粉喷桩加固地基技术工程应用案例研究
2015-12-03
一、技术简介：
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。深层搅拌法是加固饱和软粘土地基的一种新颖方法，它是利用水泥、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(浆液状和粉体状)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理一化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的优质地墓。
二、应用案例：
公路项目：沪宁高速公路昆山试验段实践证明，采用粉喷桩方法加固软土地基具有许多优点：如能有效地减少地基的总沉降量，与排水固结法相比总沉降量能减少25％～49％，这对控制路堤的工后沉降和解决桥头"跳车"具有明显的效果，具体表现在地基加固深度内沉降量的大幅度减少。经加固后路基在填筑过程中侧向位移明显减少，实测的最大侧向位移仅6～7cm。与排水固结法在相同条件下相比，侧向位移减少60％～70％，而且在较短时间内即趋稳定。侧向位移的减少，不仅能增加路基的稳定，特别在桥涵与路堤连接处保护桥台桩基不受过大的侧向推力，而且也减少地基的沉降。粉喷桩复合地基能提高地基土的承载力，适应快速填筑施工，与排水固结法相比，可以允许有较高的填土速率。
铁路项目：京广线武广电化改造工程粉喷桩加固软基主要集中在新建京广上行线J2K1214+680～J2K1215+700段。施工组织方案设计考虑新建京广上行线与既有京广上行线紧邻，两线间距仅5.0m，且京广线已提速，软基处理对既有路基会产生较大的牵引沉降。为保证工期要求，减少沉降量，及保证既有京广上行线路基的稳定，设计采用粉喷桩加固。方案重点强调三个方面：①粉喷桩按正三角形布置：桩径0.5m,间距1.4m,排距1.2m，平均深10m，单桩竖向承载力标准值为80kn，复合地基承载力标准值为100kpa，共计15246米/1498根。 ②粉喷桩加固料采用325号水泥，喷灰量应保证每延米45kg±5kg，距地面0.5m为停灰面。 ③粉喷桩竣工28天后，应采用单桩复合地基静载试验确定复合地基承载力，抽检频率为0.5%，试验完成后方可填土施工。
该段软基经粉喷桩加固前后通过实验得出的强度及变形特征:详见下表
强度龄期及变形指标 天然地基 7天 28天 3月
无侧限抗压强度qu(Kpa) 27 454 785 1209
剪强度指标 C(kpa) 8 101 178 330
∮(°) 7°41ˊ 1°59ˊ 38°53ˊ 35°45ˊ
压缩系数a(MPa) 0.6 0.07 0.07 0.05
侧限变形模量 Eo(MPa) 3.2 27.4 27.4 37.7
从表中可以看出,采用粉喷桩加固大大提高了地基强度和减少了地基沉降变形。
三、粉喷桩施工主要工艺与流程
粉喷桩施工采用粉喷桩专用机械设备，成桩直径遵照设计。
1、 施工现场的准备工作
（1）施工现场配备各种计量仪器设备，做好计量装置的标定工作。
（2）对现场的水泥等原材料进行试验工作, 施工前根据每个断面的实际状况进行室内配比试验，确定每延米的喷粉量。
（3）根据施工图纸画出桩位平面布置图，并报请测量工程师批准。
（4）根据桩位平面布置图，在施工现场用钢尺定出每根粉喷桩的桩位，并用竹签插入土层做好标记，每根桩的桩位误差不得大于5cm。同时做好复测工作，在以后的施工中应经常检查桩位标记是否被移动，确保粉喷桩桩位的准确性。
（5）在施工现场搭设水泥棚，水泥棚的底部用土填高，使之比周围地面高出30cm～50cm，并铺设一层木板，然后铺设一层彩条布，最后再铺设一层塑料薄膜，以确保水泥不受潮变硬。
