粉喷桩在某高速公路软土地基处理中的应用

　　摘要：粉喷桩是一种效果显著、应用广泛的软基处理方法。文中结合工程实例，介绍了粉喷桩的概念、适用情况；讲述了粉喷桩施工前的准备工作、施工的具体操作方法和操作要点；阐述了粉喷桩施工的质量控制与质量检测方法
　　关键词：公路；软土地基；粉喷桩；掺入比；质量检测
　　粉喷桩是利用专门的喷粉搅拌钻机将水泥、石灰等粉体固化剂喷人软土地基中，并将软土与固化剂强制搅拌，利用固化剂与软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的优质复合地基的软基处理方法。粉喷桩一般用于处理表层软土厚度大于3～4m的软土地基。适宜的土类为淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高的软粘土。由于粉喷桩加固软基效果显著、施工工期短且工后沉降小，目前被广泛应用于公路、铁路、市政工程、民用建筑与机场等的软基处理中。
　　1 工程概况
　　湖南内某高速公路第二合同段(K～K16)经过某滞洪区，该区处于淮河冲、湖积平原，3月份地下水位距地表0．3～1．m。该段表层为低液限粘土，厚度1．0～2．5m，含水量为20．2，空隙比为0．69～0．83，塑性指数为20~23，自由膨胀率为30～55，承载力小于14kPa。该层为一相对硬壳层，在涵基开挖至1～1．m后持力功能已基本丧失。表层以下为低液限粘土，厚度一般大于5m，含水量为28．2，空隙比为0．69～0．82，塑性指数为11～17。该层为近期沉积，工程性质较差，受扰动后变为稀泥。
　　为确保工期、减小不均匀沉降并彻底解决因地基下沉造成后期道路及结构物病害，经多方案比较决定对滞洪区内构造物两头及涵洞地基采用粉喷桩加固处理。粉喷桩设计桩径为0．5m，桩长依据具体情况从5m变化到12m，桩平面布置呈梅花形在涵基下及近桥台26m范围内桩距为1．3m，涵两侧及桥台26m外桩距为1．5m。粉喷桩所用固化剂为425号普通硅酸盐水泥，施工中水泥掺人比为14，设计要求90d强度标准为1900kPa。该路段共处理桥8座、涵洞14道，累计2．34km。单桩累计总长度424614延米，计58055根。
　　2 粉喷桩施工需要的主要机械
　　粉喷桩施工需要的主要机械有螺旋钻机、喷粉机、空压机和发电机等。螺旋钻机主要由液压步履式底架、井架、导向减压构件、传动系统、钻具、液压系统、喷粉系统和电气系统等组成。
　　3 粉喷桩施工前的准备工作
　　3.1准备施工技术资料
　　粉喷桩施工前应准备下列施工技术资料：施工场地的工程地质报告、土工试验报告、室内配合比试验报告、粉喷桩设计桩位平面图、原地面高程数据表、加固深度、停灰面高程以及测量结果。
　　3.2搞好“三通一平”
　　施工前应搞好“三通一平”工作，即修通机械进场的临时性道路，架通生活及施工用电，接通生活用水；整平场地，清除桩位处地上及地下障碍物，如大石块、树根和生活垃圾等，施工场地低洼时应用粘性土填平，不得回填杂土。
　　3.3施工放样
　　场地整平后，放样人员在认真熟悉图纸的基础上进行施工放样。首先放出路基、构造物的中线和边线，然后根据设计桩位平面布置图定出每根粉喷桩的桩位，并用小木桩做好标记，每根桩的平面误差不得大于5cm。
　　3.4室内配合比强度试验
