土工布袋轻质活性材料桩在软基处理中的应用

张玉明 邵嘉兵

摘要：本文结合工程应用案例，以软基处理为对象，采用振动沉管将生石灰、工业矿渣等轻质活性材料同土工布袋注入土体，通过粉状活性材料吸收地基水，发生水化、固结成桩，与周围土体共同形成复合地基，由此达到加固软土地基和提高地基土承载力的目的。该方法施工操作安全、成熟，且利用活性材料具有更高的性价比，更短的施工时间，可节约工期，节省工程总造价。

关键词：软基处理；振动沉管；土工布；轻质活性材料

前言

土工布袋桩处理软土地基是近年来的一个研究热点。常见的土工布袋桩型有土工布袋注浆桩、土工布袋砂石桩等。土工布袋注浆桩是一种通过土工织物袋和注浆浆液形成似柱形硬化体来加固软土地基的桩型，是软土分层注浆技术和土工织物综合应用的施工新工艺，土工布袋限制了注浆的范围，提高了桩的成型质量，具有施工简便、成本低、桩形灵活等许多优点，但由于采用的水泥浆液稳定性差，硬化时伴有析水，导致固相体积收缩，存在成桩强度降低的缺点。布袋砂石桩法用土工合成材料形成袋体包裹砂石桩体，为砂石桩提供了桩体成型所需要的围压，并可为避免砂石桩体被土颗粒淤堵，改善了复合地基的整体性，提高了桩体的承载力和抗变形能力，但这种桩型属于无粘结强度桩，桩身强度偏低，在流塑软土中桩体变形大。

本工程通过钢沉管将与预制桩尖连接的土工布袋打设至设计标高后，灌入生石灰、工业矿渣等轻质活性材料，通过土工布袋内的粉状活性材料吸收地基水，发生水化、固结成桩，与周围土体共同形成复合地基，由此达到加固软土地基和提高地基土承载力的目的，且承载性能高、成桩速度快、释放孔隙水压力效果好。

1. 工程概况

S103是连接省会合肥与著名的世界自然文化双遗产黄山的重要通道，是安徽省中南部地区间南北走向的骨架公路，现状为二级公路，改造后为一级公路。本项目为省道103上派至庐城段工程建设第三合同段，施工桩号为K19+500～K28+000，全长8.5km。

本标段内软土基分布比较广泛，具体分布概况如下表：

路基段软土

分布范围（m） 实际处理里程（m） 软土厚度（m） 路基宽度（m） 备注

K21+656～K21+956 300 1.0～2.6 24.5 左侧拼宽路段

K22+356～K23+356 980.9 1.2～9.6 24.5 本段落内软土厚度分布比较均匀，基本在5-8米，两端尖灭，上覆杂填土和粉质粘土厚度不均，下卧粘土夹粉质粘土

K23+856～K24+656 775 1.0～6.5 24.5 本段-落内软土厚度大部分都在3米以下，表层有一层硬壳层，只有中间K23+880～K23+970的软土厚度在4-6.5米。

为确保软土路基处理效果，部分软基段落采用土工布袋轻质活性材料桩进行处理。

2. 工艺原理

粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料（如火山灰、浮石、硅藻土、烧粘土、煅烧的煤矸石、煤渣等）、粉煤灰等，单一材料遇水不会硬化或硬化极为缓慢，强度很低，但前述矿物质材料在氢氧化钙溶液中，就会发生显著的水化，而且在饱和氢氧化钙溶液中水化更快。

故振动沉管布袋轻质活性材料桩利用上述特性，将矿物质材料粉碎、碾磨后，加入其它胶凝材料（水泥、石灰），拌合均匀，灌入已打设至设计标高的土工布袋内。当土体中的水分进入土工布袋，石灰会水化形成氢氧化钙，继而使粉状活性材料发生水化、固结，直至膨胀布袋至设计桩径，形成较规则的圆柱状结石体，与周围土体共同形成复合地基，达到加固软土地基和提高地基土承载力及复合模量的目的。

3. 施工工艺

3.1 施工工艺流程

土工布袋轻质活性材料桩工艺流程示意图如图3.1-1所示，工艺流程如图3.1-2所示。

图5.1-1 土工布袋轻质活性材料桩施工工艺流程示意图

图3.1-2 土工布袋轻质活性材料桩施工工艺流程图

3.2 施工准备

3.2.1 熟悉地質报告，详细调查场地及邻近区域内的地下及地上管线、地下障碍物，对可能影响施工的建（构）筑物进行彻底清理并制定、实施可靠的安全防护措施。

3.2.2 编制详细的施工方案和施工进度计划。

3.2.3 施工设备进场，搭建临时设施和安装、调试设备，采用的主要器具及设备见表3.2.1

3.2.4 材料准备

1. 生石灰

生石灰应达到建筑生石灰合格品的技术指标，满足Ⅲ级标准，氧化钙含量要达到70%以上，粒径宜不大于70mm，消石灰含量不宜超过15%。材料指标应符合《复合地基技术规范》（GB/T 50783-2012）中10.3.1条规定，检测方法可采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T0809-2009或T0810-2009规定执行。

