粉噴樁技術(shù)在加固軟土地基工程中的應(yīng)用研究

梅 健

(南京城市建設(shè)管理集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，交通工程的穿越范圍越來越大，尤其是穿越軟土區(qū)域時(shí)，如果不能進(jìn)行有效的加固處理，將會(huì)造成較為嚴(yán)重的質(zhì)量問題。因此為了保障軟土地基足夠的承載能力，必要的加固處理成為首選。根據(jù)以往案例可知，當(dāng)軟土厚度超過一定程度后，其中自由水不易排出，大大降低軟土地基固結(jié)速度，無法保證地基在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到足夠的強(qiáng)度。如軟土地基處理不慎，則容易發(fā)生軟體地基下沉，甚至坍塌的現(xiàn)象，從而對(duì)于上部建筑結(jié)構(gòu)造成較大的影響00。針對(duì)軟土地基的處理，粉噴樁是當(dāng)前采用最多的一種加固處理方法，有效解決了軟土地基不均勻沉降或沉降過大帶來的質(zhì)量問題。然而據(jù)可查文獻(xiàn)，當(dāng)前粉噴樁加固技術(shù)的研究，主要集中在工程應(yīng)用方面，缺乏從原理、設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量控制和檢測(cè)的系統(tǒng)研究，限制了粉噴樁加固處理技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用000。因此在對(duì)比分析相關(guān)軟土地基處理技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和適用性的基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)際工程概況，選擇粉噴樁技術(shù)加固處理軟弱地基，然后對(duì)粉噴樁的加固機(jī)理和單樁承載力、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、面積置換率和相應(yīng)的樁基數(shù)量等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析，然后對(duì)于粉噴樁施工的工藝進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并針對(duì)關(guān)鍵施工工藝的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，最后通過靜載試驗(yàn)檢測(cè)了復(fù)合地基的承載能力，結(jié)果證明粉噴樁加固軟土地基技術(shù)具有較好的適用性，本文系統(tǒng)研究粉噴樁加固軟土地基在實(shí)際工程的應(yīng)用，對(duì)于未來類似工程提供一定的工程和理論經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

1.1 工程概況

某道路位于某城市核心地帶，是城市東西向重要的城市主干路，全長3025m，位于某天然湖泊的北側(cè)。道路標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度為32m,為雙向6車道。天然湖泊開園蓄水后,常水位標(biāo)高為40.8m，道路穿過路段部分位于淤泥區(qū)域，地基承載能力相對(duì)較弱。

1.2 地質(zhì)條件

道路穿越區(qū)域位于湖水沖積區(qū)域，根據(jù)勘察資料可知，自上而下分別為人工填土、一般粘性土、淤泥質(zhì)土、粉土、粉砂，具體物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表1地質(zhì)勘察資料顯示，如果軟土地基不進(jìn)行處理無法滿足承載要求；如果進(jìn)行鉆孔灌注樁進(jìn)行處理，則經(jīng)濟(jì)代價(jià)較高，因此建議選擇粉噴樁對(duì)于軟土地基進(jìn)行處理，提高軟土地基的承載能力。

2 粉噴樁加固地基設(shè)計(jì)分析

2.1 加固原理

粉噴樁加固處理軟土地基的原理，主要利用水泥材料等作為固化劑，通過深層分體噴射攪拌機(jī)將固化劑輸送至樁頭，以霧狀形式噴射軟弱土中，固化劑與周圍軟土充分?jǐn)嚢杌旌?。由于固化劑在吸水后?huì)發(fā)生較為復(fù)雜的物理化學(xué)變化，使得軟土地基的整體性、水穩(wěn)定性和強(qiáng)度大大增強(qiáng)。

由于固化劑摻入量相對(duì)較少，水泥等固化劑的水解和水化反應(yīng)是在一定活性介質(zhì)-土中發(fā)生的，因此復(fù)合地基的強(qiáng)度增長過程相對(duì)緩慢，具體硬化過程具體如下：

