粉喷桩施工工艺模拟及机理研究★

何运林 任铮钺 赵梦凝

(1.广西地大集团有限公司，广西南宁 530000; 2.大连理工大学现代工程检测有限公司，辽宁大连 116023; 3.大连城市建设专家事务所有限公司，辽宁大连 116023)

0 引言

粉喷桩属于深层搅拌法加固地基方法的一种形式，它和浆体搅拌法都属于深层搅拌法，不同之处在于，粉喷桩是在钻孔过程中，通过使用特制的深层搅拌机械喷射粉体加固材料(水泥，石灰等)，使加固剂与深层软弱土经搅拌混合，并发生一系列物理、化学反应，使软土硬结成具有整体相互影响，共同作用承担上部荷载的粉喷桩复合地基。粉喷桩最适合于加固各种成因的饱和软粘土。

随着国内高钙粉煤灰排放量的逐年增加，人们对高钙粉煤灰的性能及其应用研究越来越关注。由于纯水泥加固软土效果不是很显著，因此将高钙灰掺入加固材料之中，也是大连软土加固研究的一块新的领域。由于加固材料的变动和大连软土地域性特征，粉喷桩施工效果会有显著不同。将粉喷桩施工简化成模型进行室内试验，可以由小见大，为现场试验奠定一定的基础。

1 粉喷桩施工工艺

1.1 粉喷桩施工流程

粉喷桩施工流程见图1。

图1 粉喷桩施工流程图

1.2 粉喷桩施工难点

1)喷粉均匀喷出控制。

要保证粉喷桩桩体强度达到设计强度，必须保证桩体直径范围内加固剂含量均匀足量掺入。首先要保证粉喷桩钻机杆下的粉体喷口喷射出的气体达到一定的压力(此压力不小于钻头所在位置的土压力)，确保其能喷至桩体直径处。再者是要减少压力损失，不得随意扳动喷灰闸阀，并保证灰罐密封严密，确保喷灰工作压力。粉喷桩最大加固深度与送灰器最大压力及地层地质条件有关，桩底最深处至少要维持与土压力相当的空气压力才能保证高压空气携带水泥顺利达到桩直径处。一般储料罐最大压力为0.5 MPa，因此粉喷桩最大深度不应超过15 m。

2)加固剂与土体拌合效果控制。

土质太粘，干粉不易喷入，混合后形成较大土团，易形成加固桩体软弱夹层，也容易堵塞钻头喷射口，使施工无法进行。根据《粉体喷搅法加固软弱土层技术规范》施工时可采用加水措施，目前普遍采用的方法是施工时顺钻杆外侧注水，经大量实践证明由于钻杆离心作用和喷气、灰气压作用该方法对较干地层深度在0.5 m～1.0 m地区可满足质量要求，厚度大于1.0 m，无法满足要求。

因此需要考虑一种不受喷气送灰影响，又能深入底层的送水方法。经过实践证明，用钻机在预成桩位上钻进至地下水位以上30 cm处，不喷灰提升，将原状土搅松后增大其渗透性，然后注水预浸［2］。

2 施工工艺模拟试验

2.1 试验装置

模仿粉喷桩施工，简化模型，进行室内试验。主要控制两点:加水+喷粉+旋转;淤泥中原位养护。模拟试验的设备主要由三部分组成:加压系统，粉体喷枪，搅拌装置。加压系统采用小型空气压缩机，量程控制在0.05 MPa～1 MPa。搅拌叶片采用双层带弧度结构，大约14 cm长，装置见图2。

图2 模拟试验装置

空压机将空气传入导管，经由粉体喷射枪时，吸取粉罐中的加固剂由喷嘴喷出。

2.2 试验过程及结果分析

在喷粉搅拌过程中，一开始由于粉量较少，搅拌较均匀。随着喷粉量的增加，搅拌越来越困难，叶片周围形成大块粘土团。采用加水的方法，使加固土流动性提高。

搅拌成型后，将桶放进养护室养护28 d;取样并切割成70.7 mm的立方体试块。对于切割成型的试块，进行无侧限抗压强度测试，为0.67 MPa，且呈塑性破坏。

《软基处理水泥深层搅拌桩施工控制》规定，设计的基本参数和要求如下:

1)水泥掺入比大于12%;

2)室内配合比设计:7 d无侧限抗压强度≥0.8 MPa;28 d≥1.6 MPa;90 d≥2.4 MPa;

3)现场质量检测:28 d取芯强度:R28≥0.8 MPa;90 d≥1.2 MPa;单桩承载力大于210 kPa;复合地基承载力大于170 kPa。

取样强度较低，由于实验室模拟条件限制，如空压机控制，很难掌握精确;从试块呈塑性破坏可知，加固剂掺量不足，原因可能是喷粉过程中，喷入淤泥中的粉量有流失;采用人工搅拌以及扰动土孔隙率比原状土大，部分掺入的水直接经由空隙聚积到桶的底部，多加的水对拌合性作用减小，使得拌合不够均匀。

3 施工模拟机理研究

3.1 高钙灰对粉喷桩施工工艺的影响

为了说明掺高钙灰的拌合软土对拌合和易性的影响，采用砂浆稠度试验定量分析其拌合和易性以及拌合土流动性。试验根据JGJ/T 70-2009建筑砂浆基本性能试验方法标准，采用砂浆稠度测定仪，读取下沉深度。

