粉喷桩在地基处理中的应用

摘要：场地地基土的工程地质性质不能满足工程建筑对地基的要求，文章通过对几种地基处理方法的分析比较，选用粉喷桩复合地基处理方法，并对粉喷桩复合地基处理的参数进行了设计。

关键词：粉喷桩；复合地基；地基处理；地基承载力

喷粉桩即深层搅拌喷粉桩，它是深层搅拌桩的一种，其施工机理是以水泥、石灰等作为固化剂，利用深层搅拌机械，将固化剂用压缩空气喷入地基深处，凭借搅拌机的回转钻头叶片使加固料与原位软土进行强制搅拌、压缩，并吸收周围水分，经过一系列物理化学作用，生成一种特殊的具有较高强度、较小变形和较好水稳性的混合柱状体，桩和桩间同承受上部荷载，形成复合地基，从而提高软土地基的强度、减少地基的沉降量，可收到良好的技术效果和经济效益。

一、工程概况

鹤壁丰鹤发电有限责任公司废水处理池及处理室，位于杂填土层之上，为钢筋砼结构，总面积约2300m2。设计要求地基承载力特征值不小于130KPa。地基埋深1.5m，基础宽度1.8m。

根据岩土工程地质勘察报告，在勘探深度范围内，场地各土层自上而下分为：

第1层：杂填土。为碎砖瓦、炉渣，粉质粘土等混合回填物，层厚1-3m。

第2层：粉土。土黄色，褐黄色及褐灰色，流塑-可塑，局部地层上部及底部夹粉细砂透镜体。湿，中密，局部含粉砂。上部0.5m为暗褐色耕土。层厚1.5-4.9m。

第3层：粉砂-中砂。褐黄，黑灰色，以细砂为主，局部含砾石。个别地段夹粉质粘土透镜体，层厚0-2m。

第4层：淤泥质粉质粘土。褐黄，褐灰色，流塑-可塑，很湿-饱和，下部含瓦片。层厚2.4-4.65m。

第5层：粘土。褐灰色，可塑-硬塑，夹薄层粉质粉土。厚度约3.7-6.9m。

第6层：粉质粘土。黄灰、褐黄色，软塑-硬塑，厚度3.0m以下富含姜石，本层钻探未揭穿。厚度大于4.6m。

各单元土层的物理力学性质见表1。

场地地下水属于第四系潜水类型，地下水位埋深0.84-1.90m，地下水位受季节性变化，年变化幅度为1.5m左右，蒸发是地下水排泄的主要方式。根据水质分析结果，地下水具弱腐蚀性。

由设计资料可知，商住楼基坑开挖深度1.5m，要求地基承载力大于130kPa。基底持力层应为第2层粉土，该土层承载力标准值仅80kPa，不能满足建筑要求，必须进行地基处理。

二、地基处理方案的选择

地基处理方案是根据场地的工程地质特点、建筑物的要求再结合每一种地基处理方法使用范围及处理效果，从经济技术的角度综合考虑适合本场地的地基处理方法。从本场地地层情况、水文地质条件、上部结构对地基要求及工程造价的角度考虑，可选用碎石桩法和粉喷桩两种地基处理方式。若选用碎石桩复合地基，一方面，桩间土的挤密效果不明显，且桩长大于2.5倍的基础宽度时，增加桩长对复合地基承载力提高不大，若想提高地基承载力，只有增加置换率，这样就提高了工程造价，另一方面碎石桩施工时噪声较大且泥浆污染严重，周围的环境不允许；本场地在勘探深度范围内是以粉土、细－中砂、淤泥质土，粉质粘土组成的一套地层、水位埋深0.84-1.90m，设计要求地基承载力130kPa，而天然地基承载力仅为70kPa，粉喷桩复合地基处理适合处理本场地地基，从经济上分析，造价比较便宜。因此，综合建筑物对地基的要求、建筑场地地下水位埋深，并考虑场地周围环境条件，决定采用粉喷桩进行地基处理。

三、复合地基的设计

（一）复合地基设计参数

粉喷桩复合地基设计主要确定搅拌桩的桩长、置换率（桩径和桩距）和褥垫层厚度及材料。

1、桩长。粉喷桩要求桩端落在较好的土层上，桩长是复合地基设计时首先要确定的参数，它取决于建筑物对承载力和变形的要求、土质条件和设备能力等因素，根据岩土工程勘察报告中提供的各土层的具体工程特性，桩端持力层应为第5层粉土，桩长为8.5m。

2、桩径。桩径取决于设计时所选用的施工设备，由于施工采用螺旋钻机成孔，成孔直径Φ500mm，桩径取500mm。

3、桩距。根据设计要求的复合地基承载力、地基土的性质及设计桩长，桩距取1m，置换率为16.15%。

4、褥垫层的厚度。褥垫层材料宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石，厚度宜取20-30。本工程褥垫层厚度取20cm的中粗砂。