（1）水泥土的水解和水化反應(yīng)。

作為普通硅酸鹽的主要成分，CaO、CaO2、Al2O3、Fe2O3及SO3等氧化物分別組成不同的水泥礦物，如Ca3SiO4、Ca2SiO4、Ca3Al2O3、Ca4Al2O3、CaSO4等。在用水泥等固化劑作用于軟土地基時(shí)，礦物材料發(fā)生水解和水化反應(yīng)生成堿性化合物。

（2）土顆粒和水泥化合物的作用。

水泥水化物生成后，部分水化物成分繼續(xù)硬化，形成水泥石的骨架結(jié)構(gòu)；部分水化物則與活性粘土顆粒發(fā)生反應(yīng)，具體如下：

①交換和團(tuán)粒化作用。粘土與水混合會(huì)形成膠體，如土中SiO2遇水后則會(huì)形成硅酸膠體顆粒，表面的Na+和K+能夠與水泥水化形成的Ca+2發(fā)生吸附交換，較小的土體顆粒得以集聚，形成大土體顆粒，復(fù)合地基土的強(qiáng)度大大提高。

② 硬凝反應(yīng)。水化反映的逐步推進(jìn)，大量的游離Ca2+在達(dá)到一定濃度后則會(huì)在堿性環(huán)境下形成不溶于水的結(jié)晶化合物，提高復(fù)合地基的承載能力。

（3）碳酸化作用。

由于樁頭攪拌的機(jī)械作用，原土地基中不可避免存在未完全粉碎的土塊，水泥土固化過程中形成水泥顆粒，在水解產(chǎn)物的作用下，土體性質(zhì)得到改善，但是容易存在復(fù)合地基強(qiáng)度不均的問題。

2.2 加固設(shè)計(jì)

（1）粉噴樁單樁承載力Nd確定

根據(jù)勘察資料進(jìn)行設(shè)計(jì)，粉噴樁樁長度L=22.10m，樁徑D=500.0mm，則粉噴樁的單樁承載力計(jì)算如下式所示：

（2）加固土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qa確定 加固后土體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qa滿足設(shè)計(jì)要求，具體計(jì)算公式如下所示：

（3）粉噴樁面積置換率m的確定 粉噴樁面積置換率計(jì)算如下式所示：

（4）粉噴樁樁數(shù)確定及布樁方式選擇

關(guān)于粉噴樁加固軟土地基，數(shù)量計(jì)算如下式所示：

3 粉噴樁在軟土地基中的加固技術(shù)分析

關(guān)于粉噴樁加固軟土地基，需要首先根據(jù)試樁確定相關(guān)參數(shù)，然后按照施工工藝施工，最后通過質(zhì)量控制保障施工質(zhì)量，以下進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 工藝性試樁參數(shù)確定

為了保障粉噴樁技術(shù)在軟土地基加固處理中的應(yīng)用效果，需要進(jìn)行工藝性試樁，從而確定實(shí)際成樁過程中的基本參數(shù)。根據(jù)本工程地質(zhì)情況和工程規(guī)模，確定5根工藝試樁，得到相應(yīng)的施工工藝參數(shù)如表2所示。

表2 工藝性試樁參數(shù)

3.2 粉噴樁在軟土地基施工工藝

粉噴樁加固處理技術(shù)在軟土地基中的應(yīng)用，施工工藝如圖1所示。

圖1 粉噴樁施工參數(shù)確定

根據(jù)圖1可知，粉噴樁加固軟土地基的關(guān)鍵施工工藝如下所示：

（1）樁機(jī)就位

施工前首先需要測(cè)放軸線和樁位，并進(jìn)行標(biāo)定。

（2）下鉆作業(yè)

在粉噴樁施工時(shí)，首先應(yīng)保證鉆頭正向旋轉(zhuǎn)，邊鉆邊旋轉(zhuǎn)，為了保障噴頭流暢，此時(shí)通過噴射壓縮空氣代替水泥等固化劑。在鉆頭下鉆過程中，應(yīng)控制鉆進(jìn)速度，根據(jù)鉆機(jī)電流變化實(shí)施鉆進(jìn)作用，保障下鉆過程的安全順利施工。

