路基压实机理 粉喷桩加固软土路基的机理与工程应用

　　【摘要】本文对粉喷桩加固高速公路软土路基的加固机理进行阐述，对其设计计算进行了简要的探讨。并结合粉喷桩法在高速公路工程中的实际应用提出了目前存在的问题以及一些有益的建议。
　　【关键词】软土路基;粉喷桩法;加固机理
　　
　　软土地基具有高含水量、大孔隙比、高压缩性的特点，此种地基在我国沿江、沿湖以及沿海等地广泛分布，对港口建设、公路路基、大型桥梁、涵洞、通道都存在着不同程度的危害。在高速公路的软基处理中，地基土的强度和变形对地基土上的路堤及路面结构的安全和稳定性、行车安全有重要的影响。随着我国公路事业的大力发展，大量工程实践表明，用粉喷桩法加固高等级公路的路基和涵基，在满足设计的前提下，不仅能提高地基土的承载力，从而能适应快速填筑施工，而且能较好地解决沉降过大的问题，大大节约了施工作业时间。因此，该法已越来越普遍地用于高等级公路的软基处理中。
　　1.粉喷桩的成桩原理及特点
　　粉喷桩是利用粉喷桩机,用压缩空气将水泥干粉加到软弱地基土中,并在原位进行强制搅拌,吸收地下水,水泥和土进行化学反应,硬化固结后具有较高强度整体性水稳性的粉喷桩。桩与软土地基一起组成复合地基,两者共同工作,承担上部荷载。粉喷桩与桩间土的协调变形使地基土承载能力得到充分发挥，最终使土体得以加固,获得所需强度,提高地基承载力,减少沉降。
　　采用粉喷桩的优点如下：
　　1.1水泥与原土就地搅拌混合, 因此可最大限度地利用原土的承载力。
　　1.2水泥粉与原地基土就地搅拌混合时, 不必或只需向地基中注入少许水分(根据地基土的含水量确定),水泥粉充分吸收周围软土中的水分, 因此对含水量高的软土加固效果尤为显著。
　　1.3水泥干粉喷射时对土壤无侧向挤压, 对周围建筑物影响小。
　　1.4土体加固后重度基本不变, 对软弱下卧层不会引起附加沉降。
　　1.5在满足承载力及其它各项指标要求的情况下, 技术经济指标效果显著。
　　1.6施工时无振动, 无污染, 无噪音, 工期短, 施工现场较文明, 尤其适合在城市中使用, 且可取得良好的技术经济效益和社会效益[1]。
　　2.粉喷桩的加固机理
　　粉喷桩处治软基属于深层搅拌法中的一种，它是利用压缩空气向软弱土层中输送石灰、水泥等粉状加固料，使其与原位软弱土混合、压密，通过加固料与软弱土之间的离子交换作用、凝聚作用、化学结合作用等一系列物理化学作用．使软弱土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的柱状加固土，它与原位软弱土层组成复合地基，提高软土地基承载力，减少地基沉降量[2]。
　　2.1溶解-析出理论及水泥与软土的化学反应
　　溶解一析出理论是水泥固结理论中较为经典的理论之一，该理论认为水泥的固结过程就是水泥熟料在水中溶解成离子形式，并以水作为介质进行化学反应，形成了各种晶体从水溶液中析出．最终形成具有一定强度的整体。实际工程中，常采用水泥固结理论中的溶解一析出理论来解释水泥和软土的反应[2]。
　　2.1.1水泥熟料在水中的溶解过程
　　在水泥等固化剂与软土充分搅拌之后，很快与软土中的水发生水化反应生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物。其化学反应为
　　(1)硅酸三钙的水化：
　　(2) 型硅酸二钙的水化：
　　(3)铝酸三钙的水化：
　　(4)铁铝酸四钙的水化：
　　另外，在水化过程中，形成了能吸收大量自由水的钙矾石：
　　2.1.2土颗粒与水泥水化物之间的相互作用
　　一般情况下，因水泥与土的搅拌不能绝对均匀。使水泥熟料包裹在软土团粒表面，这种灰包土的结构由于电化学作用，水泥熟料的水化产物易渗透入土颗粒的内部。这样，最后在粉喷桩桩体范围内形成了外层是水泥水化产物相联结，内层是被包裹的软士团粒的空间结构，这种结构是粉喷桩强度的基础。其次，软土中含有多种矿物质并含有游离的钠离子、钾离子，它们能和水泥水化生成的钙离子进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的团粒，使土体强度提高。
