粉喷桩在黄陵至延安高速公路软土地基加固中的应用

粉喷桩在黄陵至延安高速公路软土地基加固中的应用发表时间：2009-06-16T13:34:27.577Z 来源：《新科教》2009年03-04月供稿作者：岳永秀(中铁十三局集团第三工程有限公司，辽宁沈阳， 1
[导读] 本文主要对粉喷桩的设计、施工工艺、质量控制和劳动力组织进行了论述，对同类工程的施工有很好的借鉴作用。

摘要：粉喷桩是加固饱和软土地基的一种新颖方法，它以水泥为固化剂，通过搅拌使软土硬化成为具有整体性、水稳性和一定强度的优质地基，本文主要对粉喷桩的设计、施工工艺、质量控制和劳动力组织进行了论述，对同类工程的施工有很好的借鉴作用。

关键词：粉喷桩；软土地基加固；应用
1 工程概况
黄延高速公路位于陕西北部，线路所经地区地质多为黄土、湿陷性黄土、老黄土。

这类土遇水软化，并失去承载能力。

陕北黄土塬地形变化大，冲沟发育，“鸡爪”地形普遍，线路经过软弱地基地段非常普遍。

如何处理好这类软弱地基，对于保证黄延高速公路质量具有重要意义。

根据黄延高速公路不同软基情况，设计要求在大于4m厚的软基地段，采用了水泥粉喷桩加固地基的处理方法。

实践证明，这种方法具有无振动、无泥浆排出、对环境无污染、施工机械不复杂、施工效率高、加固效果好，各项指标均满足了预期要求，在黄延高速公路建设中取得了较好效果。

2 粉喷桩加固地基机理
成孔机械在原土地层中成孔，通过喷粉机将水泥干粉喷入经钻机搅拌的土体中形成桩体。

水泥干粉与软土发生水化反应，把土体中大量的自由水结晶固结；同时土体颗粒和水泥水化物发生作用，产生凝硬作用，一般拌入水泥7d后，土颗粒周围充满了水泥凝胶体和少量的水泥结晶体，一个月后，水泥中生成大量纤维状结晶，并不断延伸充填到土颗粒的孔隙中形成网状构造，增加了土的强度，从而提高桩体的承载能力。

粉喷桩是一种介于刚性桩和柔性桩之间的一种桩型，其刚度、抗压强度及抗侧压力作用均小于刚性桩而大于柔性桩。

粉喷桩可以完全改变软土性质，桩体和桩间原土体共同形成复合地基，从而提高整体地基的承载能力。

粉喷桩的桩身无侧限抗压强度可达780～2000kpa。

采用粉喷桩处理的复合地基承载力可达160～180kpa，甚至更高。

3 粉喷桩设计
利用粉喷桩加固地基的目的是为了满足工程需要，使地基获得足够的承载力，减少沉降，因此设计时考虑的主要内容为：桩长、强度、直径、桩距等，最终获得复合地基的总体承载力和确定复合地基的总体沉降量。

3.1 单桩承载力Pk
Pk=qsUpL+αApqp
式中，qs——桩周淤泥质土摩阻力，kPa；
Up——桩周长，m；
Ap——桩的截面积，m2；
L——有效桩长，m；
α——桩尖土承载力折减系数，取0.6；
qp——桩尖土承载力值，kPa。

3.2 桩身水泥土强度qu
qu=2kRk/Ap
式中，k——水泥安全系数，取1.2。

3.3 置换率m
m=(fsp-βfsk)/(Rk/Ap-βfsk)
式中，fsp——设计复合地基承载力，kPa；
fsk——桩尖土标准承载力，kPa；
β——桩尖土承载力折减系数，取0.75。

3.4 桩中心平均间距a
a=(Ap/m)0.5
3.5 复合地基承载力
fsp=Rkm/Ap+β(1-m)fsk
3.6 粉喷发送器单位时间内粉体喷出量：
q=ΠD2v.p.aw/2=ΠD2v.p.aw
式中，q——加固料的喷出料，t/min；
p——软土的容量，t/m3；
aw——水泥掺入比，由设计确定；
v——钻头提升速度，m/min；
D——钻头直径，m。

4 施工工艺
将钻杆钻至要求的土层深度，钻头到达下部持力层后，用压缩空气将水泥粉或生石灰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，并与水泥或生石灰搅拌混合胶结，硬化后即可形成一定直径的强度高于原土层的固结体。

4.1 清除地表
首先清除地表0.3m厚种植土及其他杂物，用土回填至原地面，其顶面作成三角形（路基中心两侧做成流水坡），两侧与原地面平，中心高0.2m，其宽度不小于路提宽度，并碾压密实至K≥0.86，地基系数K30≥70Mpa/m。

