水泥粉喷搅拌桩地基处理应用

【关键词】粉喷桩设计施工质量控制检测
　　【摘要】水泥粉喷搅拌桩地基处理方法以其广泛的适用条件及特有的许多优点在地基处理中应用越来越广泛，本文就粉喷桩的设计、施工、质量控制及检测等方面作一介绍,就规范中未提及的施工中应着重控制的几个方面作一初步探讨和总结。
　　水泥粉喷搅拌桩（简称粉喷桩）是粉体喷射搅拌桩的一种，这种桩通过搅拌机构将一定深度内的软土搅碎,将水泥用压缩气体输送到软土地基中，然后通过搅拌使水泥粉体与软土均匀拌和，水泥料与软土发生一系列物理、化学反应，形成坚硬、连续、水稳性好的桩体。粉喷桩又属于深层搅拌桩的一种，深层搅拌桩按其固结料不同分为粉喷桩和水泥浆深层搅拌桩两种。
　　粉喷桩施工方法是将部分原位土体搅拌形成水泥土桩，故其对环境和周围土体破坏作用甚微，施工操作简便，噪音低，无振动，无污染，对环境无不良影响，且这种方法造价低，质量可靠，施工期短。适用于在人口密集的城区使用，是饱和黄土软弱地基处理的一种有效手段。
　　这种搅拌技术早在第二次世界大战结束后就出现在美国，50——60年代日本引入这项技术用以加固高含水量软弱地基。我国于70年代末对这项技术进行了开发和应用于工程实践，曾先后在武汉、江苏、浙江、福建、天津、上海、广东、新疆等地应用，效果良好。在西安市老城区及其四周、南郊和东郊这种桩型普遍适用，可广泛应用。
　　一.粉喷桩使用条件
　　软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理，是基于水泥土的物理化学反应过程。在水泥加固土中，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质——土的围绕下进行，所以硬化速度缓慢且作用复杂，水泥中的水硬性胶凝材料如CaO.SiO2、Al2O3、Fe2O3等与土中的水反应生成铝酸三钙、硅酸二钙、铁铝酸四钙等水化物，这些水化物凝结后硬化，从而提高水泥混合土的整体强度，并沿搅拌深度形成圆柱体坚固的水泥土桩体。
　　粉喷桩复合地基的强度与地基土的颗粒组成和含水量的高低密切相关,根据试验,在对淤泥质土、粉质粘土和粉土分别按干土重的15.7%和21%掺入水泥搅拌后,其无侧限抗压强度以粉土为母土时最高,淤泥质土最低.这也说明粗颗粒土强度高于细颗粒土。
　　粉喷桩非常适合地下水位较浅，土的含水量高，软土层厚度较大的地区。但同时根据一些资料反映来看，粉喷桩处理效果随含水量降低而提高，建议以天然土的含水量为50％左右时使用为最佳。
　　二.粉喷桩设计中的几个问题
　　1. 单桩承载力标准值
　　《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2002）中提出，单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定，初步设计时也可按规范提出的两个单桩竖向承载力特征值初步计算公式计算，并取二者中较小值。
　　水泥土的无侧限抗压强度一般为300－4000Kpa，其变形特征与无侧限抗压强度的高低而不同，当无侧限抗压强度大于2000Kpa时，水泥土受力后无明显屈服变形阶段，达到强度后立即发生脆性破坏。而无侧限抗压强度≤2000Kpa的水泥土，则表现为塑性变形破坏。为了更充分地发挥桩土的共同作用，水泥土的无侧限抗压强度可控制在2000Kpa左右。
　　2. 复合地基承载力
　　复合地基承载力按下式进行计算
　　fspk=m*Ra/AP+β（1-m）fsk（1）
　　fspk——复合地基承载力特征值（Kpa）；
　　m——面积置换率；m=n*Ap/A（2）
　　其中n——桩根数；
　　A——加固总面积（m2）。
　　β——桩间土承载力折减系数。
　　AP——桩的截面积（m2）；
　　Ra——单桩竖向承载力特征值（KN）；
　　fsk——处理后桩间土的承载力特征值（Kpa）。
　　β是反映桩与土共同作用参数，除与桩端土的软硬有关外，还与桩身强度有关，对民用建筑，允许有较大的相对沉降，如桩端为软土时，可视各桩和桩间土均能发挥各自的作用，故取大值。对沉降有严格要求的工程，β取小值。
　　另一方面折减系数β还可能考虑到施工中对桩间土的扰动造成桩间土的强度下降。而黄土地区的施工经验，粉喷桩施工中对桩间土的扰动甚微，桩间土强度不但不会降低，反而因水泥固化时吸收了部分桩间土的水分，其强度还有所改善，因而，当桩间未进入硬土层内时，黄土地区的β值可取1.0。
