浅析粉喷桩加固机理及其在万丰路工程中的应用

陈文波

株洲市建筑设计院有限公司，湖南株洲 412000

随着我国经济技术快速发展，软基处理方式越来越多，目前最常用的有换填法、排水固结法、挤密法、砂石桩法、振冲法、强夯法、灌浆法、水泥土搅拌法等。我国地域辽阔，地质条件千变万化，各地施工机械条件、技术水平不尽相同，应根据不同条件合理选择处理方法。粉喷桩是水泥搅拌法中的一种，本文通过阐述粉喷桩加固机理，结合万丰路中粉喷桩的应用，对粉喷桩的设计、施工工艺及质量检验进行介绍，供相关人士参考。

1 粉喷桩的加固机理

1.1 定义及适用范围

粉喷桩属于深层搅拌法加固地基方法的一种形式，利用水泥等材料作为固化剂主剂，通过专业机械与软土强制搅拌，利用固化剂与软土之间一系列物理化学反应，形成整体性、水稳性较好的具有一定强度的优质地基，适用于加固各种成因的饱和软粘土，常用于加固淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高的粘性土，目前在国内外广泛应用，国内陆地上的施工实例处理深度已达27m（施工机械能力为30m）。

1.2 水泥加固土的原理

粉喷桩的加固机理基本是水泥加固土的物理化学反应过程，水泥水解和水化反应在有一定活性的介质土中进行，由于水泥掺量很小，水泥土硬化速度缓慢且作用复杂，受土质条件影响较大，其强度增长的过程与混凝土硬化相比较慢。

粉喷桩的粉体主要采用普通硅酸盐水泥，由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、三氧化硫等组成，由这些氧化物通过化学反应生成不同的水泥矿物。在反应中生成的氢氧化钙、水化硅酸钙能速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露并与水反应，周围的水溶液就逐渐达到饱和，新生成物以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。

当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与一定活性的粘土颗粒发生离子交换、团粒化、凝硬反应，从而形成固结体。水泥加固土的强度主要来自水泥水化物的胶结作用。

2 粉喷桩在新马EBD万丰路中的应用

2.1 工程概要

万丰路位于新马EBD的核心地带，是新马EBD东西向重要的城市主干路，路幅宽度32m，全长约3.0km。道路范围原地貌为农田，因万丰路南侧万丰湖已完成围湖蓄水，路基范围部分被水淹，形成“水塘”，面积较大，且水深平均约4m。针对该路段软基处理，建设单位组织专家对路基处理方案进行了论证，综合施工条件、进度和成本考虑，最终选择回填路基后采用粉喷桩对路基进行处理。

2.2 工程地质条件

根据地质勘察报告，粉喷桩处理范围内路基原地貌为农田，最上层为淤泥质粉质粘土，呈灰黑色，具腐臭味，饱和，流塑，属松土，深度约0.7m，不能作为路堤基础持力层；第二层为粉质粘土，褐黄色，土质较均匀单一，含少量铁锰质结核，无摇震反应，稍有光滑，干强度及韧性中等，湿，硬塑，属普通土，可作为路堤基础持力层。

2.3 设计计算

粉喷桩的设计主要包括处理范围、处理深度、桩体间距、施工工艺等。

2.3.1 粉喷桩处理范围

粉喷桩的处理范围应参考路基基础要求，兼顾各类构造物、管线的情况，同时考虑现场施工条件。万丰路路基范围内水位标高为40.8m，为便于施工，填土至水位以上0.5m作为粉喷桩施工面，以填方区边坡1：1.5坡率计算确定粉喷桩范围。

2.3.2 处理深度

粉喷桩加固深度为穿过软土层，入路基持力层深度不小于0.5m，平均桩长7.0m计。

近年来流行病学和遗传学的研究显示， 生物钟节律是广泛存在于生物体中重要的内源性调节机制，其对糖、脂肪等代谢的调控是调节能量代谢的重要途径，同时也使能量代谢变化呈现出重要的特征——节律性以来适应生理功能的需要[11]。更重要的是，时钟基因震荡节律的异常与糖代谢以及心血管疾病密切相关[12-13]。有研究发现，生物钟昼夜节律紊乱可导致糖代谢障碍、胰岛素抵抗和代谢综合征等[14],同时生物钟节律紊乱也可能是糖尿病产生和进展的重要促发因素[15]。如前所述，积极探索糖尿病对心肌时钟基因Bmal1/Per2的影响及具体形式可能为防治糖尿病心肌病提供新的治疗方向。

