粉喷桩技术在加固软土地基工程中的应用研究

梅 健

(南京城市建设管理集团有限公司， 江苏 南京 210000)

0 引言

随着基础设施的大规模建设，交通工程的穿越范围越来越大，尤其是穿越软土区域时，如果不能进行有效的加固处理，将会造成较为严重的质量问题。因此为了保障软土地基足够的承载能力，必要的加固处理成为首选。根据以往案例可知，当软土厚度超过一定程度后，其中自由水不易排出，大大降低软土地基固结速度，无法保证地基在规定时间内达到足够的强度。如软土地基处理不慎，则容易发生软体地基下沉，甚至坍塌的现象，从而对于上部建筑结构造成较大的影响00。针对软土地基的处理，粉喷桩是当前采用最多的一种加固处理方法，有效解决了软土地基不均匀沉降或沉降过大带来的质量问题。然而据可查文献，当前粉喷桩加固技术的研究，主要集中在工程应用方面，缺乏从原理、设计、施工、质量控制和检测的系统研究，限制了粉喷桩加固处理技术的进一步应用000。因此在对比分析相关软土地基处理技术经济性和适用性的基础上，针对实际工程概况，选择粉喷桩技术加固处理软弱地基，然后对粉喷桩的加固机理和单桩承载力、强度标准值、面积置换率和相应的桩基数量等技术参数进行了计算分析，然后对于粉喷桩施工的工艺进行了详细介绍，并针对关键施工工艺的技术参数进行了重点介绍，最后通过静载试验检测了复合地基的承载能力，结果证明粉喷桩加固软土地基技术具有较好的适用性，本文系统研究粉喷桩加固软土地基在实际工程的应用，对于未来类似工程提供一定的工程和理论经验。

1 工程背景

1.1 工程概况

某道路位于某城市核心地带，是城市东西向重要的城市主干路，全长3025m，位于某天然湖泊的北侧。道路标准路幅宽度为32m,为双向6车道。天然湖泊开园蓄水后,常水位标高为40.8m，道路穿过路段部分位于淤泥区域，地基承载能力相对较弱。

1.2 地质条件

道路穿越区域位于湖水冲积区域，根据勘察资料可知，自上而下分别为人工填土、一般粘性土、淤泥质土、粉土、粉砂，具体物理力学性能指标如表1所示。

表1 土层物理力学性能指标统计表

根据表1地质勘察资料显示，如果软土地基不进行处理无法满足承载要求；如果进行钻孔灌注桩进行处理，则经济代价较高，因此建议选择粉喷桩对于软土地基进行处理，提高软土地基的承载能力。

2 粉喷桩加固地基设计分析

2.1 加固原理

粉喷桩加固处理软土地基的原理，主要利用水泥材料等作为固化剂，通过深层分体喷射搅拌机将固化剂输送至桩头，以雾状形式喷射软弱土中，固化剂与周围软土充分搅拌混合。由于固化剂在吸水后会发生较为复杂的物理化学变化，使得软土地基的整体性、水稳定性和强度大大增强。

由于固化剂掺入量相对较少，水泥等固化剂的水解和水化反应是在一定活性介质-土中发生的，因此复合地基的强度增长过程相对缓慢，具体硬化过程具体如下：

（1）水泥土的水解和水化反应。

作为普通硅酸盐的主要成分，CaO、CaO2、Al2O3、Fe2O3及SO3等氧化物分别组成不同的水泥矿物，如Ca3SiO4、Ca2SiO4、Ca3Al2O3、Ca4Al2O3、CaSO4等。在用水泥等固化剂作用于软土地基时，矿物材料发生水解和水化反应生成碱性化合物。

（2）土颗粒和水泥化合物的作用。

水泥水化物生成后，部分水化物成分继续硬化，形成水泥石的骨架结构；部分水化物则与活性粘土颗粒发生反应，具体如下：

①交换和团粒化作用。粘土与水混合会形成胶体，如土中SiO2遇水后则会形成硅酸胶体颗粒，表面的Na+和K+能够与水泥水化形成的Ca+2发生吸附交换，较小的土体颗粒得以集聚，形成大土体颗粒，复合地基土的强度大大提高。

② 硬凝反应。水化反映的逐步推进，大量的游离Ca2+在达到一定浓度后则会在碱性环境下形成不溶于水的结晶化合物，提高复合地基的承载能力。

（3）碳酸化作用。

由于桩头搅拌的机械作用，原土地基中不可避免存在未完全粉碎的土块，水泥土固化过程中形成水泥颗粒，在水解产物的作用下，土体性质得到改善，但是容易存在复合地基强度不均的问题。

