粉噴樁施工工藝模擬及機(jī)理研究★

何運(yùn)林 任錚鉞 趙夢凝

(1.廣西地大集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530000; 2.大連理工大學(xué)現(xiàn)代工程檢測有限公司，遼寧大連 116023; 3.大連城市建設(shè)專家事務(wù)所有限公司，遼寧大連 116023)

0 引言

粉噴樁屬于深層攪拌法加固地基方法的一種形式，它和漿體攪拌法都屬于深層攪拌法，不同之處在于，粉噴樁是在鉆孔過程中，通過使用特制的深層攪拌機(jī)械噴射粉體加固材料(水泥，石灰等)，使加固劑與深層軟弱土經(jīng)攪拌混合，并發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體相互影響，共同作用承擔(dān)上部荷載的粉噴樁復(fù)合地基。粉噴樁最適合于加固各種成因的飽和軟粘土。

隨著國內(nèi)高鈣粉煤灰排放量的逐年增加，人們對(duì)高鈣粉煤灰的性能及其應(yīng)用研究越來越關(guān)注。由于純水泥加固軟土效果不是很顯著，因此將高鈣灰摻入加固材料之中，也是大連軟土加固研究的一塊新的領(lǐng)域。由于加固材料的變動(dòng)和大連軟土地域性特征，粉噴樁施工效果會(huì)有顯著不同。將粉噴樁施工簡化成模型進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，可以由小見大，為現(xiàn)場試驗(yàn)奠定一定的基礎(chǔ)。

1 粉噴樁施工工藝

1.1 粉噴樁施工流程

粉噴樁施工流程見圖1。

圖1 粉噴樁施工流程圖

1.2 粉噴樁施工難點(diǎn)

1)噴粉均勻噴出控制。

要保證粉噴樁樁體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，必須保證樁體直徑范圍內(nèi)加固劑含量均勻足量摻入。首先要保證粉噴樁鉆機(jī)桿下的粉體噴口噴射出的氣體達(dá)到一定的壓力(此壓力不小于鉆頭所在位置的土壓力)，確保其能噴至樁體直徑處。再者是要減少壓力損失，不得隨意扳動(dòng)噴灰閘閥，并保證灰罐密封嚴(yán)密，確保噴灰工作壓力。粉噴樁最大加固深度與送灰器最大壓力及地層地質(zhì)條件有關(guān)，樁底最深處至少要維持與土壓力相當(dāng)?shù)目諝鈮毫Σ拍鼙ＷC高壓空氣攜帶水泥順利達(dá)到樁直徑處。一般儲(chǔ)料罐最大壓力為0.5 MPa，因此粉噴樁最大深度不應(yīng)超過15 m。

2)加固劑與土體拌合效果控制。

土質(zhì)太粘，干粉不易噴入，混合后形成較大土團(tuán)，易形成加固樁體軟弱夾層，也容易堵塞鉆頭噴射口，使施工無法進(jìn)行。根據(jù)《粉體噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范》施工時(shí)可采用加水措施，目前普遍采用的方法是施工時(shí)順鉆桿外側(cè)注水，經(jīng)大量實(shí)踐證明由于鉆桿離心作用和噴氣、灰氣壓作用該方法對(duì)較干地層深度在0.5 m～1.0 m地區(qū)可滿足質(zhì)量要求，厚度大于1.0 m，無法滿足要求。

因此需要考慮一種不受噴氣送灰影響，又能深入底層的送水方法。經(jīng)過實(shí)踐證明，用鉆機(jī)在預(yù)成樁位上鉆進(jìn)至地下水位以上30 cm處，不噴灰提升，將原狀土攪松后增大其滲透性，然后注水預(yù)浸［2］。

2 施工工藝模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

模仿粉噴樁施工，簡化模型，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。主要控制兩點(diǎn):加水+噴粉+旋轉(zhuǎn);淤泥中原位養(yǎng)護(hù)。模擬試驗(yàn)的設(shè)備主要由三部分組成:加壓系統(tǒng)，粉體噴槍，攪拌裝置。加壓系統(tǒng)采用小型空氣壓縮機(jī)，量程控制在0.05 MPa～1 MPa。攪拌葉片采用雙層帶弧度結(jié)構(gòu)，大約14 cm長，裝置見圖2。