　　施工前应在代表性地段钻取原状土进行室内配合比强度试验。由于该路段上部土层相对较粘，与水泥的搅拌均匀程度较差，所以野外取土宜控制在粘土层内1．5～2．0m，试件分别按l2、l3、l4的水泥掺入比进行配合比强度试验。考虑到工期的要求，试件采用600℃、湿度大于90、24h的高温快速养生法制取。依据试验结果，经分析和比较，决定采用l4的水泥掺入比施工。
　　水泥的搅拌均匀程度较差，所以野外取土宜控制在粘土层内1．5～2．0m，试件分别按l2%、l3%、l4%的水泥掺入比进行配合比强度试验。考虑到工期的要求，试件采用600℃、湿度大于90%、24h的高温快速养生法制取。依据试验结果，经分析和比较，决定采用l4%的水泥掺入比施工。
　　3.5检验、组装、调试机械设备
　　为了确保施工机械的正常使用，施工前对进场的机械设备应进行严格检验、认真组装和调试。钻机上的气压表、转速表、电流表、电子称必须经过严格标定，不合格的仪表必须更换。为了保证水泥剂量准确，必须请专门的计量单位到现场对每台粉喷机进行校验、标定，标定后任何施工人员不得变动同时粉体喷射机安放的位置与搅拌机施工最远处之间的距离不宜超过60m，不然，送粉管的阻力增大送粉量不稳定。
　　3.6工艺性试桩
　　为了克服盲目性，确保粉喷加固地基收到预期效果，在粉喷桩施工前应按设计要求进行工艺性试桩，试验桩不少于3根。目的是通过试验桩检验其设备的适用性，确定成桩的各项技术参数，同时检查、校核室内试验强度。依据试验桩的经验，该路段固地表土层较硬且粘，宜采用3挡速度下钻，即正转44r／min(0．679m／min)；而下部土层相对较软，宜采用5挡速度下钻，即正转108r／min(1.081m／min)。反转喷粉时，3挡每圈上移0．015m，而挡则每圈上移0．01m。二者相比，5挡时水泥与土搅拌得更均匀，所以反转喷灰时一般要求采用5挡停灰时若喷嘴距地表较浅，灰管内的余灰易在地表形成灰堆，既造成材料浪费，又污染地表，所以喷嘴距地表0．5m时停灰较为理想。采用在钻杆上做记号的方式控制桩长的复搅深度。由于地下温度较低，试验桩14d后开挖2m检查，上部2m复搅均匀，取芯试验无侧限抗压强度达1．0MPa，为设计强度的53．2%。
　　4 粉喷桩的施工
　　粉喷桩的施工程序如下图：

　　4.1操作方法
　　1)对正桩位，调整钻机机身，保证钻杆的垂直度；启动钻杆下钻；待搅拌钻头接近地面时，启动空压机送气，开始钻进。
　　2)钻到设计孔深时停钻，钻头反转但不提升。
　　3)打开送料阀门。
　　4)确定水泥已到桩底时，提升搅拌钻头，不停地喷送水泥。为便于控制成桩质量，一般不得使用3挡提升。
　　5)钻头提升到设计高程时，关掉送料阀，停止喷粉。打开送气阀，空压机不停机，在原位转动2min，以保证桩头均匀密实。
　　6)搅拌钻头再钻到设计桩底深度，进行二次搅拌(复搅拌)。
　　7)复搅结束后将搅拌钻头提出地面，主电机、空压机停止运转，填写施工记录表。
　　8)开启液压步履，移动钻机至下一桩位。
　　4.2操作要点
　　1)机身调平以钻杆是否垂直为依据，操作时以钻锤吊线进行控制。
　　2)钻至设计深度时，应有一定的停留时间，以保证水泥到达桩底，具体时间由工艺性试验确定。
　　3)喷粉或喷气过程中，当气压达到0．45MPa时，管路可能堵塞。此时应停止喷粉，将钻头提出地面，切断空压机电源，停止送气。查明堵塞原因，排除故障。
　　4)整个制桩过程中一定要保证边喷粉边提升，连续作业。当空气湿度大、粉体流动性差、喷气压力大、单位桩长喷粉量大时，应开通灰罐进气阀，以对料罐加压。如出现断粉应及时补喷，补喷重叠长度不小于0．5m。
