粉喷桩桩间土强度提高的试验研究

袁亦敏,柳家海，周洎锟

(1.常州市建设工程施工图设计审查中心,江苏常州213002；2.常州市基础工程公司,江苏常州213017)



粉喷桩桩间土强度提高的试验研究

袁亦敏1,柳家海2，周洎锟2

(1.常州市建设工程施工图设计审查中心,江苏常州213002；2.常州市基础工程公司,江苏常州213017)

摘要：根据《建筑地基处理技术规范》，粉喷桩复合地基桩间土的承载力特征值可取天然地基的承载力特征值。实践证明，对常规的粉喷桩施工工艺加以改进，其桩间土强度与天然地基相比有明显提高，且时效性增长。因此，采用处理后的桩间土强度指标进行粉喷桩复合地基承载力的计算是可行的。

关键词：粉喷桩复合地基; 桩间土强度; 时效性增长

0引言

桩体与桩间土同时直接承担荷载是复合地基的基本特征，也是复合地基的本质。《建筑地基处理技术规范理解与应用(按JGJ 79—2012)》中提到：“……关于混合体以外土的性状有无改善的问题，经测试认为，虽然固化材料可以从混合体向周围渗透，但其反应缓慢，渗透范围有限，应用中不予考虑。因此，桩间土仍采用天然地基的力学指标。至于粉喷时水泥粉吸水所产生的影响也忽略不计。”[1-2]

实践证明，用本文改进的粉喷桩工艺施工，桩间土地基承载力有很大提高。粉喷桩复合地基强度随着时间的延长明显增大。

1粉喷桩桩间土强度提高的案例

1.1江苏华耐七车间工程[3]

该车间场区软土厚度变化很大，从Q3正常沉积土(fak=240 kPa)至软土厚度19.4 m，设计采用粉喷桩局部加固处理软基(fak=70 kPa)。用上海探矿机械厂生产的功率为45 kW，可施工22 m长的粉喷桩机施工，配备2台2.8 m3/min，0.8 MPa气压的空压机，增加1 m3的储气罐。该工程原状土与桩间土静力触探值对比见表1。探测发现，软土底部3 m左右，桩间土静力触探值明显提高。

表1　华耐天然土与桩间土静力触探值对比

1.2常州钜苓铸造新建车间三工程[4]

常州钜苓铸造新建车间天然土与粉喷桩桩间土静力触探曲线对比见图1。新建车间三长130 m，宽45 m，西侧为24 m×45 m的3层框架结构，柱距8 m×9 m，地面荷载10 kN/m2,东侧为单层排架结构，高22 m。场区跨越2个工程地质单元，即Q3正常沉积区(fak=260 kPa)和暗河塘软土分布区(fak=65 kPa)，软土占2/5，厚3～15.5 m不等。设计采用粉喷桩局部处理软土，设计要求fspk=160 kPa，Ra=98 kN，m=0.3(有效桩长6.4 m以上)。当有效桩长小于6.4 m时，Ra=70 kN，m=0.4。

qc单位：MPa;fs单位：kPa;标高单位：m图1　车间三天然土与桩间土静探曲线对比图

粉喷桩施工结束，在原勘察孔附近的桩间土内做了静探试验，桩间软土及桩端土静探值提高十分明显。从设计到竣工总计493 d，竣工时天然地基累计沉降9.71 mm，i=0.016 8 mm/d，复合地基累计沉降9.68 mm，i=0.017 8 mm/d。其实际沉降量远小于计算沉降量，与桩间土强度的提高有关。

1.3常州武进横山桥污水处理厂污泥系统改造工程[5]

该工程天然土与桩间土静力触探值对比见表2。该工程地基中淤质土较厚，采用长短桩相结合布桩，短桩有效桩长9 m，保证Ra=90 kN，长桩进入软土下相邻下伏持力层1 m，控制沉降，桩间土上部6 m左右，qc及fs增长较大，说明该场地位于河道的陡坡带是回填的松散土。经粉喷桩气压的挤密及劈裂，水泥粉进入裂隙。淤质土的底部及桩端持力层，桩间土静力触探值也明显增加。再下钻进预搅地基土，下沉至距孔底1.5 m左右开始喷粉，并向下钻至要求孔深，继续喷粉搅拌提升。桩端部0.5 MPa的气压使持力层压实，使淤质土底部软土也被挤压密实，且使软土环向剪切劈裂让水泥粉进入裂隙内，引起强度增长。