圖2 模擬試驗(yàn)裝置

空壓機(jī)將空氣傳入導(dǎo)管，經(jīng)由粉體噴射槍時(shí)，吸取粉罐中的加固劑由噴嘴噴出。

2.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

在噴粉攪拌過程中，一開始由于粉量較少，攪拌較均勻。隨著噴粉量的增加，攪拌越來越困難，葉片周圍形成大塊粘土團(tuán)。采用加水的方法，使加固土流動(dòng)性提高。

攪拌成型后，將桶放進(jìn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d;取樣并切割成70.7 mm的立方體試塊。對(duì)于切割成型的試塊，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，為0.67 MPa，且呈塑性破壞。

《軟基處理水泥深層攪拌樁施工控制》規(guī)定，設(shè)計(jì)的基本參數(shù)和要求如下:

1)水泥摻入比大于12%;

2)室內(nèi)配合比設(shè)計(jì):7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.8 MPa;28 d≥1.6 MPa;90 d≥2.4 MPa;

3)現(xiàn)場質(zhì)量檢測:28 d取芯強(qiáng)度:R28≥0.8 MPa;90 d≥1.2 MPa;單樁承載力大于210 kPa;復(fù)合地基承載力大于170 kPa。

取樣強(qiáng)度較低，由于實(shí)驗(yàn)室模擬條件限制，如空壓機(jī)控制，很難掌握精確;從試塊呈塑性破壞可知，加固劑摻量不足，原因可能是噴粉過程中，噴入淤泥中的粉量有流失;采用人工攪拌以及擾動(dòng)土孔隙率比原狀土大，部分摻入的水直接經(jīng)由空隙聚積到桶的底部，多加的水對(duì)拌合性作用減小，使得拌合不夠均勻。

3 施工模擬機(jī)理研究

3.1 高鈣灰對(duì)粉噴樁施工工藝的影響

為了說明摻高鈣灰的拌合軟土對(duì)拌合和易性的影響，采用砂漿稠度試驗(yàn)定量分析其拌合和易性以及拌合土流動(dòng)性。試驗(yàn)根據(jù)JGJ/T 70-2009建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，采用砂漿稠度測定儀，讀取下沉深度。

試樣制備:稱取0.9 kg風(fēng)干土，加水至含水量40%，按加固劑(水泥、高鈣灰)摻入比20%分別拌合。試驗(yàn)設(shè)備以及過程如圖3所示。

圖3 砂漿稠度儀以及試驗(yàn)過程

試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果(稠度和強(qiáng)度)

由拌合土稠度試驗(yàn)可知，水泥拌合土流動(dòng)性大于高鈣灰拌合土。高鈣灰拌合土稠度很大，究其原因:

1)它的比表面積比水泥大，需水量自然就大;

2)高鈣粉煤灰中的游離氧化鈣吸收軟粘土中含有的水分，體積膨脹，不僅可以降低軟粘土的含水率，而且對(duì)軟基起到膨脹擠密的效果;

3)高鈣灰含有不少水硬性礦物，且自身f-CaO遇水水化硬化，所以具有一定的自硬性。雖然高鈣灰活性玻璃體很多，可以起到一定的潤滑作用，但是只起到次要作用。

3.2 淤泥結(jié)構(gòu)性和結(jié)合水層對(duì)施工的影響

室內(nèi)施工模擬與室內(nèi)配合比試驗(yàn)最大的區(qū)別，就是用于試驗(yàn)的土樣不同。模擬試驗(yàn)用的是普灣新區(qū)地下淤泥質(zhì)原狀土，而室內(nèi)配合比試驗(yàn)用的是風(fēng)干土加水拌合成的重塑土。因此接下來要研究原狀土與重塑土對(duì)施工工藝的影響，可以從淤泥土的結(jié)構(gòu)性和淤泥土中的水狀態(tài)兩部分來分析。

