周口沙颍河北杨集闸重建工程粉喷桩技术的应用

李梅华

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

1 工程概况

北杨集闸位于周口市沈丘县新安集沙颍河左岸支流新蔡河入口、沙颍河干流桩号157+150 处。 其主要功能有两项，一是汛期防止干流洪水倒灌，提高沿岸防洪标准；二是蓄水灌溉，补充地下水。 该闸建于1970 年，为开敞式水闸，共11 孔，孔口尺寸为4.0 m×5.0 m(b×h)。经过约40 年的运行，北杨集闸损坏严重，运行指标无法达到设计标准，存在着严重安全隐患，应拆除重建。

重建的北杨集排水闸排水面积为1 030 km2， 设计流量380 m3/s，除涝水位36.60m，防洪水位40.04 m。它采用带胸墙的开 敞 式 水 闸，孔 口 尺 寸 为6.0 m×4.4 m（b×h），共9 孔，闸孔净宽54 m，闸底板顶面高程32.20 m，闸墩顶高程41.54 m。闸墩以上设工作桥、启闭机房。 闸室两岸设置桥头堡，以连接桥与机房相连。 闸室上游侧设置交通桥，桥面净宽6m（与设计堤顶同宽），总宽7.0 m。 闸室下游侧设置一座便桥，宽1.6m。

2 工程地质特点及评价

2.1 工程地质特点

场区地层根据时代、成因、岩性及其物理力学性标准，共划分为4 个土体单元，自上到下分别为低液限粉土、低液限黏土、级配不良沙、低液限粉土。

（1）低液限粉土（沙壤土）(Qa14)。 灰色，略有塑性，有摇震反应，干强度和韧性低，断面有黑色铁锰质斑点，土质不均多夹低液限黏土或级配不良细沙，层底高程为25.0～26.6 m。 高程29.21 m 以上是浅黄色，厚度为5～7.9 m，以下是灰色，厚度一般为3.1～6.5 m。

（2）低液限黏土（重粉质壤土）(Qal3)。 棕黄色、灰黄色，硬～可塑状，有光泽反应，干强度和韧性高，有钙质结核。 本层厚度约0.5～1.2 m，在3#孔左右缺失，层底高程23.31～25.28 m。

（3）级配不良沙（细沙）(Qal3)。 浅黄色，饱和，松～中密，土料主要成分为石英、长石，有摇震反应和铁质侵染，土质不均，局部为粉土或粉土质沙、低液限黏土等。 本层厚度一般为4.0～6.0 m，层底高程为19.2～19.8m。

（4）低液限粉土（沙壤土）(Qal3)。 灰色，饱和，较密实，有摇震反应，多夹极薄层粉质黏土，偶夹植物碎屑。 土质不均，3#孔附近相变为级配不良沙（细沙），沙质主要成分为石英、长石，有铁质侵染，土质不均，局部为粉土或粉土质沙、低液限黏土，揭露厚度为8 m。

2.2 工程地质评价

根据现场原位测试和室内土工试验成果，经综合分析、整理，各土体单元力学指标如表1 所示。 工程区地层为第四系全新统低液限黏土，地层分布稳定，均为中等压缩性的中硬土层。

根据北杨集闸勘探资料，水闸座落在低液限粉土层（沙壤土）上。其地质参数为C=9 kPa、φ=22°，承载力为80 kPa。低液限粉土为该闸基的主要持力层，承载力为80 kPa，而水闸要求地基承载能力为190 kPa， 故需要采取措施对地基进行加固处理。

3 粉喷桩复合地基设计

北杨集排水闸地基加固采用粉喷桩复合地基方案。 该方案具有加固成本低、桩体强度较高、干法施工、不需排污、无污染、施工方便、适应性强等优点。 粉喷桩复合地基加固处理范围为闸室底板及上下游翼墙基础，并在其范围以外打两排保护桩。

3.1 单桩承载力的确定

单桩承载力Nd的计算式[1]为

式中：Nd为单桩承载力，kPa；K 为水泥加固土强度折减系 数， 取0.35；Qu为 水 泥 加 固 土 桩 身 抗 压 强 度，kPa，取2100；Ap为粉喷桩截面积，m2（桩直径取0.5m）。

经计算，单桩承载力Nd=137.28kPa

3.2 复合地基承载力的确定

复合地基承载力fsp的计算式[1]为

表1 各土层物理力学指标Table 1 Physical mechanics indexes of every soil layer

式中：fsp为复合地基承载力设计值，kPa；β 为桩间土承载力折减系数， 取0.75；m 为粉喷桩的面积置换率，%，取22.7%；fs为桩间土地基承载力标准值，kPa，取80。 其他符号同公式（1）。