2.工业炉渣

工业炉渣的技术指标应满足Ⅲ级指标，工业炉渣要求粒径不大于3cm，含水量不大于40%。材料指标应符合《复合地基技术规范》（GB/T 50783-2012）10.3.2条规定，工业炉渣检测方法可采用《用于水泥和混凝土中的工业炉渣》（GB/T 1596-2005），工业炉渣检测方法可采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T0801-2009与T0814-2009执行。

3.土工布袋

土工布袋材料采用无纺土工布，其技术指标单位面积质量≥200g/m2、撕破强力≥100N。

石灰工业炉渣轻质材料按设计要求配合比进行配料生产，按照技术要求中材料试验进行原材料试验检测。

3.3 桩基施工

3.3.1 桩位测量放线

1. 测量组依据设计文件桩位布置图，在不同功能区域内每隔50m布置一个控制桩，控制桩允许偏差20cm，根据控制桩用皮尺进行桩位定位，按照设计图纸布置桩间距。

2. 对桩位第一次进行放样定位，清除桩位的障碍物后，对桩位进行第二次核定并自检，自检完成后移交业主和监理进行复检、验收，验收合格后须对放出的桩位做好标志并进行保护。

3.3.2桩机就位

桩机就位前应对桩机施工范围内的场地铺上一层砖渣并压实，对高低不平地段可用推土机推平；就位时必须调平、稳定、准确，确保在施工中不发生倾斜、移位；桩机进行打桩时，每天施工前和施工后对桩机上所有部位钢丝绳进行全面检查，消除安全隐患。现场施工如图3.3-1所示。

3.3.3 预制桩尖与布袋、沉管连接

确认桩位符合设计要求后，将土工布袋从打桩机沉管顶端的输料口抛入（土工布袋直径略小于设计桩径1cm），并牵引出沉管与预制桩尖连接，预制桩尖与打桩机沉管下端卡设固定，同时将土工布袋上口与活性混合料输料口连接，如图3.3-2所示。

图3.3-2 挂置土工布袋 图3.3-3 土工布袋剪缺口

3.3.4 沉管振打至设计深度

1. 机械安装调试完成、各构件连接检测合格后，由打桩锤将外沉管及与预制桩尖连接的土工布袋打设至设计深度。

2. 振动沉管布袋轻质活性材料桩的施工机械采用100型工程地质钻机，钻孔时钻杆配上镶有硬质合金的笼式钻头或三页钻头进行振动锤击钻孔，引孔钢管用351×12mm的无缝钢管，振动频率控制在50Hz左右，下沉速度控制在0.5m/s，倾斜度不得超过2°。

3. 将外沉管打到设计深度后，外沉管上做好长度标记，以保证桩基底面标高满足设计要求并在袋身设计标高处剪开一缺口，用以确保轻质活性混合料的灌注饱满度，如图3.3-3所示。

3.3.5 灌入轻质活性混合料成桩

1. 轻质活性混合料中采用的生石灰应达到建筑生石化合格品的技术指标，氧化钙含量达到97%以上，生过烧率小于10%；工业炉渣的技术指标应满足Ⅲ级指标，粒径<3cm，含水量<40%。将按设计配比（石灰与炉渣体积配合比参选3：7）拌合的石灰和工业炉渣混合料运至现场。

2. 轻质活性混合料采用装载机计量，确保桩体材料用量满足不小于计算值。

图3.3-4 灌入轻质活性混合料 图3.3-5 上拔沉管

3. 经过拌和均匀的轻质活性混合料用桩机上料斗自桩机输料口送入，送入时不断振动沉管，以便轻质活性混合料快速、均匀的灌入土工布袋中，如图3.3-4所示。同时，操作人员应佩戴口罩，防止吸入过量粉尘，造成身体伤害。

