粉喷桩技术加固软土地基
2015-04-14
0 引言
高等级公路跨越通航河流和上跨被交叉公路、通道的净空要求，往往造成桥头填土高达4～7m的路堤，这对于软土地基来说，则存在高路堤的稳定和沉降的问题。在保证路堤稳定情况下，高速公路桥头工后沉降量一般控制在10cm以内，若采用袋装砂井（或塑料派水板）预压排水固结法处理，常因需要的填土与预压期较长，给设计工作带来诸多难处，使得处理后地基难以达到预期效果。针对这一情况，设计采用了粉体喷射搅拌桩（简称粉喷桩）加固软土地基的新技术。
1 粉喷桩技术简介及水泥加固土原理
粉体喷射搅拌（DJMI法）是软土地基深层搅拌加固技术的一种。近年来，粉喷桩技术的应用在我国得到工程界的重视，发展很快，已广泛应用于公路、市政工程、工业与民用建筑软弱地基处理和坑壁支护工程，加固深度由15m提高到了18m。
粉体喷射搅拌法是将粉粒状加固材料（水泥、生石灰粉）搅合于软弱地基中，与原位土进行强制搅拌，使土与加固材料产生一系列物理化学反应，在改善土质性状的同时，提高起强度。目前采用的加固材料多是水泥，其原理如下：
1.1水泥的水解和水化反应
水泥主要有硅酸盐、铝酸盐以及硫酸盐组成，当水泥遇土中水时，水泥中的表面矿物与水发生水解、水化反应，生成氢氧化合物和含水盐化合物，其中易溶于水中，水泥颗粒表面又暴露出来，继续与水作用，如此反复直到水溶液饱和，形成凝胶体。这种反应减少了软黏土中的含水量，增加土颗粒之间的粘结力。
1.2离子交换与团粒化作用
水泥水化后，水泥水化产物的C a2+ 与天然土中胶体微粒的阳离子进行等量的吸附交换，使大量的土粒形成较大的土团，同时水泥水化形成的凝胶粒子的表面积远远大于原水泥表面能，强烈的吸附能力，结合大土团粒形成水泥土的蜂窝结构，并封闭各土团之间的孔隙形成坚固的联结体。
1.3 硬凝反应
随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的Ca2+，当其数量超过离子交换的需要量时，在碱性环境中与粘土矿物中AL2O3与SiO2反应，生成不溶于水的稳定的结晶矿物，这种化合物在水中与空气中逐渐硬化，增加了土的强度，且由于水分不易侵入而具有足够的稳定性。
1.4 碳化反应
水泥中游离的Ca（OH）2或空气中的CO2反应生成不溶于水的CaCO3使软土固化，提高土的强度。
2水泥土的力学特性
2.1 水泥土的无侧限抗压强度及其影响因素
水泥土的无侧限抗压强度qu一般为300～400kpa，比天然软土大几十倍至几百倍，变形特征随强度不同而介于脆性和弹性体之间。水泥土受力开始阶段，应力与应变关系基本上符合胡克定律。当外力达到极限强度时，对于强度大于200kpa的水泥，很快出现脆性破坏，对于强度小于2000kpa的水泥土则表现为塑性破坏。
⑴水泥土强度受水泥掺入比、龄期、土的含水量、有机质含量等因素影响。（见图1）水泥土强度随着水泥掺入比аw 增加而增大，当аw <5%时，水泥与土的反应过弱，水泥土固化强度低，强度离散性大。在实际施工中，宜选用水泥掺入比不小于7%，一般为10%～20%。沪宁高速公路苏州段根据土的含水量不同，分别选用了两种水泥掺入比：10%和15%。与此同时，水泥土随着龄期的增强强度亦呈增大趋势，水泥土龄期超过28d后，强度仍有明显增加，龄期超过90d后，水泥强度增长缓慢，因此，一般以养护龄期3个月的强度作为水泥土的标准强度。
⑵水泥土的强度随土样含水量降低而增大。另外，当土中有机含量大于10%时，加固效果差，这类土不宜纯采用水泥进行加固。
2.2水泥土抗剪强度和变形模量
水泥土抗剪强度随着抗压强度增加而提高。当qu=500～4000kpa，其粘聚力C=100～11000kpa，一般约为qu的20%～30%；其内摩擦角变化在20。～30。之间。水泥土受到剪切破坏时，剪切面与最大主应力夹角约为60。。
当水泥土qu=300～4000kpa时，其变形模量为E50=40～600Mpa，即E50=（120～150）qu
3粉喷桩的计算
地基处理设计工作的第一步是进行选择和比较，一般而言，应根据工程要求、岩土特性和技术能力三方面因素，通过技术经济分析、对比确定。
3.1 粉喷桩的单桩计算
承受垂直荷载的粉喷桩一般应使土对桩的支承力与桩身强度所确定的承载力相近，并使后着略大于前者最为经济。因此，粉喷桩的单桩设计主要是确定桩长和选择水泥掺入比。
当粉喷桩的桩身强度足够大时，单桩极限承载力取决于桩侧土的极限摩阻力；若受软土的工程性质限制，粉喷桩桩身强度较小，当粉喷桩承受垂直外荷载时，在侧摩阻力远未达到极限时，桩身就开始屈服，因此，桩身强度低的粉喷单桩极限承载力取决于桩身强度。粉喷桩的单桩容许承载力可按下列二式计算，取其中较小值
Pα=1/2（fuSL+αApRu） ⑴
若Pα=1quAp⑵
式中：Pα—单桩容许承载力，KN
fu—桩侧土的平均极限摩阻力，KPa
S—粉喷桩周长，m
Ap—粉喷桩截面积，m2
L—粉喷桩桩长，m
Ru—桩端土的极限承载力，kpa
qu —与粉喷桩桩身水泥土配比相同的室内水泥土的无侧限抗压强度，kpa
α—桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6
l—强度折减系数，可取0.35～0.50
