粉体喷射搅拌桩施工工艺

粉体喷射搅拌桩施工工艺

用粉体喷射搅拌桩（简称粉喷桩）施工方法加固软基，是利用专用的喷粉搅拌钻机将水泥或生石灰粉等粉体固化剂喷入软土地基中，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，使软土结成具有一定强度的桩体而形成复合地基的一种施工方法，从而达到提高软基承载力，减少软基沉降的目的。由于粉喷桩能有效减少总沉降量、能承受较大的加荷速率、抗侧向变形能力强、可大大缩短施工期等优点，故在软土地基的加固中得到广泛应用。我国于80年代初引入此项技术，现已在公路、铁路与建筑等领域的软弱土地基的处理中得到有效应用。

1工艺特点

（1）施工机具设备简单，施工作业简便，

（2）无下沉坍落，作业安全可靠。

（3）在软基中采用钻头搅拌钻孔成桩，对地基及周围建筑物扰动小，地表下沉得到控制，施工中振动小、噪声低，具有良好的社会效益。

（4）以较小的投入即可达到理想的加固效果，成本低、效益高。施工简便。

2适用范围及条件

（1）粉喷桩加固地基主要适用于公路、铁路、工业及民用建筑、市政、道路及港口、地下挡土结构等工程的软土地基处理。

（2）其适用的土质为：淤泥质土、饱和粘土、亚粘土、粉土、素填土、杂填土等地基加固，地基土的天然含水量在小于30％或大于70％时不宜采用。

（3）加固深度一般为20m以内，加固土强度标准值一般取90d龄期的无侧限抗压强度，一般可达到0.8～2.0MPa。

（4）当地下水有侵蚀作用或加固的地基为泥碳土时，应通过试验确定其适应性，冬季施工应注意低温对加固效果的影响。

3工艺原理及设计要求

3.1 工艺原理

粉喷桩是用改制的螺旋钻机，将钻杆钻至设计要求的土层深度，钻头到达下部设计地层后，用压缩空气将水泥粉或生石灰粉经钻杆内孔输送至钻头上特制的喷嘴，随同钻头旋转向四周土体喷射，同时钻杆以一定的速度提升。钻头上的叶片将其四周一定范围内的土体自下而上不断切割，使之疏松，并与水泥或生石灰粉充分搅拌混合，水泥（生石灰）与水发生水化反应形成水泥（生石灰）土的混合固化体，该固化体的强度高于原土体的强度，在土中形成了一根水泥＋土的固化体柱，此即称为粉喷桩。粉喷桩加固软弱土层的设计主要由单桩设计、复合地基设计及工艺性设计等部分组成，根据建筑物对地基承载力和变形的要求，结合上部结构的特点，粉喷桩可采用桩状、壁状、格栅状或块状等加固型式，其布置可采用三角形或正方形。

3.2 加固机理

粉喷桩加固软土地基，即以水泥或生石灰粉作为固化剂，利用深层搅拌机械将水泥与原位软

土进行强制搅拌、压缩，并吸收周围水分，经过一系列物理化学作用生成一种特殊的具有较高强度、较好变形特征和水稳性的混合柱状体，从而起到提高软土地基承载能力、减少地基的沉降量及保证桥头高填土路基稳定性的作用。

水泥加固软土是基于水泥与加固土的物理化学反应，形成坚硬的水化反应产物－固结体进而提高了土体的压缩模量和强度

3.3设计要求

粉喷桩就其自身性质来说是一种介于钢性桩与柔性桩之间的一种桩型，其刚度、抗压强度和抗侧压力作用均小于刚性桩而大于柔性桩。单桩承载力可根据室内配方试验提供的桩身强度及地质报告按下式估算

