淺析水利工程中粉噴樁在軟基處理中的實(shí)際運(yùn)用

龐振 柏葉青 孟凡勝

摘 要：粉噴樁技術(shù)特別適用于水利工程中的軟地基場合，它能改變軟地基的土地性質(zhì)，有效的提高其承載能力。文章在水利工程軟地基的背景下，介紹了粉噴樁技術(shù)的原理，然后基于力學(xué)理論，詳細(xì)介紹了該技術(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)方法，對其在實(shí)際工程中的適用范圍和施工工藝等做了細(xì)致的討論研究，最后介紹了該技術(shù)質(zhì)量檢測方法。文章研究可為粉噴樁技術(shù)在水利工程中的運(yùn)用提供理論指導(dǎo)和方法支持，并適用于其它類型的軟地基場合。

關(guān)鍵詞：粉噴樁；軟基處理；實(shí)際運(yùn)用

中圖分類號：TV553 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）18-0140-02

水利工程多集中在江、河、湖、海邊，建筑所處的地基為軟土地基，相較于硬實(shí)地基，軟土地基具有含水量較高、土質(zhì)中孔洞間距大、易沉降的特點(diǎn)，其土地性質(zhì)差，可承載能力低。為了防止軟地基的沉降對建筑產(chǎn)生破壞，造成事故或經(jīng)濟(jì)損失，需要對其進(jìn)行加固，使其承載力高，性質(zhì)穩(wěn)定。當(dāng)前常用的加固處理辦法主要有四種：復(fù)合地基法、排水固結(jié)法、強(qiáng)夯法與真空預(yù)壓法。在當(dāng)下水利工程建筑軟基處理的方法中，以復(fù)合地基法為主。

粉噴樁技術(shù)是復(fù)合地基法的一種，通過使用粉狀水泥與軟土混合攪拌，使軟土變得固化、硬實(shí)，使其具有強(qiáng)于或類似硬土的穩(wěn)定性，并能滿足一定的強(qiáng)度要求。該技術(shù)特別適用于對淤泥質(zhì)土、粘性土或粉土的強(qiáng)化處理。

鑒于粉噴樁技術(shù)的實(shí)用性與重要性，本文從粉噴樁技術(shù)的實(shí)質(zhì)出發(fā)，介紹了該技術(shù)的原理與特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前粉噴樁技術(shù)在實(shí)際中的運(yùn)用，基于力學(xué)理論給出了該技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，指出了其中的核心參數(shù)，然后對該技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用范圍與施工的難點(diǎn)重點(diǎn)作了分析。最后研究了該技術(shù)的質(zhì)量檢測方法。

1 粉噴樁技術(shù)的原理及特點(diǎn)

當(dāng)粉噴裝機(jī)將作為固化劑的水泥攪拌進(jìn)軟土后，水泥中的主要礦物如CaO·SiO2、CaO·Al2O3、CaSO4、CaO·Al2O3·Fe2O3與水發(fā)生水化或水解反應(yīng)，生成氫氧化鈣（Ca（OH）2）、CaO·SiO2·YH2O凝膠、三硫型水化鋁酸鈣（CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）以及單硫型水化鋁酸鈣（CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O）等，氫氧化鈣、鋁酸鈣水合物中的鈣離子（Ca2+）與軟土中的鉀、鈉離子（K+＼、Na+）發(fā)生置換反應(yīng)，生成凝膠膠結(jié)土顆粒，顆粒聚集形成較大的顆粒團(tuán)，從而使得軟土固結(jié)形成具有良好整體性、水穩(wěn)性以及較高強(qiáng)度的水泥粉噴樁。

采用粉噴樁技術(shù)而成的樁體的力學(xué)性能相較于軟基原狀土將得到明顯的提升，例如樁身的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)800～2 000 kPa，地基的承載能力至少可達(dá)160～180 kPa，內(nèi)摩擦角值可高達(dá)40？觷。若在該固化劑水泥中再添加適量的煤灰或石膏等外摻劑，其力學(xué)性能還能得到進(jìn)一步的提高。使用該技術(shù)形成的樁體不僅在保證工程質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高了效率，縮短了工程耗時(shí)，還節(jié)約了鋼材等昂貴建材，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2 粉噴樁技術(shù)設(shè)計(jì)方法

