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秦皇岛加固公司浅谈堤防地基加固技术及应用
浏览: 发布日期:2017-02-14
         自2005年至2013年七八年间,我们在凤台县采煤沉陷区堤防加固工程中,针对堤基软弱问题应用了一些地基加固技术。经过几年来的运行观测,效果很好,加固后的堤防安全稳固,堤身滑坡问题得到了很好的解决。堤防地基加固的方法很多,对于选择何种方法进行堤坝地基加固,需要根据现场地质及施工条件进行认真研究。在堤防地基加固工程中,比较适用的有高压喷射注浆技术、深层搅拌法加固技术等。
  1、地基加固方法选择要点
  1.1地基加固方法选择的基本原则
  在除险加固工程中,地基加固处理方案的选择,具体取决于以下诸方面:(1)功能性:必须满足工程目的和要求;(2)可实施性:方案的工程规模、有关参数和技术指标,在目前的技术水平条件下是可行的;(3)经济性:方案通过技术经济比较,投入产出分析,在满足功能性要求的前提下,工程费用较低,工程概预算能够承受;在确定采用后尚应采用先进技术,优化方案,合理使用材料。(4)环境和安全性:避免工程污染环境或污染最小;能保障堤防结构和相邻建筑物安全,保证施工人员的安全。
  1.2地基加固方法与选择
  地基加固方法的选择:(1)首先应分析采用天然地基的可行性,如有可能应尽量采用天然地基。(2)根据建筑物对地基的要求和地基条件,确定需要进行处理的范围和处理要求。(3)地基处理方法必须满足堤防对地基的设计要求,主要指天然地基经处理后应能达到的物理力学指标。(4尉天然地基的条件、处理要求、工程费用及材料来源等各方面进行综合考虑,以确定合适的地基处理方法。(5)地基处理方法原则上一定要技术上可靠、经济上合理,又能满足施工进度要求。通过分析比较可以采用一种处理方法,也可以采用由两种或两种以上的处理方法组成综合的处理方案。(6)注意节约能源,注意环境保护,避免因地基处理而对地面水和地下水产生污染,振动噪音等对周围环境产生不良影响。
  1.3几种地基加固方法的比较
  地基加固的方法较多,但在堤防除险加固工程中,比较适用的有高压喷射灌浆法、深层搅拌法和振冲法等几种,其中高压喷射灌浆法和深层搅拌法既可以做成防渗墙,处理地基渗漏问题,也可以用于地基加固。而振冲法、强夯法、排水固结法等可应用于新建或改建堤防工程中。几种地基加固方法的特点及适用范围见表1。
 
 
虽然常用的几种地基加固方法可以用来加固堤身,但往往在经济上是不合理的。堤身问题可以按照堤防工程施工规范的有关要求,采用人工翻建的方法重新填筑,施工质量是可以得到保证的,而且还可以利用当地的农闲劳动力。
  2、高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术
  高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术相似,其主要差别在于采用不同的加料拌和手段。
  2.1高压喷射灌浆技术
  高压喷射法就是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后,用高压泥浆泵,通过安装在钻杆(喷杆)杆端置于孔底的特殊喷嘴,向周围土体高压喷射固化浆液(一般使用水泥浆液),同时钻杆(喷杆)以一定的速度边旋转边提升,高压射流使一定范围内的土体结构破坏,并强制与固化浆液混合,凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体。
  固结体的形状和喷射流的移动方向有关。一般分为旋转喷射(简称旋喷),定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)。旋喷桩主要用于加固地基,提高地基的抗剪强度,改善地基土的变形性能,使其在上部结构荷载作用下,不至破坏或产生过大的变形。定喷固结体呈壁状,摆喷形成厚度较大的扇状固结体。定喷和摆喷通常用于地基防渗,改善地基土的水力条件及边坡稳定等工程。
