粉喷桩处理公路软土地基施工技术

粉喷桩处理公路软土地地基施工技术

一、粉喷桩的应用概述

㈠定义

粉喷桩属于深层搅拌法加固地基方法的一种形式，也叫加固土桩。深层搅拌法是加固饱和软粘土地基的一种新颖方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械应地将软土和固化剂（浆液状和粉体状）强制搅拌，利用固化剂的主剂和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地基。粉喷桩应是采用粉体固化剂来进行软基搅拌处理的方法。深层搅拌法具有施工工期短、无公害、施工过程无噪音、不排污、对相邻建筑物无不利影响等优点。

㈡粉喷桩的发展简况

⒈粉喷桩

粉体喷射搅拌加固土桩，于20世纪60年代后期由瑞典和日本分别提出。石灰系搅拌法于1967年由瑞典的Kjeld Paus提出，1974年将石灰体喷射搅拌桩应用于路堤和深基坑边坡防护。日本于1967年开始研制石灰搅拌施工机械，1974年开始在软土加固工程中应用。

我国于80年代初引进此项技术，1983年初，铁道部第四勘察设计院开始进行粉体喷射搅拌法加固软土地基的试验研究，并与铁道部武汉工程机械研究所合作，于1983年研制出了我国第一台液压步履式深层搅拌喷粉桩机。1984年7月在广东省云浮硫铁矿铁路专用线上应用石灰搅拌桩加固单孔4.5m盖板箱涵的软土地基获得成功，1985年4月通过铁道部部级技术鉴定，后逐步推广使用，并取得了良好的社会效益和经济效益。但由于国内粉状石灰产量不多，加之运输与保管也比较困难，因此近年来基本上均以水泥粉作为固化剂进行深层搅拌施工。

⒉水泥系深层搅拌法

水泥系深层搅拌法始于美国，20世纪50年代引入日本，1974年由本港湾技术研究所、川崎钢铁厂和不动建设等厂家合作研制成功水泥搅拌固化法（CMC法），用于加固钢铁厂矿石堆场地基加固深度达32m。接着日本各大施工企业接连开发研制加固原理、固化剂相近的各种不同规模、不同效率的深层搅拌机械，形成了多种施工方法。

杭州市温州路27号住宅楼改建工程和上海探矿机械厂铸钢车间厂房地基加固工程是国内采用水泥喷粉技术进行软基搅拌加固最早的两个实例。到90年代这项技术在公路、铁路、市政工程、工业与民用建筑、机场等的软基处理中得到了广泛的应用。

㈢适用范围

⒈适用土质

粉喷桩最适合于加固各种成因的饱和软粘土，目前国内常用于加固淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高的粘性土。由于粉喷桩是将干的固化剂（水泥粉、石灰粉）拌入地基的，所以当软基中的含水量低于30%时，为了保证粉体的充分固化，必须在搅拌过程中加入适当水分，因此当选用粉喷桩时，土层的含水量宜大于50%。

⒉加固深度

加固深度取决于施工机械的功率，国外某些加固软土的深度已达到60m；国内的施工机械的搅拌能力一般为30m，所以加固深度只能达到26-27m。

⒊适用工程

由于采用水泥或石灰与软土充分搅拌后形成的复合体，其抗压强度比天然软土能够高数十倍甚至数百倍，因此它与周围天然土层组成的复合地基可大大的提高承载力、减少沉降量。因此粉喷桩能够应用于公路路基、机场、铁路、建筑物、堆料场、办公楼、住宅楼、水坝、港口等各种工程中。

二、粉喷桩加固机理

㈠石灰加固软土的机理

用石灰粉作为固化剂进行软土的加固时，石灰粉应为生石灰经研磨而成的生石灰粉。由于生石粉的主要成分是CaO立即吸收软土中的水分，消解成熟石灰（Ca(OH)2）,即：CaO+H2O→Ca(OH)2+15.6千卡/摩尔(热量)

生石灰在消解过程中产生的大量热量会促进软土中水分的蒸发,降低含水量。但主要的是生石灰消解时，会吸收土中大量的水分，1kg的CaO完全消解后的理论吸水量是0.32kg。Ca(OH)2与空气中的CO2发生碳酸化反应生成不溶于水的碳酸钙，使得软土强度提高，并与周围土体形成复合地基。再者石灰在消解时体积会增长2倍，也能促进周围土体的固结。

㈡水泥加固软土的机理

⒈水泥的水化反应

普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成。在水泥拌入软土中后，很快与软土中的水发生水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物。反应过程为：

硅酸三钙（3CaO.SiO2）。在水泥中含量最高（约占全重的50%左右），是决定水泥强度的主要因素。

3CaOSiO2+6 H2O→3CaO. 2SiO2 .3H2O+ 3 Ca(OH)2

硅酸二钙（2CaO.SiO2）。在水泥中含量较高（约占25%左右），是产生后期强度的主要因素。

2（2CaO.SiO2）+4 H2O→3CaO. 2SiO2 .3H2O+ Ca(OH)2

铝酸三钙（3CaOAl2O3）。占10%，水化速度最快，促进早凝。

3CaO Al2O3+6 H2O→3CaO. Al2O3 6H2O

铁铝酸四钙（4CaOAl2O3FeO3）。占10%左右，促进早期强度。

4CaO Al2O3 FeO3+ 2Ca(OH)2+10 H2O→3CaO. Al2O3 6H2O+ CaOFe2O3.6 H2O

铁铝酸四钙（4CaOAl2O3FeO3）。占10%左右，促进早期强度。

4CaO Al2O3 FeO3+ 2Ca(OH)2+10 H2O→3CaO. Al2O3 6H2O+ CaOFe2O3.6 H2O

硫酸钙（CaSO4）。虽然在水泥中的含量仅占3%左右，但它与铝酸三钙一起与水发生反应，生成一种被称为水泥杆菌的化合物。

3CaSO4 + 3CaO Al2O3+32 H2O→3CaO. Al2O33CaSO4+32 H2O

水泥杆菌最初以针状结晶的形式在比较短的时间内析出，这种反应迅速，把大量的自由水以结晶的形式固定下来，这对含水量高的软土地基强度的增长具有重要意义。

⒉土颗粒与水泥水化物的作用

1）凝硬作用

水泥与水发生反应析出大量的钙离子，这些钙离子与粘土中的矿物质（如二氧化硅、三氧化二铝）进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物。

SiO2+ Ca(OH)2+n H2O→CaO. SiO2（n+1）H2O+ （CaO. SiO2 (n+1) H2O）

Al2O3+ Ca(OH)2+n H2O→CaO. SiO2（n+1）H2O+ （CaO. Al2O3(n+1) H2O）

这些新形成的物质在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。从扫描电子显微镜的观察可见，天然软土颗粒之间无任何有机的联系，并且具有很多孔隙。拌入水泥7d后，土颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水泥结晶体，一个月后，水泥土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。

2）离子交换作用

软土中含有多种矿物质，并有游离钠离子Na+和钾离子K+，它们能和水泥水化生成的钙离子Ca++进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的团粒，使土体强度提高。

⒊碳酸化作用

水泥水化物中的氢氧化钙，与空气中的二氧化碳反应生成不溶于水的碳酸钙，也能提高软土的强度。

粉喷桩应其自身性质来说是一种介于刚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。粉喷桩可以改变软土的性质，它与桩间土形成的复合地基，可以大大的提高出承载力，减少沉降。