　　5)喷粉开始时，应将电子秤显示屏置零，使喷粉过程在电子计量显示下进行。喷粉时，记录人员应随时观察电子秤的变化，以保证各段喷粉均匀。
　　6)为保证复搅长度到位，反转喷粉搅拌应慢速提升，并随时检查复搅长度及有无异常情况，并做好记录。施工中还应注意保护环境，尽量减少污染。
　　5 粉喷桩施工质量控制
　　5.1水泥的控制
　　该工程所用水泥为425号普通硅酸盐水泥，总量21000t。由于施工往往是24h连续作业，水泥用量非常集中。为保证质量和进度，提前由监理与施工单位一起选择几家近年来经常使用并证明质量较好的大型水泥厂进行取样试验，然后将不同品牌的水泥固定用于相应的钻机，避免掺杂使用。
　　5.2桩身几何尺寸的控制
　　施工过程中按2%～5%的频率随时检查桩长，施工前由监理工程师对每根钻杆进行丈量，在钻杆上做出醒目的标志，控制下降深度。检查桩径时，一般用铁锹下挖10cm，其直径偏差在+10%～0时为合格。
　　5.3复搅拌控制
　　水泥与土搅拌的均匀程度是关系到粉喷桩桩体强度的关键因素。实践证明，粉喷桩复搅与不复搅的质量相差很大。钻头喷出的水泥往往呈脉冲状，若不充分搅拌，水泥在桩中呈现层状，形成“夹生”，这样的桩即使水泥掺入量再多对地基的加固效果也不好。复搅的作用在于通过充分的搅拌使水泥与土及土颗粒中的水得到比较完全的接触与作用，促使桩体的形成。为了搅拌均匀，要严格按照试桩确定的钻机提升速度、搅拌叶旋转速度等参数进行施工，并尽量采用全桩复搅。
　　6 粉喷桩质量检测
　　为了验证粉喷桩的处理效果，该项目由业主指定专门的检测单位对成桩在合适的龄期内进行多方面的质量检测。主要检测项目有取芯强度检测、低应变桩身完整性检测及复合地基承载力检测，龄期大于30d。
　　6.1取芯桩体强度质量检测
　　在该工程每个构造物处选取3根桩，采用直径为108mm的钻孔，在桩径1／4位置处分别钻取桩上、中、下部的芯样，加工成50mm×50mm×50mm的立方体试块，测试其无侧限抗压强度。试验结果显示，试件强度大多已超过90d龄期的实际要求强度。
　　6.2低应变桩身完整性检测
　　低应变桩身完整性检测就是对桩体的宏观完整程度进行检查，通过检测来判断桩体有无缺陷、缺陷的性质和部位。这里所说的缺陷主要包括断桩、缩颈和低强度层等，它根据打印机输出的时域和频域曲线来判定。如果时域曲线规律整齐，底反信号清晰或有底反迹象，频域曲线主峰明显，表明桩体完整；如果有同向较弱的桩问反射，说明桩间局部强度较低，但桩的整体性尚好；若时域曲线严重畸变或为多次能量较强的周期波，说明浅部或桩问有严重缺陷。该工程共检测粉喷桩2600根，占桩总数的4．5%。检测结果显示，94%以上为I类桩。
　　6.3复合地基承载力检测
　　该工程采用附加质量法进行地基承载力测定测点多选在涵洞处。一般情况下，分离式基础两侧各选2个测点，整体式基础选2～3个点。测试结果显示，全部符合强度要求。
　　7 结语
　　该路段建成后，在使用过程中经受了多次洪水浸泡(有时路堤普遍浸泡2m)的严峻考验。目前路基稳定、路面平整、桥头和涵头无明显下沉或跳车现象，证明粉喷桩处理软基取得了令人满意的效果。
　　粉喷桩加固软土地基是一种行之有效的方法具有施工工期短、无公害、施工过程无噪音、不排污工后沉降小、对相邻建筑物无不利影响等显著优点但粉喷桩施工工艺复杂、技术难度较大，而且造价相对较高。
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