粉喷搅拌桩桩机自引孔技术的研究及应用

2023-11-25朱雅琳吴松华

广东水利水电 2023年11期

朱雅琳，吴松华

(1.中交上航华南市政工程有限公司，广东珠海 519100；2.中交上海航道局有限公司，上海 200120)

1 概述

粉喷搅拌桩简称“粉喷桩”，别名“加固土桩”，是加固淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高的粘性土等软土地基的一种方法。它以水泥、粉煤灰、石灰等干粉状材料作为固化剂，通过专用的粉体发射机械，用压缩空气将粉体加固材料喷射入地基土中，再凭借钻头叶片的旋转，使粉体加固材料与原位软土充分搅拌，利用两者相互接触的多种物理—化学反应，形成具有水稳性、整体性、一定强度的柱状加固水泥土，从而提高地基强度[1]。粉喷搅拌桩具有施工设备简单，造价低，加固效果好等优点，适用于土层中天然含水量高、孔隙率大的淤泥质土体的改良加固，广泛应用于入海口等冲击土层的处理[2]。

由于地质情况的不均衡性，粉喷搅拌桩软基处理区域内可能存在着大面积、大孔隙软基和少量高密度硬土相杂和的情况。为避免或降低地基的不均匀沉降，必须采用同一种软基处理方式[3-4]。如果打桩区域内存在高密度土层，则土体被动土压力较大，如果仍按常规施工方法处理，输粉管内外压力差太小(为保证施工安全，规范限定粉喷搅拌桩输粉管起始端最大输粉压力为0.8 MPa，传至粉体输出口压力更会有所衰减)，将导致土体喷粉量不足，成桩质量差，且容易发引发堵管、爆管等故障。通常需要先期采用冲孔桩机进行引孔，孔内回填黏土后，再进行粉喷搅拌桩作业，该方法不经济、工艺复杂且工期较长。如果采用搅拌桩机自引孔技术则可弥补上述缺陷[5]。刘小平[6]分析和探讨了水泥搅拌桩机引孔沉桩在航道整治老护岸加固中的的应用，减小了震动对房屋的影响。蒋永辉[7]运用引孔三轴水泥搅拌桩防渗技术，截断海堤围护陆域地下渗流水保障了海堤防潮防渗等级。

现阶段引孔技术主要用来辅助沉桩[5]，粉喷搅拌桩桩机自引孔技术的研究应用不多。依托乾务赤坎大联围斗门段海堤(井岸下西堤路南延段～正涌闸)百年一遇防潮洪提升工程，总结了粉喷搅拌桩桩机自引孔技术在工程中的应用经验。

2 研究背景

某防潮洪提升工程设计采用水泥粉喷搅拌桩对3.8 km的海堤地基进行加固，桩径为Φ800，桩长为25 m，水泥掺量为180 kg/m。海堤半幅地基(见图1)已被紧邻的地产项目进行排水板预压加固，加固深度为28 m；半幅为原始地基，地基表层土为约1 m厚的杂填土，表层土以下为30～40 m厚的淤泥及淤泥质土。正常下钻速度为0.8 m/min时，电流负荷为100 A[8]。但在施工过程中发现部分地基土层密度较大，具体表现为桩机下钻困难，桩机满负荷下钻速度为0.8 m/min时，桩机电流负荷≥150 A。且在喷粉过程中容易发引发堵管，爆管等故障，提钻维修时，钻头还经常缠绕排水板(见图2)。

图1 项目局部加固土层范围示意

图2 自引孔障碍物处理示意

经了解，该地基部分区域曾被临近的房建项目先期采用排水板堆载预压加固处理过，不仅地基土层密度大，且存在大量的排水板。施工之前必须先对排水板加固地基进行引孔处理，不仅可以搅松土层，而且可以将排水板先期搅出，避免后续喷粉搅拌过程中因钻头缠绕排水板而断桩。引孔处理后，使喷粉管内外压力差满足喷粉量达到180 kg/m的要求，保证成桩质量。

3 粉喷搅拌桩桩机自引孔技术机理

土层密度越大，钻进越困难，则桩机电流负荷越大[9]。土层密度越小，钻进越容易，则桩机电流负荷越小。根据土层密度和桩机电流负荷成正比的特性(见图3)，通过实验找出临界电流数值，电流大于临界电流值时，说明土层密度过大，需要自行引孔。当施工电流小于临界电流数值时，说明土层适合喷粉成桩。

图3 土层松紧度对应钻机电流负荷示意

本项目采用功率为55 kW的HL805型单轴搅拌桩机[10]，采集了19次粉喷搅拌桩在不同紧密度土层条件下自引孔的次数对应的电流负荷值数据，绘制散点图(见图4)。

图4 自引孔的次数对应的电流负荷区间散点示意

由图4可以看出：钻进搅拌桩机电流值≤100 A时，土层紧密度合适，喷粉管内外压力为正压，输粉管可以喷粉成桩，不需要引孔。钻进时桩机电流值区间为100～150 A时，土层较紧密，喷粉管内外压力平衡，无法喷粉，需要自引孔1次搅散土体。钻进时桩机电流值区间为150～200 A时，土层非常紧密，喷粉管内外压力为负压，需要自引孔2次。引孔后钻进电流≤100 A时，表面土层已被搅松，喷粉管内外压力可以保证成桩质量。经现场试桩，总结了不同密度土层对应的电流负荷参数(见表1)，来判断土层是否需要先进行自引孔及引孔次数。

