粉喷桩加固软土地基的施工

粉喷桩加固软土地基的施工

和问题的探讨

中铁十三局四处

［摘 要］该文通过对粉喷桩工程的加固机理和设计计算方法的分析，结合当前粉喷桩施工的部分应用实例和试验成果，，对粉喷桩应用的施工现状和有关问题作了阐述。 ［关键词］软土 粉喷桩 加固机理 复合地基

1粉喷桩的加固机理

粉喷搅拌加固软基技术，是利用水泥等作为固化剂，通过特制的深层粉体喷射搅拌机，将粉状加固料，用压缩空气输送到钻头，并以雾状喷射到加固地基的土层中。凭借搅拌机回转钻头叶片的旋转，在设计加固深度范围内，就地和原位软土强制搅拌混合，利用水泥吸水和与土颗粒发生水解、水化反应并进行阳离子交换等物理化学作用，使软上形成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥土柱体（俗称粉喷桩）。这种强度和刚度较桩周土高出若干倍的柱状加固体与桩间上一起构成复合地基，在稳定地基土的同时提高其强度，使地基土工程性质得到局部改善，从而达到加固地基的目的，或由粉喷桩相互搭接，形成坑壁支护和防渗帷幕结构。

2粉喷桩复合地基的设计与计算

粉喷桩复合地基现有的计算方法，都是以刚性基础底面处桩与土产生等位移为基本前提的，并结合有关弹塑性理论，提出了若干带简化条件的计算公式。

2.1粉喷桩单桩承载力计算模式

各种单桩承载力的确切值，唯有通过压桩试验来确定。因此，在桩承载力设计计算中，多是采用地基参数来预计的。对于粉喷桩主要有两种估算方法。

2.1.1半经验方法

在极限荷载作用下，粉喷桩的侧向膨胀量很小，桩周土远未达被动破坏，而是桩、土界面摩阻力达到极限，出现“刺入”现纽、或是桩身被劈断或剪断。B .B roms 分别给出了其计算公式：

桩、土界面上强度达极限时的单桩极限承级力：

Q f ＝лd(h+2.25d)сu

式中：Q f ——单桩极限承载力，kPa;h ——桩长，m;

d ——桩径，m; сu ——不排水剪强度,kPa 。

桩身剪断时单桩极限承载力：

Q f ＝A p (3.5c+3σh )

式中：A p ——桩的戳面积，m 2；σh ——桩在地面下土的最弱处（通常为硬壳底部）

住壁承受的水平上压力，kPa ；c ——柱身材料的内聚力。

2.1.2按规范规定的公式计算粉喷桩承载力

现行规范中关于粉喷桩的单桩承载力沿用了一般单桩的计算方法，首先计算一定桩长水泥粉喷桩的承戴力，然后再用水泥粉喷桩的桩身单轴抗压强度q u 作为控制指标来校核，取二者较小值作为单桩承载力的标准值。一般情况下，即无抗震加固、沉降限量等其它特殊要求时，可以q u 作为荷载和确走桩长的计算依据，或以桩长范围计算得到的单桩极限承载力 Q f 作为确定水泥土强度下限(q u )mint 和掺入比下限(a w )m in 的依据。

式中：[p ]——单桩容许承载力；D ——桩径，m ；A ——桩载面面积，m2；L j ——桩穿过各层土的长度，m ；f si ——各层土的摩阻力，kPa ；m 。——柱底支承力折减系数；[σ]

——桩尖所处地基的容许承载力,kPa,q u ——水泥土的强度，kPa ；K ——水泥土安全系数，一般取 值0.3～0.4。

2.2复核地基承载力计算模式

由于粉喷桩与土的破坏应变彼此相差一个量级以上，当复合地基达到极限状态时，桩、土极限强度不可能同步发挥，是以决定了复合地基的破坏往往是渐进性的或者是局部剪损。对于兼具端承性质的桩来说，破坏首先在桩体中发生。对于纯摩擦桩而言，如果置换率很小、且荷载分布不均匀时，则可能在桩间土中先出现流塑区。在荷载作用下，桩间土由于受到四周桩的水平约束作用，加大了桩间土对桩体的侧（围）向压力，从而使单桩极限承载力提高，而桩间土也得到一定的固结。故在软基加固工程中，复合地基极限承载力一般以桩体先达到破坏为前提进行计算的。

R f ＝ασpf +λ(1-m) σsf

式中： Rf ——复合地基承载力， kPa ；M ——置换率，％，亦称面积比；α=A p /A ，其中A p 为桩体总横截面积，A 为对应的加固总面积，即基础投影面积；σsf ——天然地基极限承载力，一般用荷动实验确定；σpf ——单桩的极限承载力，常用压桩实验校核；λ——桩间土承载力折减系数，其值常在0.4～1.0之间，当桩端为软土时，λ=0.5～1.0，当桩端为硬土时，λ<0.5，当不考虑桩间软土作用时，λ＝0。