Rk =ηfcuAp

式中fcu——与工程搅拌桩的水泥粘土配方相同的室内加固土试块，在标准养护条件下90d龄期的无侧限抗压强度平均值（kPa）；

η——桩身强度折减系数，可取0.3～0.4；

Ap——桩的面积（m2）。

由于粉喷桩桩身强度较刚性桩低，在垂直荷载作用下有一定的压缩变形，在桩身压缩变形的同时，其周围的软土也分担一部分荷载，形成了柔性复合地基。粉喷桩复合地基的承载力标准值可按下式计算

fck=mRk/Ap+β（1-m）fs

式中fck ——复合地基承载力标准值（kPa）；

m——桩土面积置换率；

fs——桩间土天然承载力标准值（kPa）；

Rk——单桩竖向承载力标准值（kN）；

Ap——桩的面积（m2）；

β——桩间土承载力折减系数，当桩端为软土时，可取0.5～1.0；当桩端土为硬土时，可取0.1～0.4；当不能考虑桩间软土的作用时，可取零。

当地质资料确定时，粉喷桩复合地基的承载力标准值跟粉喷桩单桩承载力及设计的置换率有关。当桩体强度及置换率一定时，复合地基承载力由单桩承载力确定，单桩承载力越大，复合地基的承载力就越高；当桩体强度及桩长一定时，复合地基承载力由置换率确定，置换率越高，复合地基承载力越高。

4施工工艺流程

粉喷桩施工工艺流程如图1所示。

5操作要点

5.1施工准备

（1）粉喷桩施工前准备好下列施工技术资料：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，粉喷桩设计桩位图，原地面高程数据表，加固深度与停灰面高程以及测量资料等。

室内配合比确定水泥用量，由于水泥加固

土桩体的质量与天然地基土的性质有关，因此

当地基加固工程决定采用粉喷桩时，水泥掺入

量的确定很关键，首先在施工前至少28天，

要在室内标准条件下，制配不同配比的水泥土

试件，进行不同龄期的强度试验。室内配合比

取5个掺入比（一般为12%～16%）进行试验，

现场采集具有代表性要加固的土样及施工用

的固化剂送至实验室，按拟定的配合比和操作

程序制作试块，试块成形后1～2d 拆模，称重

后送入养护室进行各龄期养护，达到规定龄期

后，称重，作无侧限抗压强度试验，选定最优

灰比。

（2）平整场地，清除障碍。对场地低洼

和地表过软处，回填粘性土或铺设砂、碎石垫

层找平，使施工场地满足机械行走要求，并采

取防止机械失稳的措施。

（3）施工机具准备，进行机械组装和试

运转。

（4）粉喷桩的施工工艺根据设计要求的配比和实测的各项施工参数通过试桩来确定。试桩不得少于2根，一般为5根，通过试桩来确定钻进速度、提升速度、搅拌速度、喷气压力、单位时间喷粉量等。

5.2施工工艺

（1）桩基就位。根据设计，放线确定钻机位置的基础，使搅拌桩机机轴保持垂直，以防打斜桩，影响桩基承载力。

（2）下钻。启动搅拌桩机，钻头边旋转边钻进。为不致于堵塞喷射口，此时并不喷射加固材料，而是喷射压缩空气，可使钻进顺利，减小负载扭距。随着钻进，准备被加固的土体在原位受到搅动，直至设计深度。

（3）提升钻头并反转。在提升过程喷粉搅拌，通过粉体发送器将水泥粉喷射入搅拌的土体中，使土体和水泥沿深度方向充分拌和。提升速度有I 、II 、III 三个挡位，要根据地质情况，决定提升速度，以得到较均匀的水泥土桩，提升速度根据试桩参数确定。

（4）提升结束。当钻头提升到距地面50cm 时，喷粉器停止向孔内喷射粉料，成桩结束。在设计桩顶预加50cm 桩长作为破除桩头用。

（5）复拌。停止喷粉，钻头边旋转边钻进，直至设计深度的1/3处，再边提升边反向旋转，使土体和粉体充分拌和，土体被充分粉碎，水泥粉被均匀地分散在桩土中，复拌的深度一般是设计桩长的1/3，复拌是保证成桩均匀和提高桩体强度的有效措施。

（6）移位。准备打下一根桩。

图1 粉喷桩施工工艺流程图