深层水泥搅拌法在软基处理中的应用

摘 要：以大广高速新建工程9标软基处理为工程实例，详细介绍了采用深层搅拌法（粉喷桩）加固路基地基的原理、施工方法、施工工艺和施工注意事项，可为类似工程施工提供参考。

关键词：软基处理 粉喷桩 深层搅拌法 施工工艺

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（a）-0048-02

1 工程概况

大（庆）广（州）高速河南开封至通许段高速公路是国家重点建设项目，在通许县城东北与日南国家重点公路相交，横跨省道S325、省道S326，是河南省高速路网的重要组成部分。我公司负责施工的9标，整个区域内地势平坦，地貌单一，为黄河冲积（泛滥）平原地貌，其间分布多处洼地，上覆四系河湖相粘土、砂层。以K148+508～K149+031.8段地基为例，该段路基平均填土高度为6.7 m，天然含水量接近液限，属于半液化区，且地下水位较高（地下水离地面只有4 m左右）。其地质情况复杂，地质资料显示地表0～2.3 m为高塑性粘土，软可塑状。2.3～4.5 m为淤泥，饱和，流塑有少量有机质。4.5 m以下为粉质粘土，中塑，软可塑状。容重均在1.79～1.87之间。且该处由地势较低，有积水，地基承载力差。为提高地基承载力，降低路基沉降量，保证工程质量，设计对该段路基地基进行深层水泥搅拌（粉喷桩）加固。

2 粉喷桩加固软土地基原理

粉喷深层搅拌法是利用压缩空气向软土输送和喷射干粉（水泥或石灰粉）利用干粉与土拌和发生化学反应，改善土质，提高地基强度，属于化学加固方法。加固后可增加路基的稳定，减少路基的沉降。其原理是压缩空气将粉体加固料以雾状喷入地基深处，凭借钻头叶片的旋转，使粉体加固料与原位软土搅拌得到充分混合形桩体，与路基下软土形成复合路基，从而使软土硬结。干粉喷射搅拌法加固软基，对含水量大的软基尤为适用，以干粉作为加固料，不需向地基注入附加水份，通过吸收周围软土中水份，来提高初期强度，从而保证路基的稳定，减少了路基的沉降。

3 粉喷桩的设计

根据设计，该段软基加固宽度为48.1 m，桩长L=12 m，桩径500 mm，桩距1.3 m，横向行数38或39根，采用梅花型布设，路基搅拌桩地基加固图如图1所示。施工时水泥搅拌加固料采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，水泥掺放量为14%，要求90 d龄期无侧限抗压强度不小于1200 kPa。

4 施工工艺

由于该段路基地下含水量较高，施工时采用粉喷法，两台型号GPP-5桩机同时施工，施工工艺如下。

4.1 工艺性试桩

不同地区具有不同的地质条件，为了克服施工的盲目性，确保粉喷桩加固地基达到预期效果，在大规模施工前必须进行工艺性试桩，以掌握该场地的成桩经验及各种操作技术参数。

4.2 对进场的水泥进行检测

根据14%的水泥掺量，取土的平均干容重1.83 t/m3计算出每米的粉喷量为50.3 kg。

粉体发送器单位时间内粉体的喷出量q按下式计算：

q=D12·d·aw·

式中：d为软土的干容量；

aw为干粉掺入比，由室内试验提供；

为钻头提升速度；

D1为钻头直径。

4.3 搅拌效果的控制

搅拌机搅拌次数越多，拌和越均匀，水泥土强度就越高。粉和土的搅拌效果，主要用钻头在土体中任一点搅拌的次数t来控制：

t=·

式中：为钻头叶片垂直投影高度；

m1PD5wjxVoF3ykPoXMuyP0Ez1JxWEf1d6oZBwY6evLY=

为钻头叶片总数；

为搅拌轴转速；对GPP-5型机值分别28、50和92；

为钻头提升速度；对GPP-5型机值对应的值分别0.48、0.8和1.47。

4.4 场地清理

由于工作场地表层硬壳很薄，需先铺砾石，干燥土垫层，厚50 cm左右，以便机械在场区内顺利移动和施钻。不宜铺垫碎石材料，以免给施钻造成困难。如果场地填有石质材料或植有树木，施工时先将石质材料、树木及其根部挖除。

4.5 测量放样

用经纬仪将桩位精确放样，标出每根桩的位置，每一个粉喷桩的中心洒上白灰，并插一根木筷，以确保施工时对位快速准确。

4.6 进场设备检测

主要检测钻机钻头尺寸是否满足要求，空压机、粉喷机、仪表是否能正常工作，喷粉记录器的显示数据和实际钻进的深度和喷粉量是否一致等。

4.7 钻机定位

根据确定的加固桩体的位置，使钻头准确落到桩位上。水平偏差不能超过5 cm，并使搅拌轴保持垂直。

4.8 钻孔

启动搅拌钻机，钻头边旋转边钻进。为了不堵塞喷射口，喷射时不采用喷射加固材料而采用喷射压缩空气，空气压力控制在0.3～0.4 MPa。钻进一定深度启动一次，将泥沙从喷射口吹出。钻进时喷射压缩空气，可使钻进顺利，负载扭矩小。钻孔深度由钻机上面的刻度盘指示（刻度盘上有指针表示钻孔深度），桩长误差不得超过±10 cm，垂直偏差不超过1%。