表2　污水厂天然土与粉喷桩桩间土静力触探值对比

1.4常州轴承总厂车间三工程[6]

常州轴承总厂车间三天然土和桩间土静力触探值对比见表3。6年前，该单位在车间三场区已施工了粉喷桩，但没有做静载荷试验。因生产发展的需要，该厂对车间三另行设计，将前后两桩位图按坐标重合，进行粉喷桩补桩施工。桩间土静力触探选择了2 100 d以前施工的桩间土。

表3　常州轴承总厂车间三天然土及粉喷桩休止2 100 d后桩间土静力触探值对比

注：②层淤泥质粉质黏土休止2 100 d后桩间土加权平均值qc=1.8 MPa，fs=30.01 kPa。①、③、④-1、④-2土层在天然土状态下均为淤泥质粉质黏土。

由表3可看出，桩间土静力触探值的变化与桩间土的排水固结有关。该工程粉喷桩施工前后相距2 100 d左右，正常龄期的粉喷桩施工参数及静载荷试验结果见表4。

表4　粉喷桩施工参数及静载荷试验结果

从表4可看出，随着龄期的增加，在相同的荷载条件下，沉降量减少1/2,即粉喷桩桩身强度及桩间土强度明显增加。从粉喷桩休止2 100 d后静载试验的回弹率可看出，水泥土接近弹性状态。经取样分析测试，粉喷桩休止2 100 d后水泥土无侧限抗压强度平均值达3.16 MPa，是90 d龄期水泥土无侧限抗压强度的1.52～1.88倍。

2机理分析

粉喷桩施工中，空压机是关键设备，使用排气量为1.6 m3/min的空压机，最佳处理深度为8 m。近几年的实践中采用2台2.8 m3/min空压机，附加1个1 m3储气罐，施工时开始气压为0.8 MPa，最终气压保持在0.5～0.6 MPa，保证在施工过程中有足够的气压及气量输送水泥粉体，并对周围土体产生明显的挤压、剪切、劈裂效应。

武进遥观某轨道厂采用粉喷桩处理软基，在车间柱基及条基施工完毕后，上部施工单位进行承台基础及条基圈梁施工。业主要求对车间内设备基础用粉喷桩进行加固处理。距地圈梁1.8 m处开始施工粉喷桩，施工数天后发现地梁变形，向外弯曲，最大变形达20 cm。又有一河道石驳岸，岸边是堆场，业主发现石驳岸向外倾斜，要求用粉喷桩加固处理堆场。距石驳岸1.8 m开始施工粉喷桩。为验证粉喷桩施工是否引起驳岸向外变形，在驳岸顶做记号，打20余根桩后，发现驳岸顶最大向外位移20 cm左右，停止施工。以上现象说明粉喷桩在施工过程中，强大的喷粉压力作用于桩壁及桩端，使桩周及桩端土体产生压实作用，通过周围土体，将压应力向外传递，使有临空面的条基梁与石驳岸向外变形。

某一粉喷桩复合地基加固工程A-6-7两承台，承台尺寸4.8 m×3.7 m，桩数7×5根，北部5排桩11月13日施工，施工用电0.86 (kW·h)/m。南部2排桩11月22日施工，施工用电0.98 (kW·h)/m,说明11月13日施工的桩对相邻侧的土有挤压、吸水作用，故11月22日对桩施工时施工电流增大，用电量增加。如11月13日，沉桩深度10～11 m时施工电流为5挡35 A,而11月22日沉桩深度10～11 m时，施工电流为5挡70 A。

目前，大部分粉喷桩机最大扭距仅8.6 kN·m，根本无法进入硬塑状黏性土层，采用上海产GPP-5E型粉喷桩桩机施工，其最大扭距达28 kN·m,可进入硬塑状黏性土层1～1.5 m。因扭距大，故钻头旋转对孔壁产生的环向剪切力也大，当剪切力大于桩周土体的抗拉强度时，对桩周土体产生气压剪切劈裂作用，使桩周形成裂隙，并扩展、贯通。水泥粉随高压空气通过劈裂裂隙渗入桩周土内。若地表有水，粉喷桩施工时可见桩机周围4～5 m地表各处有气泡冒出，这是高压空气随裂隙排出地表造成的现象。水泥粉随着这些裂隙进入桩间土内，形成线状水泥土网络(或条带状水泥土)。桩周土裂隙内的水泥与土体发生反应，使桩间土及桩端土强度明显提高，桩间土内的水分也通过劈裂裂隙内的高压空气排出地表。桩间土内的静力触探曲线呈锯齿状，说明桩间土内存在条带状水泥土，使实测复合地基承载力远比按文献[1]计算的复合地基承载力高。