  2.1.1加固机理
  高喷法如三管高喷法用压缩空气包裹高压喷射水流冲击破坏搅动土体,同时用低压灌浆泵灌入浆液,浆液被高压水、气射流卷吸带入,同时与被搅动土体混合形成固结体。加固地基,形成桩、板、墙的机理可用五种作用来说明:(1)高压喷射流切割破坏土体作用喷流动压以脉冲形式冲击土体,使土体结构破坏出现空洞。(2)混合搅拌作用钻杆在旋转和提升的过程中,在射流后面形成空隙,在喷射压力作用下,迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向(即阻力小的方向)移动,与浆液搅拌混合后形成固结体。(3)置换作用三重管高喷法又称置换法,高速水射流切割土体的同时,由于通入压缩空气而把一部分切割下的土粒排出灌浆孔,土粒排出后所空下的体积由灌入的浆液补入。(4)充填、渗透固结作用高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙,析水固结,还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体。(5)压密作用高压喷射流在切割破碎土体的过程中,在破碎带边缘还有剩余压力,这种压力对土层可产生一定的压密作用,使高喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。
  2.1.2基本种类
  按喷射介质及其管路多少可分为单管法、二管法、三管法等。
  (1)单管旋喷法 通过单根管路,利用高压浆液(20-30MPa),喷射冲切破坏土体,成桩直径为40-50cm。其加固质量好,施工速度快和成本低,但固结体直径较小。
  (2)-管旋喷法。在单管法的基础上又加以压缩空气,并使用双通道的二重灌浆管。在管的底部侧面有一个同轴双重喷嘴,高压浆液以20MPa左右的压力从内喷嘴中高速喷出,在射流的外围加以0.7MPa左右的压缩空气喷出。在土体中形成直径明显增加的柱状固结体,达80~150cm。
  (3)三管旋喷法。使用分别输送水、气、浆三种介质的三重灌浆管。高压水射流和外围环绕的气流同轴喷射冲切破坏土体,在高压水射流的喷嘴周围加上圆筒状的空气射流,进行水、气同轴喷射,可以减少水射流与周围介质的摩擦,避免水射流过早雾化,增强水射流的切割能力。喷嘴边旋转喷射,边提升,在地基中形成较大的负压区,携带同时压入的浆液充填空隙,就会在地基中形成直径较大、强度较高的固结体,起到加固地基的作用。
  2.1.3浆液材料
  水泥是喷射灌浆的基本材料,水泥类浆液可分为以下几种类型;(1)普通型浆液一般采用普通硅酸盐水泥,不加任何外加剂,水灰比一般为0.8:1~1.5:1,固结体的抗压强度(28ct)最大可达1.O~20MPa,适应于无特殊要求的工程。(2)速凝一早强型适于地下水位较高或要求早期承担荷载的工程,需在水泥浆中加入氯化钙、三乙醇胺等速凝早强剂。掺入 氯化钙的水泥一土的固结体的抗压强度为1.6MPa,掺入4%氯化钙后为2.4MPa。(3)高强型喷射固结体的平均抗压强度在20MPa以上。可以选择高标号的水泥,或选择高效能的扩散剂和无机盐组成的复合配方等。
  在水泥浆中掺入2-4%的水玻璃,其抗渗性有明显提高。如工程以抗渗为目的,最好使用“柔胜材料”。可在水泥浆液中掺入10-50%的膨润土(占水泥重量的面分比)。此时不宜使用矿渣水泥,如仅有抗渗要求而无抗冻要者,可使用火山灰水泥。
  2.1.4高压喷射灌浆工艺
  喷射范围应在现场通过试验确定。高喷固结体的范围大小与土的种类和其密实程度有较密切的关系,不同的喷射种类和喷射方式所形成的固结体大小也不相同。定喷的喷射能量集中,喷射范围较大。旋喷粘性土固结强度为0.3~6.0MPa,无粘性土固结强度为4~15MPa。
  对于防渗工程多采用定喷、摆喷,地层含的粒径较粗时多采用摆喷或旋喷。对处理深度大于20m的复杂地层最好按双排或三排布孔,使高喷桩形成堵水帷幕。孔距应为1.73R(R为旋喷固结体半径),排距为1.5R时最经济。一般定喷、摆喷孔距为1.2~2.5m,旋喷为0.8~1.2m。高喷防渗效果一般可达10 ̄⁵~10 ̄⁶cm/s。