1)淤泥土的結(jié)構(gòu)性。

土的結(jié)構(gòu)性實(shí)質(zhì)是一種土物理狀態(tài)的顯示，是土生成條件、環(huán)境的自然歷史產(chǎn)物。淤泥質(zhì)土具有一定的結(jié)構(gòu)性，原狀淤泥質(zhì)土在沉積過程中形成了一定的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)強(qiáng)度。以低活動(dòng)性的高嶺石為主的礦物組合形成的微結(jié)構(gòu)類型多是穩(wěn)定型的，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng);反之，以高活動(dòng)性的蒙脫石為主的礦物組合形成的微結(jié)構(gòu)類型多是較不穩(wěn)定型的，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較弱。當(dāng)軸向壓力逐漸增大，直至應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)強(qiáng)度遭到完全破壞呈變形不可恢復(fù)的塑性狀態(tài)，再加水拌合，稱為重塑土。完全重塑土體結(jié)構(gòu)性完全喪失，沒有彈性變形階段。原狀淤泥質(zhì)土其土顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度)往往因長期的壓密作用和膠結(jié)作用而得到加強(qiáng)，一般應(yīng)大于重塑土的強(qiáng)度［3］。

準(zhǔn)備原狀土樣和重塑土樣(風(fēng)干后按含水率加水)，用鏟子攪拌，很明顯原狀土更粘稠。也可以通過透射電鏡圖像觀察，原狀樣含有大量絮凝狀凝膠，而重塑樣較少。

謝定義等人［4］用釋放結(jié)構(gòu)勢的方法得到結(jié)構(gòu)性的定量化指標(biāo)，以壓縮試驗(yàn)為基礎(chǔ)對(duì)原狀土試樣(欲研究其結(jié)構(gòu)性的土)、它的飽和土試樣以及它的擾動(dòng)重塑土試樣(濕密狀態(tài)不變)分別在壓縮儀上作出壓縮曲線。

2)淤泥土中的水［5］。

粘性土中粘粒含量較高，他們具有膠體或準(zhǔn)膠體的性質(zhì)。因此，粘土礦物由于同晶替代，或與水相互作用后具有選擇性吸附，或本身解離，使粘粒表面吸附離子而帶電，帶電粘粒在溶液中會(huì)吸附與之電性相反的離子形成反離子層，也會(huì)吸附極性水分子在其周圍形成水化膜。

從離子角度分析，反離子層又分為離粘粒較近的固定層和離之較遠(yuǎn)的擴(kuò)散層，稱為雙電層結(jié)構(gòu)(見圖4)。從作為主體的水分子看，稱為結(jié)合水層。

圖4 雙電層（結(jié)合水層）示意圖

由于風(fēng)干土在加水之后，結(jié)合水層沒有原狀土厚，因此在含水量相同的情況下，重塑土顯得更“稀”。而原狀土不易拌合，因?yàn)槠浣Y(jié)合水較多，不易釋放出來。因此在采用原狀土試驗(yàn)時(shí)，拌合過程中要加入一定的水來緩解拌合困難的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

以粉噴樁施工工藝?yán)碚摓榛A(chǔ)，抽象并簡化施工模型，設(shè)計(jì)并完成了室內(nèi)模擬粉噴樁施工試驗(yàn)。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)粉噴樁加固機(jī)理進(jìn)行分析研究，其一通過軟土單摻高鈣粉煤灰和水泥的稠度測試試驗(yàn)，說明拌合過程中高鈣灰吸水量明顯大于水泥，加固土和易性較差;另一方面，基于軟土地域性特點(diǎn)，說明大連普灣新區(qū)軟土存在很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性和較厚的雙水層，加之高鈣灰吸水量大，導(dǎo)致粉煤灰施工過程中拌合困難，用于加固劑水化反應(yīng)的含水量不足，影響粉噴樁質(zhì)量。因此在確定最佳配合比的前提下，為了滿足粉噴樁施工工藝要求，使得葉片更易于攪拌軟土，就要保證有加入足夠的拌合水。模擬試驗(yàn)充分表明了粉噴樁噴粉攪拌同時(shí)加水在實(shí)際場地上施工的可行性，為以后的現(xiàn)場試驗(yàn)奠定了一定的基礎(chǔ)。

［1］ 趙永軍.粉噴樁處理軟土路基計(jì)算及應(yīng)用研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007.

［2］ 孫滿利，龍正未.粉噴樁施工中加水方法探討［J］.陜西水利，2002(30)：68-69.

［3］ 黃志全，劉 婭.結(jié)構(gòu)性對(duì)淤泥質(zhì)土強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究［J］.人民黃河，2010，32(11)：98-99.

［4］ 謝定義，齊吉琳.土結(jié)構(gòu)性及其定量化參數(shù)研究的新途徑［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21(6)：651-656.

［5］ 房后國，于立新，劉娉慧.結(jié)構(gòu)性淤泥土固結(jié)機(jī)理及模型研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2008.