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浅谈粉喷桩施工原理与工艺

摘要：粉喷桩具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗 剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。粉喷桩施工在公路软土路基施工中具有显著的优势。本文对软土地基特性进行了阐述，分析了粉喷桩处理公路软土地基中的应用特性。
关键词：粉喷桩；公路软土路基；地基处理

1. 公路软土路基
软土是指湖沼、谷地、河滩等沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。从广义上说，软土是指强度低、压缩性高的软弱土层，可将其分为软粘性土、淤泥质土、淤泥、泥炭质土及泥炭5种类型；习惯上把前3种总称为软土。所以，在软弱路基设计和施工处理过程中，必须通过详细的研究，掌握软土的性质和土层特征（特别是软土的强度和变形动态变化规律），采取合适的施工措施，才能保证软弱路基在施工期间的稳定并控制路基的工后沉降粉喷桩的历史并不长，它是在搅拌桩的基础上发展起来的，其原理是通过机械的原位搅拌，将原粘土的原状结构破坏，再用石灰、水泥等粘结材料，以粉状或浆状喷入深层软土，形成新的复合体，最终提高了基础结构的整体强度。
2. 粉喷桩处理软土地基的优点
粉喷桩主要应用于软土地基的处理，粉喷桩施工时常用的粘结材料有石灰、水泥等。随着现代大型工程的增多，对地基要求的不断提高，粉喷桩、大部分采用水泥作为粘结材料。深层搅拌法对于处理有机质土、粉质土和粘质土都有较好的处理效果，由于深层搅拌法施工速度快、无振动、无噪音、无地面隆起、不排污、不排土、不污染环境及对相邻建筑物无不利影响等，所以粉喷桩在地基加固、基坑支挡结构及形成止水帷幕等多方面得到广泛的应用。近年来，随着高速铁路的大量修建，在我国各省特别是沿海地区，粉喷桩已被广泛地应用于高速铁路的软基处理中。实践证明，喷粉搅拌桩加固软土地基能够有效地减少和控制沉降量及工后沉降量，与其它软基处理方法相比，具有无法替代的优越性，能够较有效的解决桥头跳车现象。然而，喷粉桩处理软基在设计理论、施工技术及检测方法等方面尚不完善，因此在一定程度上又限制了它的发展。具体优势如下：
1) 能大幅减少加固范围内的地基沉降量，与排水固结法相比总沉降量能减少25%～49%.。
2) 加固区域侧向位移明显减少，与排水固结法在相同条件下相比，侧向位移能减少60%～70%，而且在较短时间内即趋稳定。
3) 提高地基土的承载力，适应快速填筑施工，与排水固结法相比，可以允许较高的填土速率。
4) 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。
5) 施工中无下沉坍落，作业安全可靠；施工作业简便，机械设备容易解决；成本低、效益高。
3. 软基加固机理与粉喷桩施工工艺
3.1 粉喷桩加固机理
　　粉喷桩处治软基属于深层搅拌法中的一种，它是利用压缩空气向
软弱土层中输送石灰、水泥等粉状加固料，使其与原位软弱土混合、压密，通过加固料与软弱土之间的离子交换作用、凝聚作用、化学结合作用等一系列物理化学作用，使软弱土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的柱状加固土，它与原位软弱土层组成复合地基，提高软
土地基承载力，减少地基沉降量。但是粉喷桩的成桩过程，不是钢桩、预制桩的“打桩”过程，也不是沉管桩的“沉桩”过程：
1）粉喷桩的制桩过程是在软土地基中将加固材料（水泥粉或石灰粉等）通过搅拌机械和原位地基土搅拌混合成桩，不会有较大的挤土效应；
2）粉喷桩使用的的固化材料是水泥粉或石灰粉，在干燥状态下它们能吸收桩体附近软土中的水分；
3） 粉喷桩加固的往往是软土地基，而天然软粘土具有显著的结构特性，颗粒之间胶结作用抑制了超孔隙水压的产生。
　　总之，不能将粉喷桩的成桩过程看成“沉桩”过程，有些工程人员忽略粉喷桩的工程特点，把粉喷桩施工过程简单地模仿看成其它工程桩的沉桩过程，并采用相应的计算方法估算粉喷桩地基的空隙水压力，笔者认为这样的做法在理论上是错误的，在工程上是有害的。
　　当然，粉喷桩在打桩施工过程中对桩周地基土也会有较大扰动的，此时若地基土体结构破损，颗粒之间的胶结作用受到破坏，对超孔隙水压力的抑制作用减弱，也会造成地基土的超孔隙水压力，使得粉喷桩在施工后一定时期内其承载力较小，工程技术人员在设计时如果没有考虑这一点，将会高估此时复合地基的承载力，特别是在由于过高估计地基的承载力而决定在路基上快速填筑路堤或修建结构物的情况下，路基很可能会出现裂缝、大的沉降和水平位移甚至滑塌事故。另外，地震和路面载荷等也会引起超孔隙水压力的上升，地震作用时，桩侧土的孔压比沿深度方向先急剧增大，再逐渐减小，振动孔隙水压力随时间累积增长，导致桩竖向承载力不断降低。实际上，对于高速铁路的工程建设，路堤填土加载或者雨水及其它水源也会造成孔隙水压力的上升，在工程设计中这些因素都是需要考虑的。
3.2 粉喷桩施工工艺
粉喷桩利用喷粉搅拌钻机钻进软弱土层，进行土体切割搅拌，压缩空气将粉体固化剂从钻头上的喷嘴向四周土体旋转喷射，钻头上的叶片切割四周土体使其与固化剂搅拌混合，胶结硬化后形成一定直径的粉喷桩体，桩体与桩间土形成复合地基，共同承担外部荷载。粉喷
桩的一般施工工艺为如下：
1) 对正桩位，调整钻机机身，保证钻杆的垂直度，启动钻机下钻，待搅拌钻头接近地面时，启动空压机送气，钻进土层。
2) 钻到设计孔深时，关闭送气阀门，喷送粉体固化剂。
3) 根据要求或试桩结果，喷料停留一段时间，确认粉体固化剂已
到桩底时，方可提升搅拌钻头。
4) 提升到设计桩顶标高时，停止喷粉。
5)打开送气阀，关闭送料阀，空压机不停机，搅拌钻头提升到桩
顶时停止提升，在原位转动2min，以保证桩头均匀密实。
6) 进行二次搅拌。
7) 将搅拌钻头提出地面，停止主电机、空压机，填写施工记录。
8) 移动到下一个桩位，继续作业。
4. 结语
　　本文在对现有粉喷桩加固软基的研究成果的基础上，进一步分析粉喷桩加固软基的机理和粉喷桩复合路基的受力变形性状，通过理论分析，对粉喷桩加固软基的若干关键问题作了深入的探讨，并在此基础上对粉喷桩加固公路软基进行了分析。
参考文献
1.JTGF 10-2006 <<公路路基施工技术规范>>
2.李长明 2001<<软土路基处理方法与应用>>