,合理布置水泥制浆及泵送系统,保证操作人员通视良好.(4)按设计要求,进行现场测量放样,定出搅拌桩桩位.(5)现场布置安排制浆操作间,制浆池,水泥储备间及供排水设施.(6)安排好劳力组合,配备好各工种人员.(7)试打以确定喷浆压力,成桩时间和修正实际施工水灰比.4成桩效果4.1抽芯试验成桩后选择具有代表性的桩进行抽芯试验,检验内容包括:桩长,桩身水泥土搅拌均匀程度及其无侧限抗压强度.表3室内水泥土配合比成果表(部分)试件试件尺寸水泥掺量龄期无侧限抗压强度编号(mm)(%)水灰比(d)(MPa)rr^70.7x70.7130.570.8570.7x70.7150.570.9670.7x70.7l70.571.12●表4单桩水泥用置表桩长水泥掺量桩径水灰比土平均湿容重单桩水泥单桩(m)(%)(cam)(thn)用量(ks)用水量(kg)418600.51.83372.4186.2518600.51.83465.4232.761860O.51.83558.5279.3415600.51.83310.3155.15l5600.51.83387.9193.9615600.51.83465.4232.7从芯样外观上看,桩身水泥土搅拌均匀,桩底持力层达到设计要求;从所抽的桩中看,每根桩按从上到下大致均匀分布;每根桩取1组(3块)试样作抗压试验,从试验结果看,桩身土抗压强度除有一块试样抗压强度为0.9MPa外,其余均可满足设计要求,桩身土抽芯试样抗压强度见表5.ram~800mm,试验设计极限载荷为150kN(115.33kPax2x0.64m),各桩点试验结果见表6.从试验结果看,虽然成桩龄期32～57d,但各试验桩点复合地基承载力基本值均≥150kPa,满足设计要求.5结语表5钻芯取样成果表桩长试样规格试样块数试样龄期抗压强度(MPa)桩号(rn)(mm)(n)(d)最大值最小值平均值724.073x733322.21.41.6954.0中73x733302.31.11.52275.0中73x733353.11-41.82815.0中73x733382.81.01-33406.0中73x7333l2.10.91.43876.073x733352.71.11.2表6复合地基承载力成果表成桩龄期最大试验荷载总沉降量回弹量承载力基本值桩号(d)(kN)(mm)(mm)(kPa)3463515020.556.1115238l4215O18_325.6216445151150l5.434.6917054957l5O14-274.481785663215026.497.6415O8054015018.965.77160注:(1)试验加载采用袋装砂堆提供反力,采用慢速分级荷载法加载;(2)试验仪器采用RS-JYC桩基静载荷测试分析系统,全过程电脑测试与控制;(3)取S/b=0.006所对应的荷载为复合地基承载力基本值.4.2复合地基载荷试验选取有代表性的桩位作单桩复合地基静载荷检测,压板尺寸为800深层搅拌桩介于刚性桩与柔性桩之间,具有一定的压缩性,其加固效果的影响因素较多,(下转第25页)2011年第3期江苏水利浆块不再承受相应的预应力钢筋张拉力,张拉力传递给下一段砂浆块.当套管内的下一个砂浆块对梁底混凝土产生的拉应力大于混凝土的抗托强度值时,则此梁底混凝土将产生新的纵向裂缝,造成同一根失效套管下纵向裂缝的不连续延伸现象.四,裂缝对梁性能的影响1.对梁的设计承载能力基本无影响先张法预应力梁的极限承载能力设计时,在正,斜截面的竖向抗弯,抗剪能力计算中,仅考虑计算截面(区段)内的预应力钢筋的张拉力.梁底混凝土纵向开裂后,并未减少各截面(区段)的预应力钢筋张拉力值,对正,斜截面的竖向抗弯,抗剪能力无影响.另外,梁底纵向裂缝出现后,套管下方的底层混凝土由一个整体变成数个分散小块,截面的剪力流发生变化,梁的塑性抵抗扭矩减小,抗扭承载能力下降;在同样未超过极限值的扭矩作用下,将发生更大的扭转变彤.