高速公路粉喷桩施工探讨

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摘要 ： 软土地基采用粉喷桩处理效果较显著，本文根据栖萊线七合同段粉喷桩处理软土地基的施工及检测情况，提出了一些新的看法和注意事项，为以后类似情况处理提供经验。

关键词 ： 软土地基；粉喷桩

中图分类号：U415 文献标识码：A

一、工程概况

栖萊线高速公路七合同段全长13.2Km，其中K81+300~K85+300段为软土地基。本段场地内表层为第四系河流冲积层，下伏基岩为侏罗系泥质粉砂岩（K），在勘察深度内可分为六层，自上而下分别为：50cm种植土和70~110cm低液限粘土—粉土，100~280cm的淤泥—淤泥质土，130-350cm低液限粘土 —粉土、粘土—粉土质中砂，480cm细粒土—粗砾砂层，150cm残积土，40~60cm强风化泥质粉砂岩，地质情况见表一：

地 层 地 质 结 构 表 表一

地质编号 时代成因 层底标高（m） 分层厚度（m） 岩土名称及其特征 承载力容许值（Kpa）

①-1 Q4ml 2.75~3.65 0.5 种植土:黄褐色，松散状态，稍湿，以粘性土为主，含大量的植物根系 90

①-2 Q4al 2.25~3.15 0.7~1.1 低液限粘土粉土（褐黄色，可塑，湿，含较多的铁锰结核，含水量大原中细砂 110

② Q4l 1.47~2.45- 1.0~2.8 淤泥质淤泥质土：黑灰色，流塑软塑状态，饱和，含有机质，属低液塑粘土。 60

③-2 Q4l -1.25~-1.47 0.8~2.1 低液限粘土粉土：黑灰色，软塑状态，饱和含有机质 100

③-3 Ql -2.05~1.15 0.5~1.4 粘土粉土质中砂：灰色，松散状态，饱和，以中砂为主，含少量的淤泥有机质 110

④ Q4al -1.15 4.8 细粒土—粗砾砂层：褐黄色，中密状态，饱和，以粗砾砂为主 230

⑤ Q3el 1.5 残积土：紫红~褐紫色，稍湿，硬塑，呈土状，为泥质粉砂岩残积土 200

⑥ K 0.4~0.6 强风化泥质粉砂岩：紫红色，泥质层状构造，原岩矿物风化呈土状， 400

本段路基原设计为等载预压，预压期不少于6个月，因地势低洼（海拔0m左右），地下水较高，地表在雨季积水1m左右，我们采用挖沟排降水后部分地段仍不能达到压实度要求，并且等载预压时间太长，不能满足工期要求，通过碎石桩、砂井桩、粉喷桩等方案比选后，决定采用粉喷桩进行地基加固处理。

二、粉喷桩设计参数的确定

1、设计依据及方法：粉喷桩的设计现行规范是假定桩与土形成的复合地基产生等位移，运用弹塑性理论，进行条件简化，计算最不利破坏值来确定单桩承载力和复合地基承载力的。

2、单桩承载力：粉喷桩的单桩承载力沿用一般单桩的计算方法，首先计算一定桩长水泥粉喷桩的承载力，然后再用水泥粉喷桩的桩身单轴抗压强度qu作为控制指标来校核，取二者较小值作为单桩承载力的标准值。

［P］=πD∑Ljfsi+m0Ap［σ］

［P］=KquAp

其中：［P］—单桩容许承载力；

D—桩径；

Lj—桩穿过各层土的长度；

fsi—各层土的摩阻力，KPa；

m0—桩底支承力折减系数；

Ap—桩截面面积，m2

［σ］—桩尖所处地基的容许承载力，KPa；

K—水泥土安全系数，一般取值0.3~0.4；

qu—水泥土的强度，Kpa；

复合地基承载力：在荷载作用下，桩间土由于受到四周桩的水平约束作用，加大了桩间土对桩体的侧(围)向压力，从而使单桩极限承载力提高，而桩间土也得到一定的固结，加固后复合地基承载力大大提高。

