长短结合粉喷桩在某浓缩池软基加固中的应用

厉见芬，代国忠，李书进

(常州市建设工程结构与材料性能研究重点实验室(常州工学院)，江苏 常州 213002)

0 引言

用长短结合粉喷桩加固软土地基具有较大的技术、经济优势，尤其在长三角地区，软土层深厚，且具有高压缩性、低强度、低透水性、孔隙比大、天然含水量高等特点。采用沿深度变长度和变模量(即减少置换率)的长短结合布桩模式进行地基处理，可充分发挥长短桩各自的优势，既可减少浅层的应力集中，又可减少深层的位移沉降，在保证处理效果的前提下，达到方案合理、节约资金、缩短工期的目的。

图1 受力机理图

长短结合的粉喷桩复合地基的受力机理［1］，如图1所示，d为基底埋深，Ⅰ区为长短桩共同区，以提高承载力为主，长短桩间隔布置，由于间距较密，在其深度范围内，桩体间将具有较明显的“挟持”和“遮挡”效应，桩间土体和桩体共同沉降，形成类似实体的等代墩基;而Ⅱ区是以减少沉降为目的的长桩工作区，Ⅲ区为承受桩体荷载的持力层。三者共同工作，以提高浅层地基承载力、减少地基沉降量，形成良好的长短结合复合地基。

1 工程概况

本工程为江苏省常州市某污水处理厂浓缩池，半径15.8 m，基础底板为平板式筏板，半径16.8 m，场地为长江下游三角洲冲积平原，场地类别为Ⅳ类，其岩土工程地质剖面见图2，主要土层的物理力学性质指标见表1，根据岩土工程地质条件以及应力分布特点，采用长短结合粉喷桩布桩模式进行软基加固。

图2 工程地质剖面图

表1 主要土层的物理力学性质指标

2 长短结合粉喷桩设计要点

在深厚软土中，用长短结合粉喷桩来加固软土，需考虑基底的应力分布，短桩保证复合地基的强度，长桩需考虑桩端的附加应力，既要保证桩端附加应力小于该处软弱地基承载力，又要满足建筑物变形要求，为保证软弱下卧层计算能通过，复合地基强度不宜过大，需由多次试算确定。

本浓缩池底板半径16.8 m，下铺0.3 m厚级配碎石褥垫层，采用长短结合粉喷桩，置换率m1=0.19，桩径500 mm，Ap=0.196 m2，短桩有效桩长12 m(沉桩长度12.5 m)，长桩有效桩长17.0 m(沉桩长度17.5 m)，水泥(PC 32.5)掺入比18.4%，fcu=1 500 kPa，桩位布置平面见图3。

2.1 单桩竖向承载力特征值Ra

粉喷桩单桩竖向承载力特征值可按式(1)、式(2)计算，取其中较小值［2］作为设计依据。

取 η =0.25，α =0.5，经计算 Ra=min(73.5 kN，144.6 kN)≈70 kN。

图3 长短桩布置平面图

2.2 粉喷桩复合地基承载力特征值fspk

根据 JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》［2］(以下简称《规范》)中11.2.3 条，复合地基承载力特征值为:

经计算fspk=120 kPa，β为桩间土承载力折减系数，取β=0.5，池底桩位布置见图3。

2.3 基底附加应力及沉降估算

长短结合粉喷桩复合地基土中附加应力计算可按 Mindlin 解确定［1，3］，计算结果详见表2，沉降计算法一般采用复合模量法［4-5］，按置换率的不同分别计算Ⅰ区(长短桩共同区)和Ⅱ区(长桩工作区)复合土层的沉降量S1和S2，以及Ⅲ区(承受桩体荷载的持力层)的沉降量S3，复合地基的最终沉降量为:

而粉喷桩复合土层的沉降量Si可按下式计算:

其中，Espi=miEp+(1-mi)Esi，Ep=100 fcu=150 MPa，Esp1=31.7 MPa(l=0 ～12 m 段)，Esp2=17.9 MPa(l=12～17 m段)，经反复试算，本工程计算沉降量为11.5 mm。

2.4 格栅布桩

为减少浓缩池总沉降量以及不均匀沉降，提高复合地基承载力，在长短结合布桩的基础上，沿池底对称中轴以及池周边增设格栅桩(见图3)，使桩间土在有侧限的状态下受力，以防止桩间土侧向挤出且又增加了复合地基刚度，从而可以明显减少总沉降量以及不均匀沉降程度。