2.2 加固设计

（1）粉喷桩单桩承载力Nd确定

根据勘察资料进行设计，粉喷桩桩长度L=22.10m，桩径D=500.0mm，则粉喷桩的单桩承载力计算如下式所示：

（2）加固土强度标准值qa确定 加固后土体强度标准值qa满足设计要求，具体计算公式如下所示：

（3）粉喷桩面积置换率m的确定 粉喷桩面积置换率计算如下式所示：

（4）粉喷桩桩数确定及布桩方式选择

关于粉喷桩加固软土地基，数量计算如下式所示：

3 粉喷桩在软土地基中的加固技术分析

关于粉喷桩加固软土地基，需要首先根据试桩确定相关参数，然后按照施工工艺施工，最后通过质量控制保障施工质量，以下进行详细介绍。

3.1 工艺性试桩参数确定

为了保障粉喷桩技术在软土地基加固处理中的应用效果，需要进行工艺性试桩，从而确定实际成桩过程中的基本参数。根据本工程地质情况和工程规模，确定5根工艺试桩，得到相应的施工工艺参数如表2所示。

表2 工艺性试桩参数

3.2 粉喷桩在软土地基施工工艺

粉喷桩加固处理技术在软土地基中的应用，施工工艺如图1所示。

图1 粉喷桩施工参数确定

根据图1可知，粉喷桩加固软土地基的关键施工工艺如下所示：

（1）桩机就位

施工前首先需要测放轴线和桩位，并进行标定。

（2）下钻作业

在粉喷桩施工时，首先应保证钻头正向旋转，边钻边旋转，为了保障喷头流畅，此时通过喷射压缩空气代替水泥等固化剂。在钻头下钻过程中，应控制钻进速度，根据钻机电流变化实施钻进作用，保障下钻过程的安全顺利施工。

（3）提升喷粉搅拌

提升钻进进行喷粉搅拌作业，在反向旋转提升钻头的同时打开钻机控制阀，然后喷射水泥等固化剂，边提升边喷射边搅拌，使得软土地基尽量搅拌均匀，使得软土与水泥充分缓和，相应的喷射量应与钻机提升速度相适应，应根据设计匹配二者之间的关系。

（4）复搅作业

二次搅拌作业，首先钻头正向旋转，达到设计转速后进行复搅作业。在完成单个粉喷桩的施工作业和复搅后，需要关闭钻机和钻头，进行桩机转移至新孔位进行施工作业。

3.3 关键施工工艺的质量控制要点

关于粉喷桩加固软土地基，不仅需要严格按照施工工艺顺序进行施工，同时对于关键工序进行严格控制，具体如下：

（1）桩基就位：桩头与设计桩位中心线不得有超过50.0mm的偏差，垂直度偏差不得超过1.0%。

（2）下钻：下钻过程中，首先应用压缩空气代替固化剂进行喷射，可以保障钻进过程的顺利；

（3）提升钻头并反转：在完成下钻过程后应及时提升钻头进行喷射作业，关于提升速度应根据地质情况和设计参数确定；

（4）提升结束：在钻头提升值地面30.0～50.0cm时，应停止喷射；

（5）复拌：在完成喷射和提升作业后，应及时进行二次复搅作业，首先钻机钻机1/3的设计深度，边提升边反向旋转。

4 加固地基的性能检测

为了保障粉喷桩加固软土地基的效果，需要对于复合地基的承载能力进行检验，荷载试验是当前行之有效的检验方法。在桩身强度能够满足设计要求后，在被测地基安置平板，复合地基承载能力经理荷载试验具体如图2所示。

图2 荷载试验加载装置图

根据荷载设计进度和现场荷载试验情况，绘制相应的荷载-沉降曲线，得到地基承载力如表3所示。

表3 静力荷载试验结果表

根据表3可知，复合地基承载能力换算值最小为163.0kPa，能够满足设计要求，且具有一定的承载潜力和安全冗余。

5 结论

通过粉喷桩加固软土地基技术在某实际工程中的应用，本文主要得到以下结论：

（1）粉喷桩加固技术是当前软土地基处理中较为经济、可靠的；

（2）根据粉喷桩加固处理软弱地基的原理，进行了单桩承载力、加固土强度标准值、粉喷桩面积置换率和桩数量的计算分析；

（3）粉喷桩加固处理地基的施工工艺介绍，关于下钻、提升、复搅等关键施工工艺进行了详细的控制技术参数介绍；

（4）为了检验粉喷桩加固处理软弱地基的效果，进行了复合地基的承载能力静载试验，结果证明复合地基承载能力能够满足设计要求。