粉喷桩在加固公路路基基床中的应用

郑 威

中交第二航务工程局有限公司，福建晋江 362212

粉喷桩在加固公路路基基床中的应用

郑 威

中交第二航务工程局有限公司，福建晋江 362212

本文介绍土质改良加固基床的常用方法，以及粉喷桩在改良加固路基基床土质中的应用。通过对现场质量检测分析,发现加固效果明显,可以应用于路基基床土质加固工程。

路基基床；粉喷桩；加固

路基是位于道路基层下面，受路面结构及荷载影响的那部分地层，当道路结构直接建造在未经加固的天然土层上时这种路基称为天然路基。有的天然路基很软弱不能满足荷载对路基的强度和变形要求时，那么就应事先对路基进行人工改良加固再建造路面，这种加固路基的方法称为路基处理，所形成的路基称为人工路基。路基处理的主要对象是软弱路基系指由淤泥、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的[1]。

1 影响土改良加固效果的因素

1.1 土的矿物成分

如果粘性土主要的矿物成分是高龄石、蒙脱石等用水泥改良加固效果较好；而含有伊利石、氯化物、水铝石英和有机质的粘性土用水泥改良加固效果则较差。在潮湿和缺氧环境中未经充分分解的植物遗体堆积而成的一种有机质土，有机质含量大于60%，其含水量极高，压缩性很大且不均匀，一般不宜作天然地基，需进行处理。

1.2 土粒的大小

一般来说，土粒越细其表面积越大，这样与水泥或石灰搅拌在一起后相互作用充分，能达到较好的加固效果。

1.3 掺加物的含量

不论掺加物是水泥还是石灰，我们都有一个最佳的掺入量来满足经济效益和技术要求。如果用石灰量太少，只能部分改善土的塑性和膨胀性，强度变化小；如果用石灰过多，那么石灰与粘土的反应不充分多余的石灰沉积下来，又因为石灰本身的强度不高，土体强度改变也不大[2]。

2 土质改良加固基床的常用方法

对于新建线路，土质改良可以使路基设计规范规定的不得使用的填料（如膨胀土、湿陷性黄土等）用作基床填料，因为改良土的物理力学性质满足基床土的要求。若设计合理、施工质量得到保证，运营后基床稳定几乎不出现基床病害。此措施在我国广泛得到应用，解决了一些缺乏基床填料的困难，节约了资金，效果良好。

对于既有线路，土质改良可以用于治理基床病害，如整治基床下沉、翻浆冒泥、冻害等。一般方式有基床换填、挖孔桩或粉喷桩。

3 粉喷法的加固机理

多年来，粉喷桩广泛应用于软土路基的加固，用于基床加固是近几年的发展。该法是通过带有喷嘴的钻头在软土中输入粉粒体加固材料。通过和原位加固土强制的搅拌混合使加固土与加固材料发生化学反应在稳定基床土的同时提高其强度的方法。常用的加固材料有水泥粉、石灰粉或粉状石膏等。通常将用水泥粉的处理方法称为深层搅拌法，多用于建筑地基上；而将主要用石灰粉的处理方法称为粉喷法,多用于铁路、公路的路基工程[3]。

粉体喷射方法是在深层搅拌方法的基础上演变而来的。它使用干燥的生石灰或水泥粉粒，用压缩空气输送至加固深度底端，采用叶片旋转搅拌是与周围软粘土颗粒混合并发生水解和水化反应通过离子交换从而产生硬化的加固柱体。粉喷法的加固机理如下：

石灰的吸水、发热和膨胀作用。在软弱土层中加入生石灰它便和土中水分发生化学反应形成熟石灰。在这一反应中又相当于生石灰重量39%的水分被吸收。

形成熟石灰时，每一摩尔产生25.6千卡的热量，即每1公斤的CaO水化作用，发生295千卡的热量。这一热量又促进了水分的蒸发从而使相当于生石灰重量48%的水分蒸发掉。形成熟石灰时土中共减少了相当于生石灰重量的76%的水分，另外由生石灰变熟石灰的过程中石灰体积膨胀1～2倍这样就促进了周围土的固结[4]。

从粉喷桩的加固机理可知，利用石灰固化处理基床土分为形成熟石灰快速反应强化的前半过程和形生熟石灰以后缓慢固结的后半过程。

4 粉喷桩施工方法与流程

4.1 施工前准备工作

开工前应熟悉施工图，了解工程概况，了解施工现场地质水文资料。编制整套粉喷桩施工组织设计方案。施工组织设计的主要内容包括：确定粉喷桩施工方案、编排桩施工顺序平面布置、选择机械设备、编制各项计划措施等。

