粉喷桩加固技术在公路软土路基处理中的应用

2023-01-10刘利杰

交通世界 2022年18期

刘利杰

（邢台路桥建设集团有限公司，河北邢台 054000）

0 引言

在公路工程路基建设过程中，会遇到软土地基问题，其具有强度低、承载力低、压缩系数高的特点，不可以直接在其上方开展路基施工，需先通过软基加固技术进行处理，使其承载力、强度、稳定性满足施工要求。而粉喷桩软基加固技术作为常用的软基处理方法之一，可以通过粉喷桩的形式使软基形成强度、承载力、稳定性均满足施工要求的复合型地基，目前在软基处理中应用广泛。

1 工程概况

某公路工程位于我国河北省境内，工程设计为双向6 车道，路基宽度为32m，公路建成后属于城市主干道。在公路施工前的地质勘查中发现，该公路部分路基段明显属于软土地基，原地基土质分别为素填土、淤泥质黏土、亚黏土，软基深度在8～10m，若施工前不进行加固处理，建成通车后极易发生变形、沉降等问题，影响公路的使用安全，因此，研究决定采用粉喷桩加固技术对该路段进行加固处理。

2 软基中粉喷桩加固技术的运用

2.1 粉喷桩加固原理

（1）粉喷桩加固软土地基主要是利用水泥作为固化剂，通过专用机械，将制备好的水泥固化剂喷射至软基底层，并利用机械的钻头叶片使固化剂与软基充分搅拌均匀，使固化剂吸收软基中的水分并发生化学反应。待搅拌均匀后经过一定时间的养护，固化剂与软基会形成强度好、承载力强、渗透性低的复合地基，以实现加固软基的目的。

（2）固化剂采用的是水泥材料，当水泥被喷射至软基内部后，水泥表面的矿物质颗粒会与软基中的水发生水解和水化反应，使软基形成水化物，水化物经一段时间的硬化后可以吸收大量的自由水，并与周围具有活性的软基土体发生反应。利用钙离子置换软基中的钠离子与钾离子，使其逐渐形成不溶于水的结晶化合物，同时水化物还可以与空气中的二氧化碳发生反应，形成不溶于水的碳酸钙，因此，通过固化剂与软基的化学反应可以形成具有一定强度的反应物，从而有效加固软土地基[1]。

2.2 粉喷桩施工工艺

2.2.1 场地准备

本工程软基的处理主要采用粉喷桩加固技术。为保证粉喷桩施工的质量，施工前先要进行场地准备工作。首先安排施工人员对场地进行清理，将表层存在的树根、垃圾、杂物全部清理干净，存在的坑槽全部回填至地基表层高度，保持地基表面的平整，然后检测地基承载力，对无法满足机械正常入场要求的位置铺设砂垫层，提升其承载力，使机械设备可以安全施工。最后对地基下方存在的管线、构筑物采取迁移或保护措施，并对地基的排水设施进行合理设置，避免地下水的侵扰。

2.2.2 机械准备

（1）场地处理完成后，对施工使用的机械设备进行检查。本次施工采用的工程机械主要包括钻机、压缩机、喷射机、搅拌钻头以及计量设备和机电设备，其中钻机的主要作用是钻孔，其钻进动力及扭矩需满足施工要求，同时应具有正向钻进与反向提升的能力，以实现匀速钻进与匀速提升的目的。压缩机的主要作用是压缩空气，从而使水泥粉状固体可以均匀地喷出，选用的压缩机压力应控制在0.2～2.4MPa，风量控制在

1.6～2 .0m³[2]。

（2）喷射机是喷送固化剂的关键设备，其喷射原理是利用压缩机喷射的空气，使固化剂粉末在压力的作用下从钻机的空心钻杆中喷出。从而与软基混合均匀，喷射机应具有良好的喷射能力与受压能力，以保证粉末可以均匀喷出且机械不会在压力下受损。搅拌钻头是将软基与固化剂粉末混合均匀的工具，搅拌过程中能对土体形成挤密作用，使软基与固化剂充分反应。

（3）计量设备的作用是称取适量的固化剂材料，每平方米的软基中掺加的固化剂数量都是设计中明确标定的，如计量设备计量不准确，则难以保证软基加固效果符合设计要求，因此，计量设备使用前需经过标定，确保读数的准确性[3]。机电设备的作用是为各种机械提供电能，施工前需对机电设备进行全面排查，对存在的问题及时处理，以避免施工过程中出现停电问题，而导致施工中断。