在粉喷桩设计理论中，认为成桩后桩间土的强度变化很小，故用天然地基强度代替。而在工程实践中，水泥水化要吸收大量水分，随着含水量降低，桩间土的强度将提高。桩体水泥水化，使含水量减少，促使桩间土水分向桩体运移。桩体水泥土由于土的团粒化，土颗粒变大，有利于毛细水的上升运移并蒸发，故随着粉喷桩休止时间的延长，桩间土的强度也逐渐提高。一般在粉喷桩开挖，地面四周桩间土干燥后，粉喷桩顶部仍是潮湿的，这是桩周围软土层中的水分向桩身迁移，再通过毛细水上升运移、蒸发的结果。在粉喷桩复合地基加荷后，这一过程仍将继续并加快。上述常州轴承总厂车间三粉喷桩施工2 100 d后，桩间土静力触探与天然土静力触探结果完全不同，就是桩间土排水固结造成的。

3结论

改进型粉喷桩工艺施工，主要是提高空压机的压力及风量，高压的水泥粉及空气对桩端及桩壁产生挤压，正反旋转使桩壁产生剪切力，桩间土产生气压劈裂裂隙，高压水泥粉通过劈裂裂隙进入桩间土，形成线状水泥土网络，促进进入桩间土内的水泥水化，造成含水量减少，从而使桩间土强度明显提高。所有桩间土静力触探值均表明软土底部及桩端持力层强度明显提高，主要是因深度较大，孔底压力较大(约0.5 MPa)，使压缩空气产生气动搅拌，提高了桩端2～3 m内桩间土强度。实践证明，粉喷桩桩间土强度远比按文献[1]公式计算值大。

水泥土强度随着龄期的增长而增大，文献[1]认为龄期超过90 d后水泥土强度增长缓慢，通常取标准养护龄期90 d时的抗压强度fcu作为计算标准。工程实际资料表明，粉喷桩休止2 100 d左右，水泥土强度是龄期90 d时水泥土强度的1.52～1.88倍。文献[1]虽未考虑长期效应水泥土强度的增长，但可将其当作一种安全储备。同时，也可看出取28 d龄期的单桩承载力特征值及复合地基承载力特征值过于保守。

[参考文献]

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

[2]滕延京.建筑地基处理技术规范理解与应用：按JGJ 79—2012[M].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[3]常州市基础工程公司.江苏华耐车间七粉喷桩加固处理施工质量验收报告[R].常州：常州市基础工程公司,2011.

[4]常州市基础工程公司.江苏常州钜苓铸造有限公司车间三粉喷桩加固处理施工质量验收报告[R].常州：常州市基础工程公司,2010.

[5]常州市基础工程公司.江苏常州武进横山桥污水处理厂软基粉喷桩加固处理桩间土静力触探报告[R].常州：常州市基础工程公司,2013.

[6]常州市基础工程公司.江苏常州轴承总厂车间三粉喷桩桩间土静力触探报告[R].常州：常州市基础工程公司,2012.

责任编辑：唐海燕

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.03.002

收稿日期：2016- 03- 29

作者简介：袁亦敏(1963—)，男，硕士，一级注册结构工程师。

中图分类号：TU472

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2016)03- 0006- 04

Experimental Study on Increasing the Strength of the Soil Around DJM Piles

YUAN Yimin1，LIU Jiahai2，ZHOU Jikun2

(1.Changzhou Building Construction Drawing Design Review Center,Changzhou 213002；2.Changzhou Foundation Engineering Company,Changzhou 213017)

Abstract：According to Technical Code for Ground Treatment of Buildings,for composite foundation with dry jet mixing (DJM) piles,the characteristic value of bearing capacity of soil around piles are the same with that of the natural foundation.It is proven that the strength of the soil around DJM piles increases considerably and lasts longer when the improved construction process is applied.Therefore,it is feasible to take the strength of the soil around DJM piles after treatment in calculating the bearing capacity of DJM pile composite foundation.

Key words：DJM pile composite foundation;strength of the soil around piles;longer effect