　　3. 桩长的确定
　　《技术规范》上提出桩长不宜大于15m，设计时桩长以穿越软弱土层，抵达或接近土质较好土层即可，另外由于桩顶部的强度较低，实际施工桩长，宜较设计桩长场0.2m，施工垫层时，将0.2m桩头削去。
　　关于桩底进入硬土层的深度问题，由规范的有关规定可知，复合地基承载力计算公式中的桩间土折减系数与桩底土软硬有关，为软土时折减率最小，甚至不折减，为硬土时，折减比例大，甚至接近于不考虑桩间土的作用。粉喷桩的优越性在于复合地基的作用，不考虑桩间土的作用，就不是复合地基，单纯为桩的作用，这与粉喷桩的目的不相符。因此粉喷桩底不应进入硬土层过深，否则经济上不合算且偏于不安全。在置换率相同的条件下，桩长增加，桩身轴向应力呈衰减变化，深部地基所提供的摩擦阻力和端承力不能充分发挥，因此粉喷桩设计一般不宜过长。
　　4. 桩数的确定
　　桩数np按下式确定
　　np＝mA/Ap
　　式中A------地基加固面积；
　　Ap---------单桩截面积；
　　另一种估算方法，先根据置换率m的大小确定布桩几何形状和中心距，然后按桩的中心距计算出每根桩代表的复合地基面积A。当按正方形布桩时A＝S2(S为桩心距)；按正三角形布桩时A＝3×S2/2,并按np=A/A0计算出桩数。
　　5. 水泥掺入比
　　水泥土的强度与水泥掺入比（aw<5%时）成正比，由于水泥与土反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散性也较大，在实际工程中，aw不宜小于7％。水泥用量可采用变参数设计，即在桩身上部1/3-1/2桩长部分的掺入比下段增加一倍。施工时上部进行两次复搅，两次喷粉，下部一次喷粉。
　　三.粉喷桩施工常用机械
　　粉喷搅拌机械一般由搅拌主机、粉体固化材料供给机、空压机、搅拌头和动力部分组成。
　　搅拌主机常用的有铁道部武汉工程机械研究所生产的PH-5型、上海探矿机械厂生产的GPF-5型等喷粉桩机。
　　常用的粉体固化供给机为国产YP—1型粉体喷射机，其最大送粉压力0.5Mpa；最大送粉量100kg/min。这里特别值得提出的是对加固料的计量经过以往的“体积法”计量和采用“电子称”计量，进而发展到今天采用的计算机计量系统，这套系统主要由检测管、变送器、微型机算机、显示器及打印记录仪等五部分组成。通过这套系统，使桩体每米的送粉量一目了然，使施工质量得到了有效控制。
　　四.喷粉搅拌的施工
　　一般情况下，粉喷桩施

　　粉喷桩的施工顺序为将搅拌钻头对准桩位后，启动钻机边正向旋转边钻进，至设计标高时停止钻进，使搅拌钻头反向旋转，同时启动粉体发送器送粉，一边缓慢提升，不断喷射水泥粉与土体拌和均匀，直至桩顶设计标高为止。在整个下钻与上拔的过程中空压机沿钻杆中心同时送风(钻杆为空心)。一般来说，成一根7米的桩也就只需要20分钟左右。
　　五.质量控制要点
　　粉喷桩的施工方法简单但我们必须非常重视这种桩的过程质量控制，理解这种桩的成桩机理与控制要点，否则，就可能出现不合格的工程质量。
　　《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2002）提出了粉喷桩单桩及复合地基承载力计算公式，根据公式可以分析得出，提高粉喷桩复合地基承载力，应从提高桩面积置换率、桩周土的摩擦力、桩长、桩端天然地基土承载力标准值等四个方面入手。有条件时，设计前应进行试桩，以确定该地层情况下的单桩承载力及复合地基承载力。
　　粉喷桩一般按三角和正方形整片布置，置换率根据试验及计算确定，规范要求置换率不宜低于11.6%（桩间距1.4米）。一般设计取置换率参数为10%—20%。
　　桩周土的摩擦力与各地层的土质密切相关，水泥一般适用于淤泥质土、粘性土、粉土、素填土、杂填土、饱和黄土、中粗砂、沙砾等地基加固。选用这种加固方案前，应提取详细的工程地质勘察资料，重点注意土的含水量、粘粒含量、持力层的工程性质。当地基土PH值小于4或天然含水量大于70%时不宜采用粉喷桩加固。
　　粉喷桩的长度在满足强度计算要求的同时，尚应满足变形计算要求。增加桩长对变形是有利的，粉喷桩穿透软弱土层到达强度高的持力层，则沉降量很小，但对稳定性来说，桩长应由危险滑弧的位置决定。原则上桩长应穿透软弱土层到达下卧强度较高之土层。受机械设备的限制，加固深度大于15米时喷粉量难以保证，故加固深度一般不大于15米。
