粉喷桩加固公路路基的技术应用研究

摘要：粉喷桩属于深层搅拌法加固地基方法的一种形式，也叫加固土桩。深层搅拌法是加固和软粘土地基的一种新颖方法，它利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理―化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的优质地基。本文依托粉喷桩加固工程实践，详细说明粉喷桩设计理论与技术应用。

关键词：粉喷桩；公路路基；技术应用

1粉喷桩加固软土路基的作用

该法以粉体作加固料，不需向地基中注入附加水分，可以充分吸取地下水，因此，加固后地基柱体承载力与相似的浆喷柱比要高，其固结效果要好，且不需预压即可获得较高的复合地基承载力及复合变形模量，加固土柱体的压缩量仅为0.6%左右，下卧层的沉降量一般情况也能减少地基总沉降量的1/3～2/3。

本方法可以增加软土地基承载力，减少软土地基沉降量，加快软土地基的沉降速率（石灰系列），使沉降在工前完成，从而减少工后沉降量。粉喷桩加固软土路基工程，具体来说有四个方面的作用：

（1）桩体作用：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，地基中的应力将按材料模量进行分布。因此：产生应力集中现象，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。这样就使得复合地基承载力较原地基有所提高，沉降量有所减少。

（2）垫层作用：粉喷桩通过喷注水泥粉与地基土原位均匀搅拌硬结成桩体，并与桩间土复合形成一个复合地基或称复合层。显然这一层的力学特性优于天然地基软土，起着均匀应力和增大应力扩散角的作用。

（3）挤密作用：粉喷桩在喷注水泥粉与地基土形成桩体过程中，不再向地基中注入附加水，反而桩体中的水泥粉对周围软土具有吸水、发热和膨胀作用，对桩周围土同样可起挤密效果。因此加固后的地基初期强度高，对含水量高的软土加固效果尤为显著。

（4）加筋作用：粉喷桩除了可以提高地基承载力，还可起提高土体的抗剪强度，增加软基路堤填筑的稳定性。

2粉喷桩的设计在工程中的应用

（1）工程地质特征

某高等级公路k95+105～k95+280段路基下有4. 0m厚的淤泥层，软硬不一，沉降不均，可能对公路产生不良影响.根据工程地质勘察资料及实地勘察，场地地层情况如下：

①人工填土：主要为素填土，黄黄褐色，含少量的树根等杂质，稍湿；

②淤泥～淤泥质粉质粘土：灰褐灰黑、浅灰色，湿、软塑，1.5m厚；

③粉质粘土：黄褐色、灰绿色，具网纹状结构，稍湿，可一硬塑，1.0m厚；

④粉砂层：黄黄褐色，湿饱和，稍密中密，0.8m厚；

⑤粉质粘土：灰灰绿色，具网状结构，可塑，近砂层改为软塑，0.7m厚；

⑥卵石层：黄褐色，湿饱和，中密，颗粒不均匀，局部含有较大粘土，卵石粒径最大可达8cm。

（2）路基加固措施及技术经济比较

1）换土法：如果该段采取清淤换填措施，则平均深度达3. 5m，工程量大，须换填达3.2万m3，工程造价近70万元。且工期长，地下水丰富，难以保证工程质量，一时又找不到如此大的弃土场。

2）基底生石灰桩加固：由于本段软弱层埋深达4. 0m，因而理论上采取生石灰桩加固的技术是可行的，但由于地下水位高、地层软、缩孔严重，再加人力操作，工程进展慢，满足不了工期要求。

3）粉喷桩加固：由于粉喷桩特别适用于对软弱地层加固，工程造价低，只需40多万元，能够满足设计及工期要求，因而本段加固措施采取粉喷桩。

（3）粉喷桩设计与计算

设计中应确定基本参数为桩径、桩距、桩长、桩的布置形式、固化剂掺入比等。

1）粉喷桩的桩径通常按粉喷钻机确定，目前常用的粉喷钻机钻径是0.5m。

2）固化剂掺入量通常为被搅拌土重量的7%～15%，可根据具体土质通过试验确定。本例中，固化剂为水泥和石膏，水泥掺入量为60kg/m，石膏掺入量为2.4kg/m。

3）粉喷桩桩径一般为1.0～1.5m，本例取桩中心纵向距（顺线路方向）为1.25m，横向距为1.5m，呈梅花状布置。

4）确定桩长可采用以下几种方法：

①因地质条件及施工因素限制桩长，或根据土层结构情况可以定出桩底标高时，应先按实际情况定出桩长；

②当搅拌桩加固深度不受限制时，应先通过室内试验选定固化剂掺入比和试验的无侧限抗压强度，求出单桩承载力，计算出桩长；

③根据总荷载和总桩数，先选定单桩承载力，然后求出桩长。本例中桩长取4.5m。

5）单桩竖向承载力设计值计算

单桩竖向承载力设计值可按下式计算取小值，或根据荷载试验确定

式中： ―粉喷桩单桩竖向承载力设计值，kN；

―桩周土的平均摩擦力标准值，由地质资料获得，取15kPa；

―搅拌桩桩周周长，经计算为1.57m；

L―粉喷桩桩长，取4.5m；

Ap―粉喷桩的截面积，经计算取0.2m2 ；

?k―桩端地基承载力标准值，由地质资料获得，无资料时可根据经验或其它类似工程资料选用，取150 kPa ；

―桩端土支承力的折减系数，可取0.4～0.6，本例取0.50。

将上述各量代入式中得： =121kN。

6）复合地基承载力设计值计算

式中：

―复合地基承载力设计值，kPa；

―粉喷桩的面积置换率，取11%；

―桩间土地基承载力标准值，取120 kPa；

―桩间土承载力折减系数，桩端为软土时取0.5 ～1.0：当桩端为硬土时，可取0. 1 ～0. 4；当不能考虑桩间软土的作用时，取零。本例取0. 75。

将各量代入式中得：?ap =150kPa 。

7）地基沉降计算

式中： ―桩土复合体的变形模量，Mpa；

―粉喷桩的变形模量，取60Mpa；

―桩间土的变形模量，取5 Mpa 。

将各量代入式中得： =11MPa。

8）群桩压缩变形计算

S1=（PC+P0）gL/（2gE0）

式中： ―群桩体顶面的平均压力，取150kPa；

―群桩体附加应力，经计算取值30kPa；

―实际桩长，取6m；

―桩土复合体的变形模量，Mpa。

将各量代入式中得： = 5cm，即复合地基沉降计算值为5cm。

3结语

粉喷桩是一种快速处理高等级公路软土地基，减少工后沉降较为合理的方法，工期比排水固结法短4～6个月，而且处理后的软基沉降量小。目前，高等级公路运营几年，该段情况良好。通过论述粉喷桩处理路基基础的试验、设计及施工，从而证实了粉喷桩是高等级公路处理软基基础的一种快速、实用、合理、行之有效的方法。但由于软基处理的复杂性，公路系统目前尚未制定统一的粉喷桩复合地基的设计、施工及质检规范，因此，在设计理论、机械及施工工艺、检测手段等方面有待于进一步研究和完善。

参考文献：

[1]王晓谋，袁怀宇.高等级公路软土地基设计与施工技术[M].北京：人民交通出版社.2001.

[2]李上红.公路工程施工常见地质病害处治技术[M].北京：人民交通出版社.2003.

[3]罗竟，邓廷权.路基工程现场施工技术[M].北京：人民交通出版社.2004.