4.2 粉喷桩施工方法

1）按桩位平面布置图，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以复核机架的垂直度；

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时钻机反向转动启动送灰机送灰，待水泥送至喷灰口后再提升钻头，根据电子称重装置显示的喷灰量调节调速电机，这样一边喷粉一边搅拌，然后边提升和边压实；

3）当钻头提升至设计桩顶标高以上0.5米时停止送灰并关闭送灰机。此时钻机迅速换档并重复搅拌，复搅长度按设计要求为2m；

4）复搅结束后，关闭空压机并消散所有管道压力和钻机主电机停机；

5）开启液压步履和钻机移位。

4.3 粉喷桩施工流程

粉喷桩工艺流程见图1，(a)定位下沉 、（b）深入到设计深度、（c）喷浆搅

拌提升、（d）重复搅拌下沉、（e）重复搅拌提升（f）搅拌完成形成固体

图1 粉喷桩施工流程

图2 粉喷桩机配套机械设备

4.4 粉喷桩成桩后的质量检验

粉喷桩施工完成后应按规定频率进行外观鉴定、取芯、无侧限抗压强度和单桩及复合地基承载力试验。按规范要求复合地基试验数量为24块。对取芯、单桩及复合地基承载力试验检测时现场监理应全过程旁站。对未穿透软土层、部分断灰、喷灰不均匀、强度不足等检测中发现的问题应严格进行加密、补桩等处理。

1）外观鉴定检测频率为2%，在成桩7天内将桩体开挖0.5m～1.0m，目测检查桩体成型情况；

2）钻探取芯法试验可以较全面的反应桩身材料的密实度、桩身的连续性、桩身物理尺寸等完整桩身质量的基本信息和可靠准确地评价桩身质量；

3）无侧限抗压强度法在成桩28d后在室内无侧限抗压试验仪上，对原状水泥土样进行无侧限抗压强度测试并同时测定其变形指标；

4）载荷试验检测是比较直观和成果可靠的方法，在被测试的地基安置一定规格的平板然后逐级施加静力荷载之后测出各荷载作用下的沉降量，绘出荷载——沉降关系曲线[5]。

对一般工程，主要应检查桩和桩间土的干密度和承载力；对重要或大型工程，除应检测上述内容外，尚应进行载荷试验或其它原位测试。也可在路基处理的全部深度内取样测定桩间土的压缩性和湿陷性。

5 粉喷桩在改良加固路基基床土质中的应用情况

以对某国道路基床的实验结果为例，该处使用膨胀性土填筑的路基，基床严重翻浆冒泥引起路堤下沉。见表1，加固前的基床土属于弱膨胀性土，特点塑性指数较大并有较大的膨胀量和膨胀力。由于当时对该土性质认识不足而作了基床回填土和加上当时压实密度较小，在汽车动荷载的作用下而造成了该段路基的基床病害。

表1 基床土加固前后的物理力学性质变化

由表1不难看出，粉喷技术改良基床土的效果是非常显著的，膨胀量几乎趋近与零；膨胀力降低了1/2以上；液限、塑限大幅度提高（但液限增幅小于塑限）；塑性指数也降低了1/2。基本失去了加固前裂土的性质。从强度指标看，无侧限抗压强度达到1.0MPa，呈脆性破坏。

采用粉喷技术的关键：

1）加固柱体的强度，取决于粉喷的含量，这与软土的化学特性、矿物组成、有机物含量、PH值等有关。须因地制宜，先做实验比较工作；

2）加固柱体的质量及其均匀性，取决于施工机械，现场环境及搅拌技术，需做一定的现场实验来确定；

3）工程经验的积累和一些试验成果表明，环境温度应低于40℃；含灰量控制10%左右为宜；每延长1m石灰柱的搅拌时间控制在1min左右，因为时间长了会影响固结。搅拌次数每分钟50～100次。

路基处理方法虽众多，但各自都有不同的适用范围和作用原理。且不同地区地质条件差别很大，上部结构及交通荷载对路基要求各不相同，施工单位机具千差万别。因此，选择路基处理方法，应综合考虑场地工程地质条件、水文地质条件、上部结构情况和天然路基存在问题等因素来确定处理的目的、处理范围和处理后要求达到的各项技术经济指标。在结合现场试验的基础上，通过几种可供采用方案的比较，择优选择一种技术先进、经济合理、施工可行的方案。

[1]严家伋.道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2]牛志荣主编.路基处理技术及工程应用[J].中国建材工业出版社，2004(4).

[3]孔祥勇，程霞.路基与桥隧[M].北京：中国铁道出版社，2003，3.

U416

A

1674-6708（2013）93-0175-02