由于梁底纵向裂缝的深度相对于梁全截面高度较小,对梁的整体抗扭性能影响也较小.如本桥中,设裂缝深度为4.5cm,位于裂缝区的底层混凝土抗扭性能忽略不计,开裂后的截面抗扭塑性降低6.7%,但截面中的抗扭纵筋和箍筋并未受影响,故梁的整体抗扭性能仅下降了3%.2.降低梁的耐久性失效段漏浆产生梁底裂缝,而裂缝又可以使空气直接进入底层混凝土内部,使穿过裂缝层的梁底箍筋直接暴露在空气中,导致箍筋锈蚀加速,促使箍筋外侧的混凝土层开裂,剥落,缩短梁的使用寿命.同时,在设计中,预应力钢筋问的横向水平净距要大于底层预应力钢筋的保护层净距,梁底混凝土受砂浆块的影响而全截面开裂后,裂缝可沿套管与混凝土间的接触面向上延伸,裂缝与相邻的非失效段预应力钢筋的净距缩短,非失效段钢筋将首先受到裂缝侧面碳化层影响,导致梁的使用寿命小于设计要求.本桥中,梁底层非失效段预应力钢筋的竖向保护层净距为45—15.2/2=37.4mm;钢筋与同层相邻失效段套管的水平净距为(50—24/2—15.2/2)=30.4mm,其中24mm为失效段塑料套管的外径;当考虑施工偏差时,非失效段钢绞线与邻近套管的净距会更小.五,裂缝的修补探讨套管下梁底纵向裂缝的修补应考虑两个条件:一是预应力钢筋能正常伸缩,不致于再产生新的粘结;二是新老混凝土结合良好,不致于出现收缩或应力裂缝.失效套管下的梁底混凝土层一般较薄,在本工程中仅有33mm,凿除换填法:由于新增加的薄层混凝土性能与原混凝土相差较大,粘结不牢固等原因无法参与正常的抗压,抗拉工作,影响了整梁的工作性能;缝内注浆法:不具有可操作性.所以常用的凿除换填法,缝内注浆法等修补混凝土裂缝的办法不适用于梁底纵向裂缝修补.为此,可采用表面修补法处理.对裂缝不再发展且缝宽较小的梁底,可在裂缝表面铺设薄膜材料(如环氧类树脂或树脂浸渍玻璃布).(上接第22页)特别是在承载力很低的淤泥及淤泥质土中,要达到较好的处理效果,通过本工程的设计与施丁参数的优选,应注意以下几个方面:5.1桩长增加桩长和桩身强度可以提高单桩承载力,但桩周边土体与桩身土体的性能差异对复合地基承载力有一定影响.这种差异越大,增加桩长和桩身强度对提高复合地基承载力的效果越小.桩加长后长细比增大,也会减弱单桩承载力.因此,纯粹从增加桩长或提高水泥掺量角度来达施工时先将混凝土表面用钢丝刷打毛,用清水洗净干燥,再将裂缝用油灰状树脂填平,然后在其上铺设薄膜材料.薄膜材料韧性较小,若混凝土裂缝还处在发展过程中,修补后的薄膜仍会出现新的裂缝.对缝宽较大的梁底,可用改性环氧树脂粘结剂将钢板粘结到混凝土裂缝表面,使钢板与混凝土连接成整体共同工作.粘结前,钢板表面应喷砂处理,清除表面污物,锈皮,混凝土表面应刷净,干燥,粘结层厚度一般为3mm.外露的钢板表面应进行防腐处理,如:喷锌或刷富锌漆.梁底纵向裂缝的表面修补,仅是为防止梁底混凝土耐久性能降低,还不能有效阻止裂缝发展和在其它漏浆处产生新的裂缝.因此,应在预应力梁的正常最大受力状态下探寻梁底的全部纵向裂缝,争取一次性修补完毕.六,结语先张法预应钢筋失效段套管下梁底产生裂缝的主要原因是失效段套管破裂导致砂浆进入管内.要防止套管破裂:一要采用强度高,韧性大的管材;二要保证混凝土震动器不得直接冲击套管;三要保证预应力钢筋位置准确.由于管材选用及施工不当导致梁底产生裂缝,属施工技术错误,对工程质量的影响具有成批性,同一批号的梁甚至可能全部产生裂缝.因此,要注意失效段套管的选用,最好采用钢质套管,在设计和施工规范中也应明确套管选材,施工方法.(作者单位:南通市通州区水利局工程管理所226300)到处理软土地基目的意义不大.5.2面积置换率从复合地基承载力计算公式可看出,面积置换率越高,则复合地基承载力越高.淤泥及淤泥质土软弱地基本身性能较差,要想达到桩与土复合地基