（二）单桩竖向承载力

夯实水泥土桩的承载力标准值可通过载荷试验确定。初步设计时可由下式计算：

式中：

Ra――单桩承载力特征值；Up――桩周长；qsi――桩周第i层土的侧阻力特征值（kPa）；n――桩长范围内所划分的土层数；li――第i层土的厚度；qp――桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa）；Ap――桩截面积；α――桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4-0.6。

根据计算结果并考虑安全系数，单桩承载力取117kN。

（三）复合地基承载力和变形计算

1、复合地基承载力计算。实际布置采用矩形，桩中心距1.0-1.1m，排距1.1m，最小置换率16.20%大于初步设计置换率，实际布桩2214根。在正常条件下，粉喷桩的承载力标准值应通过载荷试验确定。但在初步设计时可由下式计算：fspk=m +β（1-m）fsk。式中：fsk――复合地基承载力特征值（kPa）；m――桩土面积置换率；β――桩间土承载力折减系数；fsk――桩间土承载力特征值（kPa）。根据勘察报告土的物理力学性质和复合地基设计有关资料计算得出复合地基承载力为135kPa.

2、变形计算。复合地基的变形包括加固区的变形量和下卧层的变形量，计算变形的方法采用复合模量法。即计算时复合土层分层与天然地基相同复合土层的模量等于天然土层模量的ξ倍，加固区和下卧层土体内的应力分布采用各向同性均质的直线变形理论。计算结果复合地基的最终沉变形量为44.3mm，在建筑物允许范围之内。建筑物建成后，沉降观测值仅为19mm，而处理前假设地基在不破坏的情况下，理论计算的地基最终沉降量为138mm。证明了地基处理大大减小了地基沉降量。

四、复合地基施工

（一）水泥掺入比的确定

粉喷桩加固材料选用业主指定的32.5级普通硅酸盐袋装水泥，通过室内45kg/m、50kg/m、55kg/m三种灰剂量的配比和试件抗压强度试验发现：随着水泥掺量的增加，试件的无侧限抗压强度明显增加；且不同掺灰量的水泥随着龄期的增长，其无侧限抗压强度明显增加。在保证质量、节约成本的前提下，选用50kg/m的掺灰量。

（二）施工工艺

复合地基施工时，采用螺旋钻机成孔，成孔直径Φ500。钻机以慢速启动钻进，正常后换中速钻进，当钻头接近设计深度时换回慢速钻进，钻头在原位转动1min。为保证钻杆中送粉通道的干燥，从钻进开始到喷粉期间应连续输送压缩空气；在确认水泥粉喷至孔底后，以1.08m/min的速度反转提升，在提升的同时连续喷粉，当提升到设计停灰标高后，应慢速在原地搅拌1-2min；为保证桩体中水泥粉更均匀，须再次将钻头下钻到设计深度，提升复搅时，速度仍控制在1.08m/min。地基处理完毕，清槽时，要将桩头清平，上铺20cm的中粗砂垫层，以调整桩、土应力比。

五、质量检测

本次施工共布桩2214根，实际置换率为16.20%，满足设计要求。施工过程中对成桩质量进行了检查，在成桩过程中随时随机抽取了30根桩，在成桩3天内，用N10轻便触探仪进行强度检测，检测结果满足质量要求；完工后又委托有关单位进行了动力检测，动测抽查了223根桩，其中Ⅰ类桩89根，占40%，Ⅱ类桩134根，占60%，没有发现、类桩，桩身质量满足设计要求；工程粉喷桩施工完28天后，随机抽取3根桩进行单桩静载荷试验，最大加载量为280kPa，试验曲线均为缓变形曲线，没有出现转折点，说明复合地基载荷试验承载力全部大于140KPa，也达到设计要求。

六、结束语

粉喷桩复合地基能够很好地解决工程建筑对地基的强度和变形要求，从该工程来看，地基处理后承载力标准值提高了近2倍，超过了140kPa；同时也能够解决建筑地基沉降问题，采用夯实水泥土桩复合地基处理后，地基变形计算值为44.3mm，建筑物建成后沉降观测值仅为19mm。

粉喷桩的施工必须根据其加固的地基土质、成桩机理和工艺原理，严格按钻进成桩工艺步骤进行，特别要控制提钻速度（喷灰量）和搅拌次数这两个重要钻进成桩参数，保证桩体喷灰充足、搅拌均匀，使桩身连续性和整体强度均满足设计要求。

在粉喷桩的施工过程中和施工完成后均要加强质量检测工作，以验证粉喷桩施工质量是否满足工程设计要求。

参考文献：

1、闫明礼.地基处理技术[M].中国环境科学出版社,1996.

2、中国建筑科学研究院.建筑地基处理技术规范（JGJ-2002）[M].中国建筑工业出版社,2002.

（作者单位：鹤壁丰鹤发电有限责任公司）

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”