（6）对进场的机具设备进行组装和调试，确保机具的完好率，保证满足施工要求。
（7）一切准备工作结束后，提出书面开工申请，并请监理人员到场进行试桩，以确定成桩的各项技术参数。一般试桩应达到以下要求：
a、 工艺试桩：每台粉喷桩机施工前应按规定进行工艺试桩，确定好各项技术参数（钻进速度、喷粉提升速度、提升时的管道压力、复搅下沉速度等），并将试桩报告上报监理组。
b、水泥搅拌的均匀程度，掌握下钻及提升的困难程度，确定合适的技术处理措施。成桩试验的桩数不应少于5根。当遇到新的施工段落时应重新进行试桩工作。
（8）在试桩5～7天后随机选择桩位进行全程取芯，取芯时有业主及监理工程师在场。工艺性试桩结束后时整理各种技术参数，资料上报至监理工程师，得到认可后再全面开工。
2、施工方法
（1）定位：按设计图纸（桩位平面布置图），现场用钢尺定出粉喷桩桩位，并用竹签插入土层作标记，误差不大于5cm，机具移至桩位处并使钻头正对竹签，复核机架的垂直度使钻杆倾斜度不大于1%，钻尖对准桩位。
（2）启动空压机送气，钻机正转并垂直钻进。当控制双螺旋搅拌头到达设计桩底标高后停止钻进，钻头原地旋转，严禁停钻。钻机反向转动，启动送灰机送灰，待水泥送至喷灰口（一般约一分钟）后再提升钻头，根据电子称重装置显示的喷灰量调节调速电机，这样边喷粉，边搅拌，边提升，使软土和固化材料充分混合。
（3）当钻头提升至设计标高上0.5米时停止送灰，钻头正向旋转，进行复搅并复喷，复搅深度及复喷深度应按图纸设计要求。当钻头提升到距地面30～50cm时，发送器停止向孔内喷射粉料，成桩结束。这时由于装置的回路是封闭的，粉体不会向空中喷射和飞散。在向土体喷射过程中的最后阶段，在搅拌钻头距地面30cm处停止喷粉，粉粒不会溢出地面。
（4）复搅结束后，关闭空压机，消散所有管道压力，钻机主电机停机。
（5）钻机移位，重复上述过程进行下一个桩位施工。
四、粉喷桩法加固软基的比较优势与不足
1、粉喷桩法加固软基的比较优势
软土路基加固方法，主要有沙井法、水泥浆搅拌法、旋喷法等，粉喷桩加固法在近年得到普遍应用，技术成熟，成为设计、监理、建设及施工单位优先选择的方法。相比于其它方法，粉喷桩加固法有其自身的优势。
（1）与沙井法比较：粉喷桩能有效控制建（构）筑物过大沉降问题，而沙井法不能做到，同时沙井法施工速度慢，施工中容易出现不连续、颈缩等现象。
（2）与水泥浆搅拌法比较：水泥浆搅拌法在搅拌时需加水，而水泥水化时仅需总水量的5～10%，故多余水份将流入桩间土中，而降低桩强度。而粉体搅拌法施工过程中不须加水，与水泥发生水化作用的水是从天然状态的土中吸取，故使加固体及其周围的土强度增加。
（3）与旋喷法比较：旋喷法不能起排水固结作用，且成桩直径不固定，设备要求压力高（20～30MPa），成本高。而粉喷法没有这些缺点。
2、粉喷桩法存在的问题与不足
粉喷桩法已在工程实践中得到普遍应用，但在实际应用中尚有一些问题需要进一步探讨，有一些缺点需要克服。
（1）粉喷桩的支承式与悬浮式对沉降的影响。目前高速公路不断向沿海近海地区延伸，遇到的深厚软土越来越多，而且是现有粉喷桩机所达深度远远不及的。如何来解决这个问题，除了进一步提高机械设备的性能外，在设计理论上也需要有一个突破。
（2）地基土含水量对粉喷桩质量的影响。粉喷桩质量的优劣主要反映在粉喷桩的强度指标上，这不仅与掺入粉体的质量、施工工艺、地基土的性质有关，其中尤以含水量的关系甚为密切。
（3）粉喷桩复合地基承载力和粉喷桩单桩承载力的关系。只有当天然土的强度也增强时，整个复合地基的强度才会增加。所以桩的强度应适度，要和天然土的强度相互匹配。
（4）桩土置换率及粉体掺入量对复合地基强度的影响。软土中含水量大于70％，必须加大粉体掺入量，否则将形成不了桩体或形成强度达不到要求的桩体，不能满足设计要求。
