桥梁加固中粉喷桩施工技术应用探讨

胡勇，李长杰

（1.江西省高速公路物资有限公司，江西 南昌 330002；2.上饶市鄱阳公路事业发展中心，江西 鄱阳 333100）

1 粉喷桩施工技术概述

粉喷桩加固技术能有效实现软弱地基的改良和加固，大量工程实践证明，该技术能显著提升软基的承载力和水稳性，加速工后沉降。此外，喷粉施工完全通过密封装置进行，不会对环境造成污染，更不会在搅拌和加固施工过程中产生振动和噪声，属于绿色环保型施工技术。粉喷桩加固工艺能根据施工现场实际情况灵活选择脚骨料和施工方案，所使用机械设备也较为简单，机械费用低，施工工效高。粉喷桩加固技术主要适用于地下水位埋深大，地基土实际含水量较高且地下水pH值在4.0及以上的粉质土、黏性土、素填土、松散砂土[2]。当前该技术已经在公路、桥梁、建筑地基及基坑支护等领域得到广泛应用，为增强软基加固效果，该技术也可以和其他软基处理技术结合使用[1]。

2 粉喷桩施工技术的应用

2.1 工程概况

某桥梁工程为特大型斜拉公路桥，该桥梁长2.982km，共设置113孔，宽幅预应力混凝土空心板上部结构跨径分别为20m和30m，为先简后支钢构连续梁结构体系，孔径按照13×30m+14×30m+3×50m+14×30m+13×30m+15×20m+1 3×20m布置。结合结构承载力评价结果，跨径20m和30m的主梁在极限状态下承载力较大，但桥引线段地处黄河淤泥土及部分淡水鱼塘内，土层承载力不足，为提升地基承载力，保证桥梁结构的稳定性，决定对该段软基进行粉喷桩加固处理，粉喷桩设计桩长分别为9m、12m和16m，桩间距1.2m，单桩设计承载力值为100kN。

2.2 施工机械及参数

本桥梁软基加固处理主要采用粉喷搅拌桩机，该机械主要部件包括底架、传动系统、钻杆、液压系统、送粉系统、气力输送系统等。与一般粉喷桩机相比，该机械送粉效果更佳，其在钻杆提升的过程中，水泥粉体会从储存罐经由钻杆后从钻头喷出，由钻头进行水泥与原土的搅拌，并最终形成强度符合设计要求桩体。本桥梁工程粉喷桩机由人工控制，但是人工控制方式下打桩效率及成桩质量受控制人员技术水平影响较大，且成桩施工过程中缺乏对常见故障的监控。

2.2.1 钻深

粉喷桩钻深的确定应根据工程区软土深度、软土类型、主机功率等进行综合确定，根据地勘资料，工程区软土埋深在3.4～16.5m之间，钻深过大则必将增大主机功率和工程造价，所以结合类似工程施工经验，当钻深不足20m时可增设步履式底盘，既能保证钻进过程的稳定，又能控制工程造价。

2.2.2 桩径

随着粉喷桩桩径的增大，制造难度、造价和主机功率等均增大，且桩径和钻深必须保持一定的匹配关系，当钻深达到15～20m时，桩径应控制在Ф500～Ф600以内，而当钻深达到25～30m时，桩径应控制在Ф800～Ф1000，才能在符合经济性要求的基础上获得最佳的加固施工效果。

2.2.3 扭矩及主机功率

粉喷桩钻杆扭矩与桩径、软基性质、钻深、钻头类型等均有关系，本工程主要采用经验公式进行粉喷桩钻杆扭矩的确定，具体如下：

式（1）中：M：粉喷桩钻杆扭矩（N·m）；k：修正系数，与软基土类型有关，取2.0；D：粉喷桩设计桩径（m）。该公式的应用以粉喷桩机处于50～70r·min-1的正常回转速度范围内为前提，本工程设计桩径为Ф600，粉喷桩机回转速率为60r·min-1，则由式（1）可得，其钻杆扭矩为5257.4N·m。