2.3复合地基应力计算模式

当复合地基的地表面有荷载时，由于粉喷桩的压缩性比周围软粘土的压缩小，在压缩变形相一致的条件下，粉喷桩桩顶将会产生应力集中现象。故复合地基的应力检算可以采用下式：

σp = R f μp ≤[p ]A σs = R f μs ≤R s

式中：μp ——应力集中系数，μp ＝n/[1+(n-1)×α]＞1；μs ——应力减小系数，μs ＝1/[1+(n-1)×α]<1 ；n ——桩土应力分担比， n=E p /E s =σp /σs ,其中E p 、E s 分别为搅拌桩、桩间土的变形模量；σp ——粉喷桩承受的压应力，kPa ；σs ——桩间土承受的压应力，kPa 。

2.4复合地基沉降计算模式

在施加的荷载不超过水泥桩的徐变极限Q c 时，复合地基总沉降量

S ：S=S 1 +S 2

式中：S1——被加固土体桩长范围内的沉降量，cm，S1= ，S2——被加固土体以下未加固的沉降量（cm），其值等于计算得到的主固结沉降乘上大于1.0的沉降修正系数；m——置换率；L一粉喷桩桩长，cm；σc ——外荷载应力，kPa；E c——水泥土桩的弹性模量，kPa；E s——桩间土的侧限变形模量，kPa。

3、粉喷技术的应用

目前，国内粉喷技术主要应用领域为铁路、高速公路、市政工程、工业厂房、民用住宅的软基加固和开挖围护工程筹，适用的土质为淤泥质土、粘性土、粉土、杂填上，特别适宜于天然含水量大于30％的土层。其复合地基承载力标准值可达200kPa，最高能达到250kPa，单桩（D＝0.5m）容许承载力达到150kN以上。粉喷桩组成的地下连续墙可单独用于深度7m以内的基坑支护和防渗帷幕工程。

3.1工程实例一

云南省昆明市小西门综合商品批发市场，总建筑面积21337m２层高20.4m，基坑开挖深度3.00～3.46。场地位于坡脚与海盆边缘接触地段，岩性变化较大,自上而下依次为：人工填土；粉质粘上，淤泥质粉质粘土，f k＝70kPa，是主要加固土质；粉细砂，f k＝120kPa；圆砾层，为设计桩体持力层，f k＝150kPa。地下水位埋深0.5～0.8m，地震烈度为8度。

施工过程中采用粉喷桩做地基加固处理和基坑临时护壁。基础下工程桩按梅花形布置，桩间距1．5m（图1），置换率18％～20％；复合地基承载力标准值不低于120 kPa。为了抵抗结构住下的集中荷载的作用，柱下桩采取加强措施（图2），承载力标准不得低于140 kPa，桩径0，5m；桩长以桩端穿过淤泥质粉质粘上层和粉细砂层下不小于0．3m为原则，停灰标高比基础底板高出0．3m，实际施工桩臼1加固地基桩平面布置

件。～）

回2柱下桩大样

长4． 50～9．00不等。采用425号普通硅酸盐水泥，平均掺灰且不少于每延米50 kg。·”

由于粉喷桩内无钢筋，粉喷桩抵抗水平推力的能力较差，基坑单排支护桩工作，不能满足支护设计要求。考虑桩土共同工作的原理，支护桩设计为双排加劲式，桩径0．5m，排桩间距1．6m，间而1．6m设置一道加劲桩和单根加固桩，桩与桩搭接0．1m实际桩与桩中心距0．4m，桩顶距地面0．5m停灰，桩顶复搅深度3．00 m。采用425号普通硅酞汾水泥，平均掺灰量不小于每延米55 kg。支护桩不设水平支撑。

由于该工程地下存在粉纲砂，在两排桩中间的集水并中降水出现流砂，降低了外排桩问土的密实度，使护壁桩个别部位曾出现较大的向内水平位移或断裂（足大水平位移5．6cm，裂缝长达5．5m），但整个支护结构工作憎况良好，切实起到了挡上和挡水的支护作用。经观测加固后的地基最大沉降量19 mm，平均沉降量为13．25 mm，最大不均匀沉降量为11 mm，粉喷加固的复合地基完全满足设计承载力的沉降宴求。

该实例的特点是采用桩间降水的办法，较好地克豚涌砂现象，而且围护结构和复合地基方案比最初选定的深层搅拌法节约资金120万元，缩短工期3个月。…