4.2 机具定位
根据粉喷桩布置范围及行列间距在现场用小木桩或白灰准确定出每根粉喷桩的位置。

然后使桩机对位，调平机身，保证桩的垂直度。

4.3 启动主电机下钻
等钻头接近地面启动自动记录仪，空压机送气并继续钻进。

4.4 钻头反钻
当钻至设计深度时，停止钻进，钻头反钻，但不提升。

4.5 喷送水泥
打开送料阀门，关闭送气阀门，喷送水泥。

水泥到桩底后，提升搅拌钻头喷送水泥不停，为控制成桩质量，一般不得使用三档提升。

4.6 原位转动
提升到设计标高时，关闭送料阀，停止喷粉。

打开送气阀，空压机不要停机，停止提升，在原位转动二分钟，以保证桩头均匀密实。

4.7 二次搅拌搅拌钻头再钻至设计桩底深度时，进行第二次搅拌。

4.8 填写施工记录当搅拌钻头提出地面，停止主电机、空压机，填写施工记录。

4.9 移动钻机移动钻机到下一个桩位，开始下一循环。

5 机械配备和劳动力组织5.1 粉喷桩机该机主要由液压步履机构、动力机构、操作机构、粉体发送器、空气压缩机、搅拌钻头等组成，主机是一台能完成钻进及搅拌的钻机。

5.2 劳动力组织(见表1)
表1劳动力组织序号工种人数工作内容1 班长 1 协调指挥各工序操作2 施工人员 5～8 钻机操作、备料等3 技术员 2 负责施工记录和质量控制6 质量控制6.1 粉喷桩施工质量控制要求（见表2）表2粉喷桩施工质量控制要求项次检测项目允许偏差检测方法及说明1 桩轴线位移（纵横方向） ±10cm 用经纬仪检查或钢尺量、抽查2%2 钻杆倾斜度 1.5%查施工记录3 桩长不小于设计规定粉喷前检查钻杆长度4 单桩喷粉量不小于设计电脑施工记录仪自动记录5桩体无侧限抗压强度不小于设计规定桩头或桩身取样5%6.2 质量控制要点6.2.1在粉喷桩施工前进行现场成桩试验，确定各项操作技术参数，包括电脑自动记录仪使用情况，如钻进速度、提升速度、搅拌速度、气体流量、空气压力等，验证成桩质量。

6.2.2为确保成桩的垂直度，在机械调平时应有铅垂吊线方法或在机身设置激光对中仪检查钻杆是否垂直。

6.2.3严格控制钻孔深度、喷灰时间及停灰时间，在钻杆上明确长度标记，确保桩长度达到设计要求。

6.2.4粉喷桩机必须配备有效的电脑自动记录仪，正确记录各种参数并自动打印输出。

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。

喷粉搅拌时，记录人员应随时观察电子称的变化显示，以保证各段（通常以1m为一个单位）喷粉均匀。

6.2.5定时检查成桩直径及搅拌均匀程度。

对使用的钻头定期复核检查，其直径磨耗量不得大于10mm。

6.2.6为保证地基的加固效果，必须选择合理的钻机速度、提升速度、喷粉速度，其搅拌效果通常用土体中任一点的钻头搅拌N来控制，一般N需满足下式并大于30次：N=h∑Z/Vn 式中 h——钻头叶片垂直投影高度（m）Z——钻头叶片总数（片）V——钻头提升速度（m/min）n——搅拌轴速度（r/min）6.2.7为保证加固粉料到达桩底，当钻头钻至设计深度时不提升，要有一定的滞留转动时间，一般情况下原位转动2～4 min。

6.2.8整个制桩过程一定要保证边喷粉、边提升连续作业。

在喷粉成桩过程中遇有故障停止喷粉时，第二次喷粉接桩，其补喷重叠长度不得小于1m。

6.2.9桩顶设计标高与地面标高接近时，地面以下1m范围内喷粉、搅拌、提升宜用慢速，当喷粉即将出地面时，宜停止提升，搅拌数秒钟，以保证桩头均匀密实。

6.2.10粉喷桩水泥用量按试验确定的灰比严格控制，水泥采用42.5号普通硅酸盐水泥，施工前应对水泥进行抽样试验，合格后方能使用。

6.3 质量控制措施6.3.1开工前组织施工人员进行技术交底，施工中根据要求召开质量管理专题会，不得使用不合格的施工机具及不合格或失效的水泥。

6.3.2控制钻头下沉和提升速度，保证加固范围内每一深度都得到充分搅拌。

6.3.3随时检查施工记录，对照施工工艺对每根桩进行质量评定。

对不合格桩，根据具体情况采取补救措施。

6.3.4选取一定数量的桩体进行开挖，检查桩的外观质量、搭接质量的整体性。

6.4 质量检测技术6.4.1 室内灰比试验现场采集要加固的土样及施工用固化剂送至试验室，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、做无侧抗压强度试验，选定最优灰比。

6.4.2 粉体加固效果检查
A 在桩身不同部位切取试块，比较相同龄期室内试块与桩身切取的试块的强度。

B 在荷载板下不同部位埋设土压力盒，测试复合地基的反力分布和应力分配。

7 结束语
在黄延高速公路建设中，我标段共进行粉喷桩加固软土地基2段、共计3万余米，从目前监控情况看，路基沉降量小，均在允许范围之内，说明采用粉喷桩加固黄土地区软弱地基是成功的。

粉喷桩施工机动灵活、污染小，可根据作业场地增减钻机数量，是一种经济、快速的软基加固方法。

参考文献：
〔1〕刘松玉.粉喷桩复合地基理伦与工程应用〔M〕.北京：中国建筑工业出版社，2006 〔2〕绕为国.桩——网复合地基原理及实践〔M〕.北京：中国水利水电出版社，2006。