浅析粉喷桩技术在软土地基处理中的应用

摘要 ：用粉喷桩对地基进行深层处理的技术已在公路、铁路、水利、市政工程等许多领域广泛使用。南水北调中线一期引江济汉渠道4标穿海子湖段围堰填筑淤泥质土地基加固采用粉喷桩施工技术。喷粉搅拌施工过程中，其技术关键是根据设计要求喷灰量如何选择好有关施工参数，并在操作工艺上完全实现，实践证明, 粉喷桩具有经济、环保、施工方便等优点, 已在地基处理中被广泛应用, 并获得了良好的工程效果和社会效益。

关键词: 粉喷桩, 弱膨胀土, 地基承载力

水利工程大多为软土地基，而建筑物直接置于这种天然地基上，多数都会出现较大的不均匀沉降，建成时间不长即成为病险建筑物。南水北调中线一期引江济汉工程渠道4标穿海子湖段淤泥质土地基加固（粉喷桩施工）。勘探揭示穿海子湖段地层从上至下为：①淤泥（Q3al）、②淤泥质粘土、③粘土、④壤土、粉质壤土（Q3al）、⑤砂壤土（Q3al）和⑥粉细砂（Q3al）。海子湖倒虹吸进出口建筑物地基持力层为③粘土，fk=170kPa。平管段地基持力层为④壤土，fk=240kPa。工程区为弱膨胀土。因此，依托我局承建的南水北调中线一期引江济汉工程渠道4标土建及金结设备安装工程，开展穿湖段淤泥质土地基加固施工技术研究，不仅对依托工程施工过程有重要的指导，对依托工程运行安全有重要的参考，也必将提升我局在地基加固施工的技术水平和理论水平，并在拟建类似项目地基加固施工中有广阔的应用前景。

一：粉喷桩软基处理技术简介

1.粉喷桩对地基的改善和加固机理。粉喷桩是通过深层搅拌机械,利用水泥或石灰作为固化剂与软土强制搅拌所形成的水泥土桩或石灰桩。由于水泥强行喷入软土以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，这些化合物中的钙离子与黏土中的矿物质二氧化硅和三氧化二铝进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，使土颗粒集结胶合成较大的团粒，进而改善土的物理力学性能；粉喷桩的桩体界于刚性桩与柔性桩之间，它与桩间土形成复合地基，可以大大提高地基承载力，有效地减少地基沉降，从而达到加固处理软土地基的目的。

2.粉喷桩软基处理技术的优点。该技术具有良好的整体稳定性、防渗性、施工速度快和造价低等优点，被广泛应用在水利工程的施工中。

（1）整体稳定性和防渗性。粉喷桩由于其桩身强度不是很高，仅相当于C5~C10的混凝土强度,故能与桩间土体共同作用形成复合地基，使其表现出良好的稳定性。同时，由于粉喷桩的置换效率比刚桩性要高，且具有较好的防渗效果，故比较适宜在水利工程中应用。

（2）施工速度快、造价低。由于粉喷桩特殊的施工工艺，保证了其较快的施工速度，每天每台机械可成桩500～800m，比普通混凝土桩机进度快得多。施工中使用的原料价格低廉，使工程造价低，具有较好的经济效益。

二：工程水文地质条件

1水文气象

引江济汉工程区域属亚热带季风气候，四季分明，具有霜期短，日照长，雨量充沛等特点，区内多年平均降水量1042.4～1079.7mm，多年平均蒸发量1285.8～1314.5mm左右，多年平均气温16.2～16.5℃，极端最高气温38℃以上，极端最低气温为-15℃左右，风向以东北风及偏北风为主，夏季以偏南风为主，年平均风速2.3～2.4m/s。

2地形、地质

海子湖倒虹吸处渠底高程约26.3m，勘探揭示此处地层从上至下为：①淤泥（Q3al）、②淤泥质粘土、③粘土、④壤土、粉质壤土（Q3al）、⑤砂壤土（Q3al）和⑥粉细砂（Q3al）。

倒虹吸进出口建筑物地基持力层为③粘土，fk=170kPa。平管段地基持力层为④壤土，fk=240kPa。

三：设计方法

1.水泥土参数选择。在决定采用粉喷桩处理时，要对原状土的化学成分、天然含水量、黏粒含量、有机物质含量以及pH值进行测定，并对不同水泥类型和掺入比的水泥土进行无侧限抗压强度、抗折强度、抗剪强度和压缩模量等试验，据此确定水泥土渗入比。

2.单桩容许承载力、水泥掺入比和桩长的确定。单桩承载力应根据室内配方试验提供的桩身强度及地质报告提供的土层摩阻力按下列公式估算，取其最小值。有其他条件限制时，可通过单桩荷载试验验证。

P=η×Pf×Ap， （1）

P=Up×Σfi×Li+α×Ap×qp。 （2）

式中，P为单桩容许承载力（kN），Pf为桩身强度（kPa），η为桩身强度折减系数（可取0.3～0.4），Ap为单桩截面积（m2），Up为桩周长（m），fi为桩周围第i 层土的容许摩阻力（淤泥取5~8kPa，黏性土取12~15kPa），Li为桩在第i 层土中的长度（m），α为桩尖天然地基土的承载力折减系数（可取0.4～0.6），qP为桩尖天然地基土的容许承载力（kPa）。

3.桩位平面布置及置换率计算。粉喷桩平面布置以桩距最大和便于施工为原则，可采用桩式加固、格子式加固、壁式加固和块式加固等布置。

αs=（σsp-β×σs）/（P/Ap-β×σs）， （3）

n=A×αs / Ap。（4）

式中，σsp为设计要求的地基承载力（kPa），σs为桩尖土天然地基容许承载力（kPa），β为桩尖土承载力折减系数（软弱土层取0.5～1.0，硬土层取0.1～0.4），αs为置换率，P为单桩容许承载力（kN），Ap为桩断面积（m2）。