2.2.3 参数确定

（1）机械准备完成后开始通过实验确定施工中的相关参数，包括水泥掺入量、桩长、桩间距、桩径、养护龄期、使用的外加剂等，其中经前期勘探得知本工程软基深度普遍在8～10m 之间，因此桩长设计为10m。施工中的其余参数均通过现场试验确定，参数确定后进行试桩作业检测其施工效果，满足设计要求且经监理工程师审批签字后，方可开始正式施工。

（2）水泥掺入量：水泥掺入量是指软基中的水泥用量。本次施工采用的水泥材料为42.5标号的普通硅酸盐水泥，确定水泥掺入量的方式为三轴不排水剪切试验，试验共分为4 组。水泥的掺入量分别为14%、16%、18%、20%，通过实验结果得知，水泥的含量越大，软基加固效果越好，当掺入量大于18%时加固效果开始减缓，因此，可以确定本工程水泥掺入量需控制在18%左右[4]。

（3）外加剂：外加剂的主要作用是增加混凝土的早期强度，以防止加固过程中因地下水的干扰而影响加固效果。目前常用的外加剂主要包括6种，分别为硫酸钙、水玻璃、石膏、三乙醇胺、氯化钙以及木质素磺酸钙，经过性能对比后确定本工程采用水玻璃作为外加剂。为确定不同水玻璃含量的早强效果差异，实验人员同时开展了无侧限抗压强度试验，试验共分为2组，水玻璃∶水泥分别设置为1∶250 和1∶500，通过试验得知，养护前期1∶250 比例的养护强度明显高于1∶500 比例，养护后期两者的强度接近一致，因此，本次施工水玻璃的含量确定为水玻璃∶水泥=1∶250。

（4）龄期：混凝土的强度会随龄期的增加而增加。根据混凝土的无侧限抗压结果可以得知，养护龄期不小于28d时，混凝土的抗压强度增长缓慢且基本趋于稳定，因此，本工程粉喷桩的养护龄期为28d[5]。

（5）桩径及桩间距：桩体直径与桩间距的确定主要按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2002）进行。桩径设置为500mm，桩间距设置为1m 时，通过试桩试验得知，复合地基的承载力为天然地基的2倍，可以满足施工要求，因此，本工程桩径设置为500mm，间距为1m，呈梅花形布置。

2.2.4 钻机定位

参数确定完成且经试桩满足要求后，结合确定的参数及施工要求进行粉喷桩施工。施工前先要根据施工图纸进行测量放样，明确粉喷桩的位置及尺寸大小，同时做好十字标记，然后根据放样的位置安装钻机。钻机安装时需对钻机的水平状态及垂直状态实时监测，如发现存在偏移问题，必须及时进行调整。待钻机安装完成后，安排人员检测钻机的垂直度，其误差宜控制在1.5%以内，检验合格后开始钻孔施工。

2.2.5 钻进施工

钻机就位后开启钻机的启动按钮，并结合钻孔顺序开始钻孔作业。钻孔时钻进速度应遵循先慢后快的原则，不可突然提升钻进速度，避免发生塌孔问题。钻进过程中安排专人对钻进的垂直度随时测量，如发现存在偏差及时进行调整，孔位偏差宜控制在5%以内，钻进一定距离后保持45～75r/min的速度匀速钻进，钻机的电流控制在50～80A即可[6]。

2.2.6 成桩施工

（1）当钻机钻进至设计的位置后停止继续钻进，保持钻头原地旋转（切不可停掉钻机），同时启动钻机的反向钻进功能，并开启喷射机，将准备好的固化剂材料利用喷射机喷射至软基中。桩底持续喷射1min 后提升钻头，边提升边喷射固化剂，提升速度根据计量设备显示的固化剂掺入量确定，保证软基中固化剂掺入量达到18%即可，待钻机提升至设计标高以上0.5m后，将钻头更换至正向旋转进行复搅，复搅的主要目的是使固化剂与软基充分混合，复搅深度及速度要符合设计要求。