2.2.4 回转速率

国外粉喷桩机转速在20～100r·min-1范围内，而国内粉喷桩机正常回转速度范围为50～70r·min-1，回转速率越高则扭矩越小，机械摆动过大而稳定性差，而回转速率降低则扭矩增大，工作效率降低。本工程粉喷桩机回转速率应选用30r·min-1、60r·min-1和90r·min-1三个挡位，其中60r·min-1为一般工作挡，如遇土质过硬、卡钻等情况，应调整至30r·min-1挡位，如需增大钻进土体通气孔隙和搅拌次数，则应选择90r·min-1挡位。

2.3 钻机就位

在钻机进场前，应将施工场地整理平整后铺设砂垫层，并进行桩位测放。钻机进场后应在钻架上标出钻深控制标示，以便进行桩长的配合控制，同时将2条长度为3.0m的垂线悬挂在钻架上以进行桩倾斜度控制。

2.4 钻速控制

粉喷桩钻进过程中必须按照施工参数控制钻速，以确保桩体土充分搅拌及喷粉后均匀搅拌。在喷粉过程中应按设计要求提升钻速，随着钻头钻速的提升搅拌水泥粉均匀喷出并与周围软土充分混合，发生物化反应后形成具有一定强度的水泥土。可见，钻头速度的提升对于单位喷粉剂量、搅拌程度等作用重大，也是确保粉喷桩加固施工质量的关键性环节。

2.5 喷粉施工

本工程主要采用SJC型水泥土搅拌桩剂量检测仪进行粉喷桩喷粉量的计量，该仪器安装简便、操作便捷、结果直观，且其喷粉量控制深度单位为0.1m，结果精准，喷粉均匀，测量和记录过程均自动进行，还能打印施工数据和成桩曲线，便于隐蔽工程喷粉质量控制。该仪器计量参数的设定需通过权威部门，严禁施工单位和操作人员自行设定修改。

粉喷桩喷粉压力主要取决于钻头处的被动土压力，为保证扣除阀门、管道等喷阻阻力损失后的剩余压力值不小于被动土压力，本工程提钻喷粉压力应比钻头处被动土压力至少大0.1MPa，且该压力应随提钻高度的增大而逐渐减小。在上述提钻过程中，必须确保喷粉压力处于相对稳定水平，并使其随提钻高度的增大而匀速减小，以保证均匀喷粉及施工质量。待钻进至设计深度，不得立即提钻喷粉，必须使水泥粉输送进管道到达钻头的时间超过20s。而本工程水泥输送初期黏稠度较低，按照设计管长，标准用量水泥输送至桩底至少需要60s，如未达到这一时间提前提钻喷粉，则会使桩底1.0～2.0m范围内水泥剂量过少，影响粉喷桩加固质量。

在提钻至距离地面50cm处停止喷粉并复搅，以增强水泥土拌和的均匀性，使软土与水泥固化剂充分发生物化反应，保证结构强度。结合复合地基桩的受力过程来看，桩基上部往往受力集中，所以复搅深度应控制在5.0m以上，复搅施工是本桥梁软基粉喷桩加固施工的外业工作，对于保证软基施工质量和承载力较为关键。

2.6 施工质量检测

本桥梁工程软基粉喷桩加固施工结束后由桥梁管理单位委托所在省检测单位对该桥梁进行了粉喷桩质量取芯及静载试验。具体而言，按照1%的频率共取芯400余次进行检测，根据检测结果，复搅部分粉喷桩成型良好，且芯样强度均为设计强度的1.5～3.0倍；桩底1.0～2.5m的部分水泥土硬结结构充实，成型状态良好，芯样强度也符合设计要求；其余部位芯样均较为完整，强度也基本符合设计要求。所检测的粉喷桩也均符合100kN的设计承载力要求。

3 结论

通过分析粉喷桩施工技术在某桥梁软基加固过程中的应用表明，粉喷桩施工技术主要从不断回转的钻机钻头向四周搅动松软的土体中喷生石灰粉或水泥固化剂，并经过叶片将软土和喷粉充分搅拌以形成设计强度的桩体，该加固桩桩身无侧限抗压强度能够达到2000kPa，且加固处理后的复合地基承载力可达180kPa。其与钢筋混凝土桩相比，能够节省钢筋、水泥等建筑材料，便于控制造价，缩短工期；在软弱地基中通过钻头搅拌钻孔成桩，对周围建筑结构扰动小，且地表沉降易于控制，施工振动小，几乎无噪声，经济效益和社会效益显著。