4.9 喷水泥

当钻孔达到设计标高后，即开启空压机连接水泥罐的阀门，边提升钻杆边喷水泥（水泥是通过空压机与钻杆顶部用橡皮胶管连接，靠空气压力，使水泥从钻杆内孔穿过，由麻花钻头中部小孔喷射），直至孔口。沿深度方向加固的软土量，根据发送器输出的加固材料数量与搅拌叶片提升速度的关系确定，搅拌提升速度不得大于1.0 m/min。

4.10 重复搅拌

提升结束，桩体形成，当钻头提升至距离地面30～50 cm时，发送器停止向孔内喷射粉料，成桩结束。为使水泥搅拌均匀，对其复钻是必要的，一般复钻深度为设计桩长的2/3。由于装置的回路是封闭的，在回路内输送过程中，粉体不会向空中喷发与飞散。在搅拌钻头距地表30～50 cm处停止喷粉，则粉粒不会溢出地面。

4.11 钻机移位

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。

5 施工注意事项

在施工过程中除严格按照上述施工工艺进行外，同时必须注意以下事项。

5.1 水泥用量的控制

水泥用量的多少，喷射的均匀性，是粉喷桩质量好坏的关键，应注意水泥单位时间的喷射量和水泥喷射的时间同步；在喷粉时灰罐内的气压比管道内的气压高出0.02～0.05 MPa确保正常送粉；粉体喷射机安装位置与搅拌机施工最远距离不超过60 m，否则灰管阻力增大，送灰量不稳定。水泥用量的误差不得大于±1%。

5.2 防止管道堵塞造成断桩

管道堵塞一般有三种情况。一是钻机钻孔时，泥沙进入钻头中部小孔将钻头内空心部分堵死。对于这种情况，钻机开钻后，不能长时间关闭空压机，应等钻进一定深度后启动一次，将泥沙吹出。第二种情况是突然停电，地下水进入小孔，水泥与水起反应将钻头堵住，使水泥无法喷射。这时，可分两步处理，如果时间在1～2 h内，可以不拔钻杆，来电后再吹出水泥混合物。如果估计时间较长，应启用备用电机。第三种情况是在粉体发送器中有一个气水分离器，用于收集因压缩空气而产生的凝结水，施工时应经常排除分离器中的积水，防止因水份进入钻杆而堵塞送粉通道。

5.3 保证计量装置的准确性

粉喷桩机必须配置粉料计量装置，严禁无计量装置或计量不准的喷粉机投入使用，并记录水泥的瞬时喷入量和累计喷入量，储灰罐容量应不小于一根桩的用量加50 kg。当上述重量不足时，不得进行下一根桩施工。

5.4 施工中注意地质变化

施工中发现钻进困难，电流偏高，其原因可能是遇到石块或地下土质过硬，此时应减慢钻进速度和旋转速度，同时判断地质情况变化，是否提前进入持力层。

5.5 桩头下陷

桩施工完成后发现桩头下陷，原因是淤泥层局部呈流塑状，含水量高，原地层经搅动后出现塌陷、压缩或串孔现象，遇此类情况，应先用粘土或砂土回填密实重新施工。相邻桩可采用跳开间隔施工法，避免施工对邻近桩造成影响。

5.6 桩头的养护

因软基的铺筑有50 cm左右干状土，这部分土含水量低，水泥桩顶部强度上来慢，不易成型。因此打完桩后，适当给桩头浇水养护，确保粉喷桩质量的稳定性。

5.7 质量检验

施工一定范围内的粉体搅拌桩后，应进行质量检验。检验项目包括：固化材料用量，粉体桩垂直度，桩位偏差，桩长，桩直径。其检验容许偏差及频率等必须满足施工设计图及有关施工技术规范要求。

6 结语

大广高速河南开封至通许段高速公路9标于2006年底完工，距今已有两年多。其沉降观测结果：在施工完成当年沉降量为29 mm，一年后通过不间断的观测沉降量累计为33 mm，沉降趋于稳定。实践证明，采用深层水泥搅拌法（粉喷桩）加固该段软土路基施工效果良好。

参考文献

[1]刘吉士，阎洪河.公路路基施工技术[M].北京：人民交通出版社，2003：354-372.

[2]李上红.公路工程施工常见地质病害处治技术[M].北京：人民交通出版社，2004：34-42.

[3]JTG F80/1—2004.公路验收评定标准[S].