经计算，复合地基承载力fsp=205.3 kPa，大于190 kPa，满足要求。

根据计算结果，粉喷桩复合地基加固的固化材料为强度等级42.5 的水泥，水泥掺入量为15%，面积置换率22.7%，桩径0.5 m，桩长5.0 m。

4 粉喷桩复合地基处理工艺及注意事项

4.1 施工工艺

北杨集排水闸地基粉喷桩复合处理采用“一喷四搅”工艺。 施工前应确定桩位并编号，组装架立喷粉桩机，检查主机及其他各系统工作是否正常。 其流程如下：桩机就位—开机钻进到底（喷气）—反转提升到顶（喷粉）—正转复搅到底—反转提升到顶（喷气）—桩机移位。

（1）桩机定位、对中。 根据桩位平面布置图，放好搅拌桩桩位后，移动搅拌主机，使之对准设计桩位。 调整导向架垂直度，采用经纬仪或吊线锤，双向控制导向架垂直度。 按设计及规范要求，垂直度小于1.0%桩长。

（2）开机钻进到底。 开动搅拌机，钻进至设计要求深度时，停钻。 钻速为0.57～0.97 m/min。

（3）反转提升到顶。 钻杆钻到设计深度后，反向旋转，以0.97 m/min 速度边搅拌、边提升钻头。 同时，通过喷粉系统将水泥粉由钻杆端喷嘴定时定量向搅动的土体喷粉， 使土体和水泥进行充分搅拌，形成水泥、土的混合体。 提升到超过设计高度30～50 cm 后，关闭水泥发送装置，钻机原位旋转1 min，然后继续提升到地面[2]。

（4）正转复搅到底。搅拌钻头提升至桩顶以上500 mm 高度后，关闭喷粉系统。 重新启动搅拌钻机，钻头正向旋转，重复搅拌，下沉至设计标高后停钻。下沉速度为0.57～0.97 m/min。

（5）反转提升到顶。 钻头复搅下沉到达设计深度后，再次反向旋转提升钻头，边提升、边搅拌，一直提升至地面，进行复搅。

（6）桩机移位。 施工完一根桩后，移动桩机至下一根桩位，重复以上步骤，进行下一根桩的施工。

4.2 施工注意事项

（1）在正式施工前，选取一定数量的桩进行试打，从而确定桩机在本工程地质条件下的施工技术参数 （桩机钻进速度、提升喷搅速度和复搅速度、刮灰器转速与喷搅提升速度的配合、空压机风压和风量等）。

（2）桩体喷粉要求一气呵成，不得中断，喷粉压力控制在500～800 kPa。 当喷粉机在成桩过程中遇故障而停止时，第二次喷粉成桩的喷粉重叠长度不少于1.0 m[3]。

（3）控制桩位偏差≤50 mm，桩垂直度偏差≤1.5%，桩径偏差<4%， 桩长偏差<50 mm，1m 水泥喷入量与设计值偏差<3%[4]。

（4）采取24h 质监员跟班检查服务，重点检查每米的喷粉量、桩长、桩位垂直度及桩机下钻、上提速度。 此外，采用电子秤（计量装置）对每根桩的喷粉量进行控制，并每米记录一次喷粉量，以准确跟踪第i 根桩从下到上的质量情况。 一旦发现在某个深度出现灰量不足或断灰情况，可以准确地进行补喷。

（5）若在钻进或喷粉过程中发生堵钻头、堵管或机械故障，应立即停喷提钻，待处理完毕再进行复钻、复喷。

5 结语

北杨集排水闸地基的主要持力层为低液限粉土，承载力仅为80 kPa，小于闸基的压应力。 采用粉喷桩复合地基方案对其进行加固，复合地基承载力fsp=205.3 kPa，大于要求的地基承载能力190 kPa，满足该闸对地基的要求。

[1] 龚晓南. 地基处理手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：27-28.

[2] 冯瑞玲， 谢永利. 粉喷桩处理淤泥质土及饱和黄土地基的应用研究[J]. 公路交通科技，2005（3）:94-95.

[3] 戴诗军. 水泥粉喷桩在南沙分输站软基处理中的应用[J].山西建筑，2010（16）：87-88.

[4] 骆银辉，朱荣华，马刚，等. 静压桩与粉喷桩在复合地基中的联合应用[J]. 岩土力学，2002（z1）：54-57.