2.3.3 桩体间距

根据株洲地区粉喷桩的应用情况，桩径一般采用500mm，水泥渗入比为12%时，桩身强度一般为1.0～1.2Mpa。根据桩身断面尺寸、每层土的侧阻力特征值及厚度计算单桩承载力。公式为：

根据道路路基设计要求，地基承载力要求为150kpa以上，据此计算置换率，公式为：

由置换率计算总桩数，公式为：

粉喷桩呈梅花桩布置，根据总桩数及处理面积可以计算得出桩间距。本工程粉喷桩间距为1.2m，如图1。

图1 粉喷桩平面布置图

通过粉喷桩设计可知，粉喷桩间距、桩长主要受软土层厚度、桩间土的侧阻力及桩端天然路基土的承载力影响较大，因此，进行粉喷桩路基处理设计前，应加强对软土路基勘探，获取与现场情况相符的地质参数。

2.3.4 其他设计参数

（1）水泥：采用42.5级普通硅酸盐水泥。

（2）碎石垫层：采用未筛分碎石，最大粒径不超过30mm。

2.3.4.2 施工技术要求

（1）粉喷桩喷灰量每延米不小于55kg，水泥土7d无侧限抗压强度不小于1200kpa，正式施工前须进行试打，以确定最终每延米喷灰量及桩长，并打入路基持力层以下0.5m。

（2）施工前应先进行工艺试桩，以检验机具性能及单位桩长喷粉量、工作压力、钻进和提升速度等技术参数，每个作业点工艺试验桩不少于5根。

（3）粉喷桩施工严格按工艺试桩试验参数进行。钻杆提升作业时应控制搅拌速度，边喷粉边搅拌边提升，钻头提升至设计停灰面（粉喷桩桩顶标高以上0.5m）时，停止喷粉，并慢速原地搅拌2～3min。

（4）设备就位后必须平整，确保施工过程中不发生倾斜和移动，机架和钻杆的垂直度偏差不大于1.0%，施工中加强对钻杆垂直度的观测，如发现偏差较大应及时调整。

（5）施工前进行桩孔定位，钻机与桩位对中偏差不得大于20mm。

（6）严格控制喷粉标高和停粉标高，不得中断喷粉，严禁在尚未喷粉的情况下进行提钻作业。

（7）施工中若出现喷粉量不足，应整桩复打，复打喷粉量应不小于设计用量。

（8）搅拌头预拌下沉时电机的工作电流在试桩时应结合地勘报告，依据电流变化情况，得到判断进入持力层的依据，不得超钻。

2.4 施工工艺

施工前应做好施工准备和实施组织设计，并进行工艺性试桩。施工顺序如图2。

图2 粉喷桩施工顺序

2.5 质量控制及检验

成桩28d还应采用复合地基荷载试验检验承载力，复合地基承载力要求不得低于150kPa，检验数量必须大于桩总数的1%，且单项工程不应少于3根。该工程检测流程如下：将设计承载力作为控制标准，最大承载力为400kN，是设计承载力的2倍，加载分为8个层次，加载一级后间隔一定的周期观测一次，时间间隔分别为5、10、15、30min，详细记录观测信息。卸载按照等量法分为四级，每级持续时间为1h，卸载后观测一段时间，时间间隔分别为5、10、15、30min，卸载至0时，观测桩顶残余沉降量。该项目抽检质量与设计要求相符[3]。

3 结语

软土地基的存在会对道路基层性能造成影响，为保证道路建设质量，需做好软基处理工作。粉喷桩法作为软土路基处理方法之一，其具有处理效果佳、施工便捷等优势。如何做好路基处理中的粉喷桩应用，应从设计阶段着手深入研究，施工阶段加强管控和检验，以期达到好的建设成效。