　　（二）在施工过程中，我们应从以下几个方面对质量进行控制。
　　1. 垂直度
　　规范要求粉喷桩垂直度允许偏差1%，施工中采用十字交叉方法控制,垂直
　　于钻机方向用吊线锤方法控制；平行与钻机方向采用水平尺控制（用这种方法控制后我们用经纬仪对其进行了校验，7米钻杆误差不大于2cm，可以满足设计要求）。
　　2. 喷粉量
　　固结料喷粉量可以从电脑显示仪器上显示出来，电脑显示仪上显示每
　　10cm的喷粉量，但固结料喷洒的均匀程度与人工操作有很大关系，应确保每米水泥量喷洒均匀，从而保证成桩质量均匀。
　　3. 深度
　　粉喷桩成桩深度从电脑记录仪及深度记录仪均可显示，但这里应强调指出的是记录仪记录深度是以钻杆开始转动的一瞬间开始的，施工中钻头距地面有一定的距离，从而使记录仪显示的不是实际桩长，而是实际桩长加上钻头与地面距离之和。施工中为了消除这种误差，一种方法是采取钻头挨地以后，先将记录仪复位至以地面为零点开始记录；另一种方法是测出地面与钻头之间距离，加在成桩深度记录中，使深度记录加长，从而保证桩长。
　　4. 含水量
　　粉喷桩适用条件为含水量不小于30%的地层，一般情况下地表附近含水量较低，这时就应该在成桩过程中加水。施工中采用的加水方法一般是用水管沿钻杆外壁加水。一般施工人员在复搅下钻时才加水，认为其他时候由于有空压机送风，使水从地下溢出而加不进去水，我们认为这时虽有水溢出，但毕竟是少量的，还是应该全过程加水。
　　5. 复搅深度
　　规范规定粉喷桩成桩后上部1/3深度（且不小于3米）应予以重新搅拌，这样做有利于提高上部桩体水泥土的均匀程度，从而提高桩身承载力。
　　6. 拔钻速度
　　规范规定钻杆上拔速度为50——80cm/min,一般来说，太快了水泥喷洒不
　　匀，桩身质量不能保证；太慢了钻头对土体的切削力又减小，达不到搅拌的目的。施工中常采用3档上拔（一般提速为60——75cm/min）。
　　7. 轻便触探试验
　　粉喷桩成桩3天后，桩头已难以用铁锨铲动，这时可用轻便触探测试桩
　　头和浅层桩身强度。轻便触探一般在成桩3天后7天前进行，一般以30击的下沉量不超过10cm为合格，触探点应选在1/4桩径处。同时，我们这时应测量桩体直径，看其是否满足设计要求。这里应强调指出的是应经常对钻头直径进行检查，磨损后及时进行修补。
　　8. 水泥土室内试验
　　对水泥的掺入比，规范要求应为10%—15%。在满足规范和设计要求的
　　基础上，现场施工前应采集施工地点土层中的最差土样及施工所用水泥送试验室作室内配合比试验检测其7天的水泥土无侧限抗压强度。
　　六.常见故障及处理方法
　　粉喷桩施工过程中常会出现部分机械故障，影响了成桩效率，其出现故障常有：
　　1.堵管
　　其原因之一在于提钻速度太慢，喷灰孔阻力太大而堵塞；原因之二在于水
　　泥太湿，颗粒之间摩擦力大；还有就是钻杆进水泥处卡脖，送风受阻而堵塞。
　　预防措施：施工时拔钻用合适档位；下雨时，水泥要有保护措施，天晴后及时晾晒。
　　解决故障措施：钻杆顶部拆开捅开钻杆；钻头清净后用铁丝捅开灰孔；卸掉钻头清理钻杆孔。
　　2.卡钻杆
　　钻杆上拔时，钻杆周围的补心轴将钻杆卡死而不能上拔，其原因在于钻杆磨损严重，与补心轴间隙太大；或补心轴磨损严重，使钻杆棱角卡在补心轴中。
　　预防措施：及时检查钻杆及补心轴，磨损时及时修理或换掉。
　　解决故障措施：拆开补心轴，将钻杆从补心轴间拔开。
　　七.需要说明的问题
　　在粉喷桩作轻便触探试验时，规范指出触探点应在1/4桩径处，这是因
　　为桩中心钻头喷不到水泥且无法搅拌，所以强度极低，甚至我们有时说这种桩是“空心桩”。这就要求我们一方面要降低拔钻速度；另一方面，对含水量较低的土层要全施工过程加水，以促进桩体中心强度的提高。
　　对桩体水泥掺量也不必拘泥于沿桩长均匀掺加，按荷载随深度增加而扩散的道理，桩顶部位可适当提高水泥量，桩体中下部水泥掺量可适当减小10%左右。
　　参考文献
　　（1） 《工业与民用建筑地基基础设计规范》（TJ2005-2002）
　　（2） 《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202－2002）
　　（3） 《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2002）

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