　　2.2其他因素对粉喷桩加固机理的影响
　　首先，粉喷桩在施工过程中对土体的振动或挤压使土体得到挤密，利用横向挤紧作用，提高了桩间土的强度和桩侧法向应力，使得桩侧摩阻力得到增加，桩体的承载力得到加强，使路基土粒彼此靠紧，空隙减少，提高复合地基的承载力，有利于满足路基压实度的要求。
　　其次，水泥的各种水化物生成后有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的与周围具有活性的粘土颗粒发生反应，形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团间的孔隙，形成坚硬联结体。由于粉喷桩的刚度较桩周围土体大，在路堤填筑荷载作用下，大部分填土荷载由桩体承担，作用在桩间土的应力相应减少。
　　另外，地基的加速固结作用也是粉喷桩的加固机理之一。由固结系数Cv的计算式：Cv=■
　　可以看出，虽然水泥土类桩会降低地基土的渗透系数K，但它同样会减小地基土的渗透系数α，而且通常后者的减小幅度要较前者大，由此，使加固后水泥土的固结系数Cv大于加固前原地基土的系数，因而起到加速固结的作用。
　　3.粉喷桩加固软土路基的设计计算
　　粉喷桩加固软土路基的设计计算的主要内容为：决定设置搅拌桩的范围；选择桩长及确定桩的根数，使之能满足建筑物所需要的承载力与允许沉降量[3]。
　　在掌握了工程地质条件以及设计要求之后，可按以下设计步骤进行设计：
　　3.1根据路基基础尺寸及软土范围决定采用粉体喷搅加固的范围；根据软土层厚度决定搅拌桩桩体的长度，一般情况下，桩体应伸至软土层底部。
　　3.2根据要求的承载力的大小，初步选定搅拌桩的间距，从而定出加固范围内搅拌桩的总数及每平方米内搅拌桩所占的面积。在公路路基土中，搅拌桩的排列一般按等边三角形或正方形布置，需要时，再作偏心计算看能否满足要求。
　　3.3根据初步选定的桩长L，加固区宽度B，加固区长度H，搅拌桩总数n，搅拌桩面积与加固基础面积之比（灰土置换率）αc，每排（宽度B范围内）桩的根数以及上述已取得的上部构筑物资料，进行地基承载力计算和总沉降量计算。
　　当计算出施工结束后的剩余沉降量小于或等于路基允许值时，说明计算满足要求，否则应重新选择桩长进行计算。
　　4.粉喷桩在实际应用中存在的问题及建议
　　4.1粉喷桩施工的主要工序在地下进行，无法直接监控。由于其关键工序是喷粉，因此，喷粉开始后，应设专人严格把关，严格控制喷粉时间、停粉时间和水泥喷入量。
　　4.2虽然目前粉喷桩设计计算方法尚能满足设计需要，但总的来说计算方法欠成熟，因为影响复合地基的应力和应变的因素较多。今后应从研究桩土共同作用、复合地基破坏机理入手，推导出更为合理的设计计算方法。
　　4.3施工是保证粉喷桩质量的实施关键环节，钻机深度等对加固深度有较大的影响；另一方面是空压、动力及喷搅工艺也有待进一步明确和改进，以确保深部桩体的质量。
　　工程应用中要提高粉喷桩的质量，使其强度更高，提高粉喷桩的完整性、均匀性，使粉喷法在公路建设工程中有更广泛的使用范围。■
　　
　　【参考文献】
　　［１］阮永芬,李佳彬.水泥粉喷桩在软土地基处理中的应用［J］.昆明理工大学学报,2001,26(5):74-75.
　　［２］周金鹏.粉喷桩加固高速公路软土路基的机理与设计［D］.硕士论文.南京理工大学.2003,(1).
　　［３］龚晓南,徐日庆,郑尔康.高速公路软弱地基处理理论与实践［M］. 上海:上海大学出版社.1998.
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