（2）当钻机反向提升至设计标高0.5m以上后即视为成桩结束，此时关闭喷射机，停止向孔内喷射固化剂，由于采用的喷射机装置回路是闭合的，喷射的固化剂不会向四周扩散，同时在距离地面30cm的位置就已停止喷射，固化剂不会喷射至地面。待钻机复搅完成后停止钻机，并消除管道压力，将钻机移动至另一处钻孔位置安装，再重复此工序，直至所有桩位全部加固完成[7]。

2.3 注意事项

（1）本工程施工过程中应注意软基中有机质的影响。有机质是动植物残骸分解后得到的化合物，其主要由蛋白质、碳水化合物、脂肪、碳氢化合物组成，此类化合物可以抑制水泥固化剂与软基的反应，从而无法充分发挥固化剂的效果，降低混凝土的强度。针对此类情况，施工单位在施工前可以对地质情况进行详细调查，对有机质含量较大的位置可适量增加固化剂的掺入量，以抵消有机质的作用，保证加固效果。

（2）粉喷桩加固施工主要适用于含水量25%～50%的区域，且不同含水量软基区域的加固效果也不一致，如软基中的含水量达到50%以上，此时喷射的水泥固化剂会受到大量水的冲刷，同时由于软基含水量过高，导致软基与水泥固化剂无法充分搅拌均匀，从而影响加固强度。因此，在本工程施工中应注意对软基含水量的检查与控制，如存在含水量50%以上的区域，施工单位可在施工前先采取固结排水法进行预处理，待其含水量达到50%以内后，再开展粉喷桩加固施工[8]。

（3）粉喷桩加固施工时，施工单位应注意做好技术交底及现场管理工作。技术交底的主要作用是确保施工人员可以熟练掌握施工图纸、施工方案以及施工技术，而现场管理工作则是保证施工人员可以严格遵循施工方案、施工技术进行操作。因此，必要的技术交底和科学严谨的现场施工管理是保证软基加固效果的关键。技术交底时，应由技术人员向所有的施工人员交底，现场施工管理可安排专业的管理人员负责，对施工中的偷工减料问题、施工安全问题、施工质量问题应严格控制，以保证粉喷桩加固质量。

2.4 质量检测

2.4.1 静载试验法

（1）本工程施工完成后，为保证软基的承载力，在地基表面进行了静载试验，静载试验主要分为2 种，分别为单桩静荷载试验和复合地基静荷载试验，其中单桩静荷载试验的目的是检测每根桩体的承载能力，检测时采用快速检测法，观测沉降的时间间隔为5min、10min、15min、15min、15min、每次加载满1h 且地基沉降值在0.1mm内，方可施加下一级荷载开展检测，直至加载至设计要求的承载力为止。

（2）复合地基静荷载试验检测的速度要慢，观测地基沉降的时间间隔为10min、10min、10min、15min、15min，达到设计要求后每间隔0.5h 观测一次沉降值。施加荷载过程中加载量未达到设计要求时，地基1h沉降值在0.1mm内可施加下一级荷载，加载量大于设计要求后，地基1h沉降值在0.2mm内可施加下一级荷载，直至复合地基加载量达到设计要求值的150%为止[9]。

（3）加载量达到要求后，按照每级荷载的2 倍开始卸载，如加载量为奇数则按照每级荷载的3 倍开始卸载，卸载时每间隔15min 观测一次地基回弹值读数，待全部卸荷完成，且地基0.5h内回弹值在0.1mm内，即视为地基承载力合格。本工程经静载试验得知，单桩加载时，平均1h 内地基沉降量为0.85mm，复合地基加载时，加载至设计要求前平均1h 内地基沉降量为0.88mm，超出设计要求后平均1h 内地基沉降量为1.25mm，且卸载时地基回弹值均在0.1mm 以内，这证明本次粉喷桩软基加固质量良好。

2.4.2 钻芯取样

为检测本工程粉喷桩施工后混凝土桩体的强度、均匀性与连续性，采用钻芯取样法选取试块，并在实验室中开展无侧限抗压强度检测，取样的样本为随机选取，选取的位置为桩体去除桩头后的1/4 直径处，样品的大小为5cm×5cm×5cm，样品总数量占桩体总数的1%。经实验室的无侧限抗压强度分析后得知，芯样中最小的抗压强度为1.55MPa，最大的抗压强度为1.76MPa，平均抗压强度为1.64MPa，与设计要求的1.3MPa 相比，均满足设计要求，因此，可以证明本次粉喷桩加固效果良好。