Rf=mσpf+λ（1-m）σsf

Rf—复合地基承载力，Kpa；

m—置换率，%，m=AP/A，

其中AP为桩体总截面面积，A为加固地基总面积；

σpf—单桩的极限承载力，用压桩试验校核，KPa；

σsf—天然地基极限承载力，用荷载试验确定，KPa；

λ—桩间土承载力折减系数，在0.4~1.0之间，当桩端为软土时，λ=0.5~1.0,当桩端为硬土时,λ＜0.5，当不考虑桩间软土作用时，λ=0。

因有复合地基等位移的条件，用下式对复合地基承载力进行验算：

σp=RfUp≤［P］/Ap

σs=RfUS≤Rs

其中:σp—粉喷桩承受的压应力，Kpa；

σs—桩间土承受的压应力，Kpa；

Rs—桩间土容许承载力，Kpa；

μp—应力集中系数，μp =n/（1+（n-1）*m）

μs—应力减少系数，μs=1/（1+（n-1）*m）

n—桩土应力分担比，n=EP/ES=σp/σs，其中EP为粉喷桩的弹性模量，ES为桩间土的变形模量；

3、设计指标：根据作用在软基上的荷载、土体物理力学指标等数据，通过计算及验算，最后确定了此段粉喷桩的设计为：粉喷桩直径50cm，桩长设计为5m，桩长可根据实际情况予以调整，以穿过淤泥层为准。桩身无侧限抗压强度为2400Ka，单桩承载力347KN，复合地基承载力大于220Kpa，采用正三角形布置，间距为1.5m，过渡段按3m和1.5m隔行交错布置，向桥内范围设置长度为1.5h/cosα，锥坡处呈圆弧形布置。

三、粉喷桩室内外试验

1、室内试验：室内试验用挖掘机按选定区域挖至淤泥层取土样进行试验，选用潍坊牌325MPa普通硅酸盐水泥，按掺入比分别为14%、15%、16%配制试件，7天后进行无侧限抗压强度试验，结果见表二：

室内试验结果表二

掺入比(%） 14 15 16

强度（Mpa） 2.1 2.4 2.6

2、室外试验：

室外试验与室内试验同时进行，在现场按掺入比14%、15%、16%进行试桩工艺试验，每种配合比各施工2根桩，成桩7天后挖取淤泥段成桩切块进行强度试验，试验结果见表三：

室外试验结果表三

掺入比(%) 14 15 16

强度（Mpa） 0.97 1.09 1.20

掺入比的确定

根据室内外两次试验结果绘出7天强度曲线，从图中可以看出随掺入比的增加，强度基本成正比增加，同时室内试验结果约为室外试验同掺入比的0.4~0.5倍，符合经验比例数值。据强度曲线我们确定掺入比为15%。

四、粉喷桩施工工艺

1、粉喷桩施工工艺流程图：

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①定位：每段粉喷桩施工前由测量班按设计位置放出中线及处理范围边线，由施工人员自行放出桩位，逐桩施工。钻机就位时应对准桩位,并保持水平，搅拌轴应保持垂直，误差不超过1%。

启动主电机，根据施工要求，以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ档逐级加速的顺序正转预搅下沉。钻进至接近设计深度后，应用低速慢钻，钻机在原位钻动1～2min。为保持钻杆中间送风通道的干燥，从预搅下沉开始直到喷粉为止，应在钻杆内连续输送压缩空气。