3.3.6 填料至设计桩长后上拔沉管

1. 将经过拌合均匀的混合料灌至设计桩顶略高5～10cm时，临时扎紧封口，开始上拔沉管。

2. 沉管上拔时，边振动边上拔，振动频率设置为50Hz，上拔速度控制在0.2m/s。

3. 上拔至桩体中段时反插一次，反插深度应不小于1m，现场施工如图3.3-5所示。

3.3.7 成桩后剪断布袋，压实密封桩顶

1. 成桩（首次上拔沉管离开地面）后需再反插一次，反插深度应不小于1m。

2. 反插结束后，再次上拔沉管离开地面，人工剪断土工布袋，如图3.3-6所示，并对土工布袋进行密封处理，同时对桩顶进行回填、压实。

3.3.8 桩机移位

1. 单根桩施工完成后，对桩机进行移位操作，进行下一根桩体施工。移位需满足间距要求和垂直度要求，垂直度通过桩机上配置摆度仪进行控制。

2. 所有桩基施工完成后，用160推土机对场地进行整平，并用160链轨式推土机碾压两遍使其表面密实。

3. 重复以上步骤，至软基段处理完成。

3.3.9 检测验收

1. 动力触探试验：在成桩7天后，按施工桩数量的1%抽检（或路基每区域里程段抽做3个点），分別在桩中和桩尖土上做动力触探试验，以检测基桩本身和桩间土的地基处理变化效果。

2. 承载力静载试验：因石灰、炉渣活性材料化学反应，完成物理变形时间长达7天，其强度后期增长可达3年，静荷载应在成桩28天后进行检测。静荷载试验包括：单桩静载荷试验、桩间土静载荷试验及复合地基静载荷试验，试桩数量不小于总桩数的1%，且每区域里程段检测数量应不小于3点。

4. 质量控制

4.1 质量控制标准

本技术主要遵照执行的现行规范、规程、标准主要有：

1.《公路工程技术标准》（JTG B 01-2003）

2.《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006）

3.《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）

4.《复合地基技术规范》（GB/T 50783-2012）

5.《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2004）

4.2 质量控制措施

4.2.1 轻质活性混合材料质量控制

1. 工业炉渣与生石灰的拌合采用场拌，拌和后的炉渣石灰混合料入桩前应保证混合料含水量不大于30%；

2. 当采用石灰与炉渣体积配合比3：7时，其混合料中的石灰含量分别为不小于18%，且其石灰块体粒径不大于70mm。

3. 在施工现场，通过抽检混合料含水量及石灰含量的方法控制石灰炉渣混合料的喂料入土工布袋前的质量。

4. 混合料中石灰含量的检测试验方法，可根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T0809-2009或T0810-2009检测石灰的有效含量。

4.2.2 沉管振打成孔质量控制

1. 振動打桩机就位时，应垂直、平稳架设在打（沉）桩部位，同时，应在沉管上标出控制深度标记，以便在施工中进行沉管深度观测。

2. 沉管振打前，应预先调整沉管的垂直度，不应使其倾斜度超过2°，当沉管入土超过3m时，不得再进行校正。

3. 成桩施工顺序从中间开始，向两侧边或四周进行，对于群桩基础或桩的中心距小于或等于3.5d（d为桩径）时，应间隔施打。

4. 振打过程中应观察沉管的下沉速度是否异常，沉管是否有挤偏的现象，若出现异常情况应分析原因，及时采取措施进行补救。

5. 应按设计要求和试桩情况，严格控制沉管最后贯入度。振动沉管应测量最后2min贯入度。

6. 当沉管达到设计深度或持力层时，满足规范和设计要求，可终止沉管。

7. 沉管全过程必须有专职记录员作好施工记录。

4.2.3 混合材料灌注质量控制

1. 轻质活性材料按设计配比要求混合后，经装载机计量，分批装入桩机上料斗中灌入。

2. 轻质活性混合材料灌入前不可过分夯实，以免水化膨胀后，土工布袋过度张拉破裂，影响桩体成型，甚至污染土体及地下水。

3. 灌入时应不断振动沉管，以便轻质活性混合料均匀、有效的灌入土工布袋中。同时，施工人员应拉紧外留的土工布袋，防止沉管内的土工布袋松弛，从而因混合材料灌入挤压造成后期成桩效果不理想。

4.2.4 振动沉管布袋轻质活性材料桩桩身质量控制

桩体施工完成后需要进行桩身质量检验和验收，质量标准见表4.2-1。

5. 结语

土工布轻质活性材料桩在省道103改建工程中得到了成功应用，该技术采用钢沉管将与预制桩尖连接的土工布袋打设至设计标高后，通过轻质活性材料水化膨胀、固结效应，配合土工布袋环向约束塑形成桩，具有对软土脱排水固结、挤密以及轻质材料置换的机理效果。轻质活性材料在土工布袋内发生水化反应，一方面可膨胀布袋达到压密土体的目的，另一方面可吸收地基水，减少原软土地基的含水率，同时由于布袋的抗拉强度较高，也能使土工布袋注轻质活性材料桩起到加筋土体的作用。相比于传统布袋注浆桩，本工艺无需注浆，可减少土壤污染，施工环保，具有较好的推广应用价值和广阔的市场应用前景。