表2 基底附加应力

3 试验结果

为正确评价粉喷桩单桩及复合地基的加固效果，按照《规范》要求进行了单桩及复合地基静载荷试验，实测结果比计算结果要大15%左右，满足设计要求。

本工程长桩沉桩深度17.5 m，《规范》要求不宜大于15 m，故桩基施工结束后又对沉桩深度超过15 m的粉喷桩取3根进行了桩间土静力触探，取芯进行水泥土抗压强度试验和桩体标准贯入试验，试验结果详见表3。

表3 取芯试验结果汇总表

由表3可以看出，水泥土的无侧限抗压强度均大于1 550 kPa，说明超过15 m孔深处，水泥粉能进入软土中，且水泥掺量符合要求;原状淤泥质土标准贯入N'=0～1击，标贯试验结果N'=9，10，12击，证明孔深17.5 m以下形成水泥土桩，且效果良好;在3个取芯试验点，所做的3组桩间土(休止56天)静力触探试验说明，经过一定时间的休止，桩间土强度有明显提高，而且随着时间推移，还将进一步提高。［6］

《规范》中粉喷桩加固深度不宜大于15 m一说，其一不是强制性条文，其二编制依据是2002年以前的成果。时代在前进，技术在发展，本工程所用粉喷桩机最大施工深度达22 m，未来市场肯定会开发更深、更大的粉喷桩机，以适应深厚软土加固的需要。

4 超长粉喷桩施工措施及质量监控

4.1 桩机选择

本工程长桩沉桩深度17.5 m，施工采用GPP-5E功率45 kW，可施工22 m长的粉喷桩机施工，该桩机变速箱扭矩大，施工速度慢，可进入硬塑状黏土1～1.5 m。其钻头为螺旋叶片状，见图4，在上提送粉过程中，叶片以下形成高压雾状水泥粉腔，能使雾状水泥均匀扩散到切割的土层中，实现边喷粉边压实土体，能明显提高桩间土强度。

图4 螺旋叶片状钻头

桩机附带有SFT-2型喷粉监测仪［7］，具有深度传感器及重量传感器，设置了双工位显示器，所测数据可在主机及送灰器操作，同工位同步显示，操作者可观察到相对每米内每0.1 m段的喷灰量，能及时调整施工工艺，确保每米桩段喷灰量达到设计求，最后每根桩不同深度每米喷灰量，复搅深度、施工时间等均可自动打印，可较好地控制施工质量。

4.2 空压机数量

软土厚度大于8 m时，需用两台空压机施工，一台1.6 m3空压机最佳处理深度为8 m。本工程采用两台2.8 m3的空压机施工，且配备了一个1 m3的储气罐，起到稳压作用。

4.3 监控计量

粉喷桩机上必须安装压力表、电流表、电表、粉体流量计。压力表用来了解管道压力及灰罐压力，保证送粉管道畅通，顺畅送粉;电流表用来了解地层变化、持力层深度、进入持力层长度。用电量是简单易行的控制粉喷桩质量的重要信息来源，满足设计要求的桩用电量是相近的，且用电量又能判断地层土质的好坏。

4.4 复搅处理

所有桩必须进行复搅，复搅深度由电流决定，复搅能使单桩承载力约提高1/3，且当复搅电流与预搅电流相当时，说明土质极差，一定要进行复喷，并再次复搅，以保证桩体质量。

5 结语

1)采取有效的施工措施和质量监控手段，长短结合粉喷桩承载力等指标均满足要求，取得了较好的地基处理效果。

2)粉喷桩加固处理深度可超过15 m，质量评价需综合考虑静载以及补充取芯试验结果，在桩长控制上要求桩端要进入持力层。

3)长短结合并增设格栅粉喷桩，可有效减少沉降。

现工程已建成并投入使用近1年，从实际效果来看，工程运行情况良好，各方面指标均满足《规范》要求，亦满足功能使用要求，达到了预期目的，发挥了较佳工程效益。

［1］杨军龙，龚晓南，孙邦臣.长短桩复合地基沉降计算方法探讨［J］.建筑结构，2002(7):8-10.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2013.

［3］龚晓南.复合地基理论及工程应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［4］李超雄.长短桩结合的水泥搅拌桩复合地基承载力理论研究与工程实践［J］.广东水利水电，2011(9):9-13.

［5］李超雄.长短桩结合的水泥搅拌桩复合地基沉降计算理论研究与工程实践［J］.广东水利水电，2012(3):1-5.

［6］刘松玉.粉喷桩复合地基理论与工程应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［7］马敏，吴敏刚，柳家海，等.粉喷桩工程事故频发的原因及消除事故的对策［J］.苏州大学学报，2010(10):173-181.