  高喷桩桩距应根据上部结构荷载、单桩承载力及土质情况而定。一般取桩距为S=(3~4)d(d为旋喷桩直径),桩的布置方式可选用矩形或梅花形布置。
  高喷灌浆施工钻孔的目的是将灌浆管插入预定的土层中,由下而上进行喷射作业。近来也有用振冲方式成孔直接进行喷射作业的方法。喷射时应注意以下事项:(1)灌浆深度大时,易造成上粗下细的固结体,影响固结体的承载能力或抗渗作用,因而需采用增大压力和流量或降低旋转和提升速度等措施补救,(2)当发现喷浆量不足而影响工程质量时,可采用复喷技术,(3)当冒浆量大于灌浆量的20%时,可采用提高喷射压力、缩小喷嘴直径、加快提升速度和旋转速度等措施,对冒出的浆液,可回收利用,(4)根据工程需要调节喷射压力和灌浆量,改变喷嘴移动方向和速度,控制喷射固结体的形状,即圆盘状、圆柱状、大底状、糖糊芦状、大帽状和墙壁状。(5)喷灌后的浆液有析水现象,可造成固结体顶部出现凹穴,对地基加固及防渗不利。为此,可采用静压灌浆或浆液中添加膨胀材料等措施预防。
  高压泵是高压喷射灌浆中的关键设备,要求压力和流量能在一定的范围内调节。额定流量为85~l50L/min;额定压力为2O~50MPa。
  2.1.5高喷固结体的责量检测
  (1)开挖检验:待浆液凝结具有一定的强度后,即可开挖检查固结体垂直度、形状和质量;(2)钻孔检查:从固结体中钻取岩芯,进行室内物理力学性能试验。在钻孔中做压水或抽水试验,测定其抗渗能力;(3)标准贯人试验:在旋喷固结体的中部可进行标准贯人试验。
  (4)载荷试验:静载荷试验分垂直和水平静载荷试验两种。试验时,需在受力部位浇筑O.2~0.3m厚的混凝土层,(5)围井试验:在板墙一侧增加喷孔,与板墙形成封闭围井,在井中进行压水和抽水两种试验,或观测井内外水位,多用于防渗效果检查。
  高压喷射灌浆加固地基技术主要适用于第四纪冲积层、残积层及人工填土等。对于砂类土、粘性土、黄土和淤泥等都能加固。但对砾石直径过大、含量过多及有大量纤维质的腐植土喷射质量稍差,有时甚至不如静压灌浆的效果。
  对地下水流速过大,喷射的浆液无法在灌浆管周围凝结,无填充物的岩溶地段,永冻土和对水泥有严重腐蚀的地基,均不宜采用高压喷射灌浆法。
  2.2高压喷射灌浆的特点
  高喷法具有成本较低,施工速度较快,固结体强度大,可靠性高等优点,与普通灌浆法相比又具有以下特点。
  高喷法是利用高速水流强制性地破坏土体形成固结体,在覆盖层中一般不存在可灌性问题;同时由于高速射流被限制在土体破碎范围内,因此浆液不易流失,能保证预期的加固范围和控制固结体的形状;能在钻孔中任何一段内施工,也可以在孔底或中部喷射,此外,也可以水平方向喷射和倾斜方向喷射施工;高喷法通常采用水泥浆液,不会造成环境和地下水的污染,且耐久性较好;施工噪音较小,单管和二管法施工较简便。
  3、深层搅拌法技术
  深层搅拌法是利用水泥作为固化剂,通过特别的深层搅拌机械,在地基深处就地将软土和水泥(浆液或粉体)j虽制搅拌后,水泥和软土籽产生一系列物理一化学反应,使软土硬结改性。改性后的软土强度大大高於天然强度,其压缩性,渗水性比天然软土大大降低。
  3.1加固机理
  软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理,是基于水泥加固土的物理化学反应过程。减少了软土中的含水率,增加了颗粒之间的粘结力,增加了水泥土的强度和足够的水稳定性。在水泥加固土中,由於水泥的掺量较小,一般占被加固土重的10-15%。水泥的水化反应完全是在具有一定活性的介质——土的围绕下进行,所以硬化速度较慢且作用复杂。
  3.2水泥土的主要特性
  3.2.1物理性质
  水泥土的容重与天然土的容重相近,但水泥土的比重比天然土的比重稍大。
  3.2.2无侧限抗压强度
  水泥土的无侧限抗压强度一般为30o~400kPa,比天然软土大几十倍至百倍,但影响水泥土无侧限抗压强度的因素很多,如水泥掺入量、龄期、水泥标号、土样含水率和有机质含量以及外掺剂等等。