试样制备:称取0.9 kg风干土，加水至含水量40%，按加固剂(水泥、高钙灰)掺入比20%分别拌合。试验设备以及过程如图3所示。

图3 砂浆稠度仪以及试验过程

试验结果见表1。

表1 试验结果(稠度和强度)

由拌合土稠度试验可知，水泥拌合土流动性大于高钙灰拌合土。高钙灰拌合土稠度很大，究其原因:

1)它的比表面积比水泥大，需水量自然就大;

2)高钙粉煤灰中的游离氧化钙吸收软粘土中含有的水分，体积膨胀，不仅可以降低软粘土的含水率，而且对软基起到膨胀挤密的效果;

3)高钙灰含有不少水硬性矿物，且自身f-CaO遇水水化硬化，所以具有一定的自硬性。虽然高钙灰活性玻璃体很多，可以起到一定的润滑作用，但是只起到次要作用。

3.2 淤泥结构性和结合水层对施工的影响

室内施工模拟与室内配合比试验最大的区别，就是用于试验的土样不同。模拟试验用的是普湾新区地下淤泥质原状土，而室内配合比试验用的是风干土加水拌合成的重塑土。因此接下来要研究原状土与重塑土对施工工艺的影响，可以从淤泥土的结构性和淤泥土中的水状态两部分来分析。

1)淤泥土的结构性。

土的结构性实质是一种土物理状态的显示，是土生成条件、环境的自然历史产物。淤泥质土具有一定的结构性，原状淤泥质土在沉积过程中形成了一定的结构联结强度。以低活动性的高岭石为主的矿物组合形成的微结构类型多是稳定型的，其结构强度相对较强;反之，以高活动性的蒙脱石为主的矿物组合形成的微结构类型多是较不稳定型的，其结构强度相对较弱。当轴向压力逐渐增大，直至应力超过其屈服强度，结构联结强度遭到完全破坏呈变形不可恢复的塑性状态，再加水拌合，称为重塑土。完全重塑土体结构性完全丧失，没有弹性变形阶段。原状淤泥质土其土颗粒间的联结强度(结构强度)往往因长期的压密作用和胶结作用而得到加强，一般应大于重塑土的强度［3］。

准备原状土样和重塑土样(风干后按含水率加水)，用铲子搅拌，很明显原状土更粘稠。也可以通过透射电镜图像观察，原状样含有大量絮凝状凝胶，而重塑样较少。

谢定义等人［4］用释放结构势的方法得到结构性的定量化指标，以压缩试验为基础对原状土试样(欲研究其结构性的土)、它的饱和土试样以及它的扰动重塑土试样(湿密状态不变)分别在压缩仪上作出压缩曲线。

2)淤泥土中的水［5］。

粘性土中粘粒含量较高，他们具有胶体或准胶体的性质。因此，粘土矿物由于同晶替代，或与水相互作用后具有选择性吸附，或本身解离，使粘粒表面吸附离子而带电，带电粘粒在溶液中会吸附与之电性相反的离子形成反离子层，也会吸附极性水分子在其周围形成水化膜。

从离子角度分析，反离子层又分为离粘粒较近的固定层和离之较远的扩散层，称为双电层结构(见图4)。从作为主体的水分子看，称为结合水层。

图4 双电层（结合水层）示意图

由于风干土在加水之后，结合水层没有原状土厚，因此在含水量相同的情况下，重塑土显得更“稀”。而原状土不易拌合，因为其结合水较多，不易释放出来。因此在采用原状土试验时，拌合过程中要加入一定的水来缓解拌合困难的现象。

4 结语

以粉喷桩施工工艺理论为基础，抽象并简化施工模型，设计并完成了室内模拟粉喷桩施工试验。在试验的基础上，对粉喷桩加固机理进行分析研究，其一通过软土单掺高钙粉煤灰和水泥的稠度测试试验，说明拌合过程中高钙灰吸水量明显大于水泥，加固土和易性较差;另一方面，基于软土地域性特点，说明大连普湾新区软土存在很强的结构性和较厚的双水层，加之高钙灰吸水量大，导致粉煤灰施工过程中拌合困难，用于加固剂水化反应的含水量不足，影响粉喷桩质量。因此在确定最佳配合比的前提下，为了满足粉喷桩施工工艺要求，使得叶片更易于搅拌软土，就要保证有加入足够的拌合水。模拟试验充分表明了粉喷桩喷粉搅拌同时加水在实际场地上施工的可行性，为以后的现场试验奠定了一定的基础。

［1］ 赵永军.粉喷桩处理软土路基计算及应用研究［D］.大连：大连理工大学，2007.

［2］ 孙满利，龙正未.粉喷桩施工中加水方法探讨［J］.陕西水利，2002(30)：68-69.

［3］ 黄志全，刘 娅.结构性对淤泥质土强度影响试验研究［J］.人民黄河，2010，32(11)：98-99.

［4］ 谢定义，齐吉琳.土结构性及其定量化参数研究的新途径［J］.岩土工程学报，1999，21(6)：651-656.

［5］ 房后国，于立新，刘娉慧.结构性淤泥土固结机理及模型研究［M］.郑州：黄河水利出版社，2008.