③提升喷粉搅拌：在确认加固料已喷至孔底时，按0.5m/min±0.1的速度反转提升。当提升到设计停灰标高后，应慢速原地搅拌1～2min。

④重复搅拌：为保证粉体搅拌均匀，须再次将搅拌头下沉到1/3桩长且不小于5m深度。提升搅拌时，其速度控制在0.5～0.8m/min左右。

⑤为防止空气污染，在提升喷粉距地面0.5m处停止喷粉。在施工中孔口设喷灰防护装置。

⑥钻具提升至地面后，钻机移位对孔，按上述步骤进行下一根桩的施工。

2、粉喷桩施工及注意事项：

①为了加强桩身上部强度，应将桩顶以下1/3桩长且不小于5m部分重复搅拌一次，此时停止喷粉，钻头边旋转边钻进至复拌深度，再提升反向边旋转边提升。

②阴雨天气湿度较高，对送灰量有明显影响，将制约工程进度，晴好天气应尽量保证昼夜施工。

③施工中发现喷粉量不足时，实行整桩复打，复打的喷粉量要求不小于设计用量。如遇停电、机械事故等原因导致喷粉中断，也必须复打，复打的重叠孔段长度大于1m。

④送灰过程中如发现压力突然下降、灰罐加不上压力等异常情况应停止提升，原地搅拌，及时判明原因采用相应的处理措施，停钻过程中应继续送风。

⑤施工过程中应及时排除气水分离器里的积水，防止水分进入钻杆而堵塞送粉通道。喷粉时灰罐内的气压比管道内的气压高0.02~0.05MPa，以保证正常送粉。

⑥施工中应由专人负责记录压力、喷粉量、钻进速度等内容，以做为成桩检验的依据。

五、施工检测

1、粉喷桩检测方法：粉喷桩检测方法很多，针对本工程工期紧的特点，我们进行单桩承载力、桩身质量和复合地基承载力检测。

2、单桩承载力检测：

试验装置：承压板（面积2500cm2）、千斤顶、挖掘机（提供反力），沉降观测采用DL-2A型五通道桩基自动检测仪。

试验时采用逐级加载法进行，每级荷载达到相对稳定后再加下一级荷载，每级荷载为15.55KN，加荷采用千斤顶施加，用压力表测定荷载。每级荷载加载后间隔5、10、15min各测读一次，以后每隔15min测读一次，累计一小时后每隔30min测读一次，每次测读记入试验记录表。经检测单桩承载力为347KN。

3、用反射波法检测桩身质量和杭压强度

反射波法测桩是根据弹性波在传播介质中遇到波阻抗差异界面产生反射的原理对桩的质量进行分析和判断。从被测桩的实测曲线（包括时域、频域图形）入手，分析计算桩体的弹性波速和桩体异常反射的位置，然后结合反射特征、场地工程地质条件、桩施工记录等有关资料，作出工程桩的质量评价，最后用概率统计的方法综合各种资料和信息作出整个桩基质量的综合评估。经检测本合同共12处粉喷桩处理，桩身固结良好，完整性符合设计要求。

测试设备：力锤、检波器、采集器、计算机、打印机。

4、复合地基承载力检测

采用瞬态瑞雷波法检测：SE2404综合工程测试仪，4.5HZ低频检波器，检测结果如表四：

复合地基承载力检测结果 表四

六、几点体会

1、从检测结果来看，加固后复合地基承载力成倍增长说明该方法对于同三线此段软基处理是可行的，特别是对淤泥质土进行粉喷桩加固是提高地基承载力的有效方法。

2、水泥土的室内外试验同龄期强度差别很大，从本工程实验来看，室外试验结果约为室内的0.4~0.5倍，主要原因是养护条件、含水量不同。

3、从桩体检测结果发现，对淤泥质含量高的水泥土强度要低于淤泥质含量低的，主要是因为土中有机质有较大的水密性、较大的膨胀性和较低的渗透性，这些因素阻碍了水泥的水化反应。

4、从桩体开挖情况来看，桩体中间水泥土强度增长慢且松散，主要是水泥水化反应时在桩周形成一层保护壳，阻止了水份向中心渗透，削弱了桩体中间的水化反应。桩中心的松散情况与施工有关系，主要原因是搅拌时提钻太快。为保证粉喷桩质量，施工时要根据实际情况浇水养护。

5、因水泥土对不同土质强度有很大影响，因此设计粉喷桩时应充分查明地质情况，对不同的地质采用不同的桩长、间距，以达到复合地基承载力的均衡性。此项工作应由施工单位边施工边调查地质情况。

6、水泥掺入比的控制主要靠搅拌机的回转速度、提升速度和喷粉速度来实现。它的大小直接影响成桩质量。当水泥掺入比αw=3~5%时，因水泥与土的反应过弱，水泥土强度较天然地基的强度提高得很小，固化程度较差。当αw≥10%时，桩体在软土中的成形较好，上下等粗，表现出与素混凝土相似的脆性，αw较大时，如αw≥20%，桩壁则相当光滑，粉喷桩趋向刚性桩，此时对于未穿透软土层的纯摩擦桩来说，将会降低复合地基的承载力，出现工后沉降超限。故粉喷桩的水泥掺入比一般取5~20%为宜。