  为了降低工程造价,可以采用掺加粉煤灰的措施。掺加粉煤灰的水泥土,其强度一般比不掺粉煤灰的高。不同水泥掺入比的水泥土,当掺入与水泥等量的粉煤灰后,强度均比不掺粉煤灰的提高1 0% ,因此采用深层搅拌法加固软土时掺入粉煤灰,不仅可消耗工业废料,还可提高水泥土的强度。
  3.3施工技术
  3.3.1加固型式
  根据目前的深层搅拌法施工工艺,搅拌桩可布置成柱状、壁状和块状三种型式,在堤防上用于地基加固,主要采用桩式,而用于防渗加固,应采用壁状式,壁状式是将相邻搅拌桩部分重叠搭接即成为壁状加固型式,组成水泥土挡墙,这种挡墙具有较高的抗渗性能,可以形成良好的隔水帷幕。
  3.3.2 施工工艺
  (1)湿法施工。主要的施工机械为深层搅拌机。深层搅拌法的施工主要可分为定位、预搅下沉、制备水泥浆、提升喷浆搅拌、重复上下搅拌、清洗等几个步骤。
  (2)干法施工。干法是采用水泥粉料,由空气输送,通过搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷出,并随着搅拌叶片的旋转均匀分布在整个空隙轨道面内,进而和原位地基土搅拌并混合在一起。施工机械主要是钻机、粉体发送器、空气压缩机、搅拌钻头等。
  施工工序主要为:(1)柱体对位,(2)下钻-(3)钻进结束,(4)提升喷粉,(5)提升结束桩形成体等几个步骤。
  3.4适用范围
  深层搅拌法最适宜加固各种成因的饱和软粘土,常用于淤泥、淤泥质土、粘土、亚粘土等地质的加固,成桩深度可达30m,采用多头小直径桩成墙深度可达18m。
  在堤防除险加固工程中,深层搅拌桩适用于处理软基堤防上滑坡段的。同时,还可以组成截渗墙,取得较好的防渗效果。
  3.5深层搅拌法主要优点
  3.5.1加固效果好,加固方式灵活,适用面广
  深层搅拌法可采用不同的加固型式、不同的桩长和置换率以满足不同土质条件和不同荷载要求的加固目的。对河道这种区域狭长、地质条件复杂,对沉降要求较高的工程比较适宜。采用搅拌桩挡土墙作为河岸边坡支护不仅能够保证边坡稳定,还具有防渗功能。
  3.5.2施工速度快
  一般来说,每台深层搅拌机建造搅拌桩截渗墙的工效达13.2m² /台·时。
  3.5.3可充分利用原软土,无弃土问题
  深层搅拌法是一种原位加固技术,可充分利用原状土,无弃土问题。
  4、主要应用工程介绍
  4.1凤台县金刚圩塌陷段地基处理工程
  金刚圩塌陷段在2005年度汛期间,因挡水水位高,地基不稳,堤基滑动造成决口。事后经地质勘察,发现该段堤基下存在淤泥层,淤泥层厚大于l1米,地基承载力小。针对该段淤泥层厚、不宜挖除置换土的特点,设计在该段堤坝背水侧平台处进行粉喷桩加固地基。设计桩距1.0m,拍距1.2m,桩径0.5m,梅花形布置,桩底进入持力层大于lm,设计复合地基承载力120kpa 该工程2OO6年实施后,遇2007年大汛,和该段相邻的地质情况相似的堤段地基滑动造成堤坝决口,而该加固段堤坝依然牢固如初。
  4.2凤台县许大湖圩塌方段地基加固工程
  许大湖圩塌方段位于老河道上,堤下淤泥层6—7m,堤长120m。在2012年土方加固时,因堤身高,造成地基深层滑动,堤身下沉近3m。因该段堤坝上方有35KV高压输电线路,采用粉喷桩施工机械机身高,不安全,遂采用高压水泥旋喷桩。设计桩距1.5m,排距1.5m,梅花形布置,桩径0.8m,桩端进入持力层深度2m,桩长8.5m,设计复合地基承载力130Kpa。桩基加固后,对堤坝进行土方填筑,目前运行良好。
  5、结语
  堤防地基加固的主要目的是提高地基承载力,同时提高地基抗渗能力。一般适用地基有较厚软弱层的地质情况,如软弱层较薄,则采取挖淤置换土的方式比较经济。粉喷桩和旋喷桩所用材料,一般宜用普通硅酸盐水泥,对有防渗要求的,也可采用复合硅酸盐水泥。对地基淤泥层含水量较大、地基土松软的情况,粉喷桩的效果要好于旋喷桩。旋喷桩冒浆、跑浆量大,灌浆压力不易掌握,容易造成断桩现象。

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