2.1 水泥土參數(shù)選擇

確定選用粉噴樁技術(shù)進(jìn)行軟基處理后，需對固化劑的種類及粉噴樁的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)地鉆探得到的土質(zhì)數(shù)據(jù)，如水分含量、礦物組成、酸堿性、土層摩阻力、試驗(yàn)貫穿擊數(shù)等，加以試驗(yàn)獲得的在不同固化劑和摻入比下的復(fù)合土力學(xué)數(shù)據(jù)，如抗折強(qiáng)度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等，綜合分析選取固化劑的種類及摻入比。

2.2 單樁參數(shù)設(shè)計(jì)

單樁的參數(shù)是指根據(jù)樁的截面積、長度以及摻入比計(jì)算其容許承載力，其精確值可通過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單樁載荷試驗(yàn)確定，而在設(shè)計(jì)時(shí)通常采用以下的公式估算：

2.3 樁位布置及置換率設(shè)計(jì)

2.4 復(fù)合地基承載力計(jì)算

2.5 軟基沉降分析

地面沉降是水利工程中軟土基的常見問題，采用粉噴樁加固技術(shù)可以有效的抑制地基的沉降。此時(shí)通常要求樁身需穿透軟土層部分，直達(dá)硬土，錐狀樁尖的穿透阻力至少要達(dá)到800 kPa。在處理沉降問題時(shí)，需根據(jù)土質(zhì)情況選擇對應(yīng)的估算法。如在硬基礎(chǔ)下的復(fù)合地基和軟基礎(chǔ)下的復(fù)合地基應(yīng)分別采用應(yīng)力修正法與復(fù)合模量法。工程實(shí)例表明，未采取沉降分析處理的地基，其將持續(xù)發(fā)生沉降；而經(jīng)過沉降分析處理的地基，隨著時(shí)間的延長，其沉降量將逐漸減小，最終趨于0，有利于保持基礎(chǔ)的平穩(wěn)。

3 粉噴樁技術(shù)的應(yīng)用與施工

3.1 粉噴樁技術(shù)的應(yīng)用

粉噴樁技術(shù)可用于軟基加固，但并不是指適用于所有軟基加固的場合中。在水利工程具有多種背景，如大壩、橋梁、配套建筑、水利管道等不同規(guī)模的工程設(shè)施，淤泥土、粉質(zhì)土、垃圾土、硬土、凍土等不同的土質(zhì)，在技術(shù)設(shè)施以及粉噴樁力學(xué)性能等多重條件的限制下，該技術(shù)適用場合有限。粉噴裝機(jī)的鉆頭工作深度一般不超過15 m，這就要求粉噴樁作業(yè)地區(qū)軟土層的厚度在15 m以內(nèi)；為了使處理后水泥土具有較高的強(qiáng)度與水穩(wěn)性，要求軟土的含水量低于60%，偏酸性；粉噴樁的承載容許承載能力則決定了采用該技術(shù)處理的土基不適用于建造超過6層的建筑。

在應(yīng)用粉噴樁技術(shù)時(shí)，樁體長度與固化劑的摻入比是核心參數(shù)，樁體長度會(huì)受到粉噴裝機(jī)的限制，但應(yīng)保證其長度能夠穿透軟土層到達(dá)硬土層。固化劑的種類及摻入比則應(yīng)根據(jù)各地的土質(zhì)合理選擇，目前工程中多以硅酸鹽水泥作為固化劑，若在該水泥中適量添加煤灰、生石灰等物質(zhì)，形成的粉噴樁的強(qiáng)度會(huì)更高。

3.2 粉噴樁技術(shù)的施工

為了切實(shí)了解施工過程中可能遇見的問題及難點(diǎn)、合理設(shè)置粉噴裝機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，需先做成樁試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整機(jī)器轉(zhuǎn)速、鉆頭進(jìn)給速度、提升速度、氣壓等，使樁體滿足設(shè)計(jì)要求。在正式施工時(shí)，應(yīng)注意以下問題。