4.复合地基承载力计算。用粉喷桩技术形成的复合地基，其承载力要按式（5）估算，有条件时宜通过复合地基荷载试验验证。

σsp=αs×σp+（1-αs）×σs× β。（5）

式中，σsp为复合地基容许承载力（kPa），σp为桩身容许承载力（kPa），σs为桩尖土天然地基容许承载力（kPa），β为桩尖土承载力折减系数（桩尖为软弱土层取0.5～1.0，为硬土层取0.1～0.4）；αs为置换率（αs=n×Ap / A，n 为桩根数，Ap为加固总面积）。

四：施工应用中应注意的问题及建议

1.工程适用范围。粉喷桩软基处理技术加固较弱土层并不是适用于所有类型的工程，对于沉降变形要求较高的建筑物不宜采用，尤其是淤泥质土层较厚时，最好不要采用粉喷桩加固。因此，要有充足的把握不会产生超规范的沉降变形时才可采用。有些地区的有关规范规定6层以上建筑物不宜采用粉喷桩加固。

2.土层的选择。粉喷桩软基处理技术适合应用在加固天然含水量大于30%的淤泥质土、黏性土和粉质黏土，但并不是适合于所有的淤泥土层，当地基土pH值大于4或天然含水量大于70%时不宜使用。如，古河道中淤积的含有大量有机物或者是悬移游动性的淤泥，水泥不易与其产生水化作用硬结一体，有的根本形不成柱体，有的虽呈柱体但非常松软，承载力极其低下。还有垃圾土，也不适合采用粉喷桩进行处理。因此，设计人员在设计前应仔细研究土层的地质条件和土质特征。

3.固化剂的选择。施工规范中规定水泥和石灰都可作固化剂，水泥建议采用矿渣水泥。根据试验结论，矿渣水泥的前期强度低于普通硅酸盐水泥，而后期强度则相反。所以，从经济后期强度方面考虑应用矿渣水泥。

4.计算中应注意的问题。考虑到粉喷桩端部喷粉量较小，且原状土已被扰动，故一般不计粉喷桩端部的支承力，但对长度小于10m的桩，则应计及粉喷桩端部的支承力，粉喷桩设计时通常应使土对桩的支承力与桩身强度所确定的承载力相近，并使后者略大于前者。设计时应注意：当地质条件、施工条件等限制粉喷桩加固深度时，可先确定桩长L，再按式（2）计算单桩容许承载力P，然后根据P再求水泥掺入比；当加固深度不受限制时，可根据室内强度试验先确定水泥掺入比，求得水泥土强度即桩身强度Pf，然后按式（1）计算P，最后按式（2）计算桩长L。在实际工程中，一般均取水泥掺入比为15%，这样可先拟桩长，然后根据式（2）求出P，再根据式（1）求P，取其小者，一般式（2）求出的P应小于式（1）求出的P，再根据P计算置换率。

五：施工场地应注意的问题。

（1）施工机械进出场的道路及桥梁，必须满足10t加长卡车及10t吊车的行走要求。

（2）地下、地表障碍物必须清除。地下障碍物（如大石块、树根、地下管线）会使粉喷机无法下钻，甚至损坏钻头。粉喷钻机井架高10~20m，与高压线的距离应符合安全规定。

（3）粉喷钻机在场地上行走的接地压力为34kPa，场地上土质较差时，应铺设垫层。

6.操作人员注意事项。

（1）应控制钻机下钻深度、喷粉高程和停灰面，确保粉喷桩长度，严格禁止没有粉体计量装置的喷粉机投入使用。

（2）应定时检查粉喷桩的成桩直径及搅拌均匀程度，对使用的钻头应定期复核检查，其直径磨耗量不得大于20mm。

（3）在喷粉成桩过程中，遇有故障而停止喷粉时，第二次喷粉接桩时，其喷粉重叠长度不得小于lm；粉喷桩桩长大于10m时，其底部喷粉阻力较大，应适当减慢钻机提升速度，以确保加固料的设计喷入量。

（4）施工中要注意调整风压，当在软弱淤泥土层中喷灰风压过大时，会把水泥吹向边缘，导致桩身四周呈水泥硬壳，质地坚硬，而桩的内部则松软不成形。

六：粉喷桩的检测

粉喷桩施工的检测主要注意2个方面：

一是施工中的检测。施工中检测主要是检查桩位、桩长、喷灰量、复搅长度以及是否进入硬土层等。对进场水泥，一般每100t抽检一次。

二是成桩后的检测。对成桩的检测一般是在成桩28d后，在桩体上部开挖截取3段进行桩身无侧限抗压强度试验及检查桩径。检查频率为1‰～2‰。在桩中心用钻机采取岩芯，检查桩身的连续性和桩长，对每个场地可进行2～3个原位静载荷试验，检测复合地基的承载力。

七 结束语

利用粉喷桩对地基进行深层处理的技术，经40多年的实践总结，目前已日趋成熟。南水北调中线一期引江济汉工程渠道4标土建及金结设备安装工程的穿湖段淤泥质土地基加固施工，由于水文及地质条件复杂，主体建筑物等级高，施工工期紧，受季节降水影响变化大，汛期施工，湖面宽阔风大浪高风险很大，部分地段可能存在基坑涌水问题。穿湖段施工关系到本标工程建设的成败。施工难度大，施工程序较复杂。因此，依托我局承建的南水北调中线一期引江济汉工程渠道4标土建及金结设备安装工程，开展穿湖段淤泥质土地基加固施工技术研究，具有重要的科学意义和工程应用价值。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。