表1 土层松紧度对应钻机电流负荷

4 施工工艺

4.1 工艺流程

粉喷搅拌桩桩机自引孔技术施工工艺主要有先期引孔搅松土层(见图5、图6)与搅拌喷粉成桩两个步骤，具体工序如下[11]。

图6 自引孔时拔除的排水板杂物示意

1) 先期引孔搅松土层：场地平整、孔位放样→粉喷搅拌桩桩机对孔内土层反复钻进和提钻空搅→孔内土层密度符合成桩要求。

2)搅拌喷粉成桩：孔位放样→粉喷搅拌桩桩机就位→喷粉搅拌下沉至设计深度→喷粉搅拌提升至设计标高→成桩结束→施工记录→施工下一根桩[12]。

4.2 工艺试自引孔与试成桩

正式施工前须进行工艺试自引孔与试成桩，试桩成功后方可正式组织施工。本工程取3组桩进行试验[13]。

1)试自引孔：试自引孔的主要目的是为了搅散高密度土层，为下一步搅拌桩顺利成桩提供保障。通过自引孔实验获取以下信息：① 检测当前土层密度需要自引孔时的搅拌桩机的钻进电流负荷；② 检测引孔终孔的最佳土层松散程度对应搅拌桩机的钻进电流负荷；③ 检测自引孔专用机械对当前土层压力；④ 统计自引孔的引孔时间，便于指导后续大规模的自引孔施工；⑤ 检测自引孔成孔的深度、直径、垂直度、孔身的稳定连续性是否达到相关要求[14]。

通过当前桩机的电流负荷来判断当前土层密度是否需要自引孔和是否达到成桩的最佳土层松散程度。需注意的是：自引孔临界电流负荷数值因机器功率性能的不同而有所变化，需要根据机器的功率和性能等情况进行调整，在现场实验中确定。

2)自引孔后试成桩：试成桩目的主要有两个方面，一是为了论证成桩工艺的可行性，二是为了统计每幅桩的水泥用量，寻求桩机最佳的搅拌频次、降钻速度、升钻速度、复搅深度以及输粉压力等参数，以指导下一阶段同条件的水泥粉喷搅拌桩全面施工[15]。

5 粉喷搅拌桩桩机自引孔技术成桩效果

在龄期达到28 d后对试桩的质量进行取芯检测，发现在高密度土层区域，未采用自引孔技术的桩体，混凝土芯样大都呈柱状或长柱状、少数成短柱状、连续完整、胶结性好，芯样断口基本吻合，芯样侧表面粗骨料分布基本均匀，芯样侧表面有沟槽，芯样强度为0.6 MPa，属于III类桩(见图7)。采用自引孔技术的桩体，混凝土芯样呈长柱状、连续、完整、胶结好，芯样断口吻合，芯样侧表面粗骨料分布基本均匀，仅局部芯样侧表面有气孔、蜂窝麻面[16]，芯样强度为1.0 MPa，属于I类桩(见图8)。取芯芯样表明：采用自引孔技术的桩体质量明显优于常规施工桩体质量[14]。

图7 未采用自引孔技术的成桩质量示意

图8 采用自引孔技术后的成桩质量示意

6 粉喷搅拌桩桩机自引孔技术成桩质量控制

6.1 质量参数

桩机自引孔技术成桩质量控制参数见表2。

表2 粉喷搅拌桩桩机自引孔技术成桩质量控制参数

6.2 质量控制要点

1)孔位放样：粉喷搅拌桩施工的孔位放样主要有3个阶段，为沟槽开挖放样、先期引孔放样、搅拌喷粉放样[16]，通过专业测量团队采用全站仪等测绘仪器进行放样，根据设计施工图纸、测量控制点对现场粉喷搅拌桩桩位进行精准放线，桩位点用小木桩挂红线条标记，以便于现场施工桩位确定。尤其注意施工前需要复核桩位。

2)硬化剂：粉喷搅拌桩成桩主要材料为水泥、粉煤灰、石灰，选用的材料需要质检合格，具有合格证书，施工中需采用智能电子秤全程计量材料用料，并记录，归档，便于后续材料节超统计分析。

3)设备：粉喷搅拌桩桩机的移位、降钻应有专人指挥，由当班组长负责最优，降钻前需检查机械定位的准确性，偏差在规范要求的范围内。喷粉前采用闭气实验检验供粉泵、送气(粉)管路、管路接头和阀门的密封性，一方面保证成桩质量，另一方面便于材料统计及成本控制。送气(粉)管路的长度应≤60 m。桩机应具有瞬时检测、记录粉体量、搅拌深度的功能，且经国家计量单位认可[17]。

4)过程控制：搅拌喷粉前应将软土预搅切碎，控制降钻和提钻速度(搅拌头的旋转高差变化不得超过15 mm/周)，有助于软土同硬化剂充分搅拌均匀，保证成桩强度，提高成桩效果；施工中，搅拌头与设计桩底距离在1.5 m以上时，立即启动喷粉机提前喷粉，搅拌头距原地面0.5 m时，立即停止喷粉机喷粉，当喷粉机因故停止时，应将搅拌头调至停灰面以下1 m[17]。