鉆機(jī)行程線路上不應(yīng)出現(xiàn)巨石、管道、廢舊鐵器等障礙物，防止對鉆機(jī)造成損壞；在軟土上應(yīng)布置墊層，防止鉆機(jī)在自身重力下陷進(jìn)軟土，使機(jī)身傾斜，影響作業(yè)；當(dāng)鉆頭鉆至樁底時(shí)，需持續(xù)保持鉆機(jī)工作一定時(shí)間，防止樁底未噴粉或噴粉不足；應(yīng)通過專用計(jì)量儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆頭的噴粉計(jì)量，防止出現(xiàn)噴粉含量不足或停止噴粉的情況，當(dāng)發(fā)生停噴情況時(shí)，重新噴粉續(xù)樁時(shí)的公共長度應(yīng)大于1m；定時(shí)檢查鉆頭及葉片的磨損情況，防止成樁直徑偏小或攪拌不均勻；在較深的軟土作業(yè)時(shí)，鉆頭提升的速度應(yīng)由緩慢至正常，噴粉的氣壓在底部時(shí)應(yīng)較大，但整體的氣壓不應(yīng)偏離過大，防止噴粉擴(kuò)散較遠(yuǎn)形成外堅(jiān)內(nèi)軟的樁體；為了保證成樁質(zhì)量，需進(jìn)行全樁復(fù)攪作業(yè)。

4 質(zhì)量檢測

質(zhì)量檢測分為單樁的質(zhì)量檢測與復(fù)合地基的質(zhì)量檢測。單樁質(zhì)量檢測集中在對其強(qiáng)度的檢測上，其手段有外觀檢測、靜力觸探、取芯、開挖、載荷及小應(yīng)變等。復(fù)合地基的質(zhì)量檢測則主要關(guān)注其承載力與沉降量，手段通常為靜力載荷試驗(yàn)。

外觀檢測與靜力觸探檢測適用于樁齡一周的粉噴樁。外觀檢測是指剝?nèi)シ蹏姌锻鈱铀嗤粒ㄟ^對其密實(shí)程度、均勻程度的觀察判斷其質(zhì)量，越是密實(shí)、均勻的樁體質(zhì)量就越好。靜力觸探檢測則是通過專用觸探儀，對占總體3%～5%的樁體進(jìn)行觸探打擊，擊數(shù)越多，樁體強(qiáng)度越高，質(zhì)量就越好。

取芯檢驗(yàn)適用于樁齡一月的粉噴樁，利用巖芯管取占總樁數(shù)3%～5%的粉噴樁的樁芯，觀察其密實(shí)程度與均勻程度，并在樁芯的不同部位磨制已獲得不同試件，隨后對試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)值判定樁體的質(zhì)量，抗壓強(qiáng)度值越大則質(zhì)量越好。

對于樁齡在一月或以上的單樁取芯檢驗(yàn)不合格的地基，需進(jìn)行復(fù)合地基承載力檢驗(yàn)。檢驗(yàn)時(shí)在復(fù)合地基表面取多個(gè)測試點(diǎn)，對每個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行靜力載荷試驗(yàn)、根據(jù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)確定其承載力，一般測試點(diǎn)個(gè)數(shù)應(yīng)在3點(diǎn)以上。

在水利工程中，地基施工完成后并不能立即投入使用，考慮到地面沉降的因素，需進(jìn)行長達(dá)數(shù)月的加載預(yù)壓，一般隨著時(shí)間的推移，沉降量會(huì)大大降低，檢測時(shí)，若在6個(gè)月的預(yù)壓之后的地基的沉降量值不超過理論計(jì)算的沉降量，則判定地基合格。

5 結(jié) 語

從本文的研究可以看出，粉噴樁技術(shù)原理雖簡單，但由于各個(gè)地域的差別、不同工程的建筑要求以及其不易控制的工藝，使其實(shí)施起來并不容易。我國每年都有大量的水利工程在建或投入使用，粉噴樁技術(shù)在軟基處理工作中發(fā)揮了重要的作用，經(jīng)過多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累與扎實(shí)的理論研究，粉噴樁技術(shù)正變得更加成熟和經(jīng)濟(jì)，將在未來的水利工程事業(yè)中發(fā)揮更大的價(jià)值。

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