（3）提升噴粉攪拌

提升鉆進(jìn)進(jìn)行噴粉攪拌作業(yè)，在反向旋轉(zhuǎn)提升鉆頭的同時(shí)打開鉆機(jī)控制閥，然后噴射水泥等固化劑，邊提升邊噴射邊攪拌，使得軟土地基盡量攪拌均勻，使得軟土與水泥充分緩和，相應(yīng)的噴射量應(yīng)與鉆機(jī)提升速度相適應(yīng)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)匹配二者之間的關(guān)系。

（4）復(fù)攪作業(yè)

二次攪拌作業(yè)，首先鉆頭正向旋轉(zhuǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速后進(jìn)行復(fù)攪作業(yè)。在完成單個(gè)粉噴樁的施工作業(yè)和復(fù)攪后，需要關(guān)閉鉆機(jī)和鉆頭，進(jìn)行樁機(jī)轉(zhuǎn)移至新孔位進(jìn)行施工作業(yè)。

3.3 關(guān)鍵施工工藝的質(zhì)量控制要點(diǎn)

關(guān)于粉噴樁加固軟土地基，不僅需要嚴(yán)格按照施工工藝順序進(jìn)行施工，同時(shí)對(duì)于關(guān)鍵工序進(jìn)行嚴(yán)格控制，具體如下：

（1）樁基就位：樁頭與設(shè)計(jì)樁位中心線不得有超過50.0mm的偏差，垂直度偏差不得超過1.0%。

（2）下鉆：下鉆過程中，首先應(yīng)用壓縮空氣代替固化劑進(jìn)行噴射，可以保障鉆進(jìn)過程的順利；

（3）提升鉆頭并反轉(zhuǎn)：在完成下鉆過程后應(yīng)及時(shí)提升鉆頭進(jìn)行噴射作業(yè)，關(guān)于提升速度應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況和設(shè)計(jì)參數(shù)確定；

（4）提升結(jié)束：在鉆頭提升值地面30.0～50.0cm時(shí)，應(yīng)停止噴射；

（5）復(fù)拌：在完成噴射和提升作業(yè)后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次復(fù)攪作業(yè)，首先鉆機(jī)鉆機(jī)1/3的設(shè)計(jì)深度，邊提升邊反向旋轉(zhuǎn)。

4 加固地基的性能檢測(cè)

為了保障粉噴樁加固軟土地基的效果，需要對(duì)于復(fù)合地基的承載能力進(jìn)行檢驗(yàn)，荷載試驗(yàn)是當(dāng)前行之有效的檢驗(yàn)方法。在樁身強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求后，在被測(cè)地基安置平板，復(fù)合地基承載能力經(jīng)理荷載試驗(yàn)具體如圖2所示。

圖2 荷載試驗(yàn)加載裝置圖

根據(jù)荷載設(shè)計(jì)進(jìn)度和現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)情況，繪制相應(yīng)的荷載-沉降曲線，得到地基承載力如表3所示。

表3 靜力荷載試驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)表3可知，復(fù)合地基承載能力換算值最小為163.0kPa，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，且具有一定的承載潛力和安全冗余。

5 結(jié)論

通過粉噴樁加固軟土地基技術(shù)在某實(shí)際工程中的應(yīng)用，本文主要得到以下結(jié)論：

（1）粉噴樁加固技術(shù)是當(dāng)前軟土地基處理中較為經(jīng)濟(jì)、可靠的；

（2）根據(jù)粉噴樁加固處理軟弱地基的原理，進(jìn)行了單樁承載力、加固土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、粉噴樁面積置換率和樁數(shù)量的計(jì)算分析；

（3）粉噴樁加固處理地基的施工工藝介紹，關(guān)于下鉆、提升、復(fù)攪等關(guān)鍵施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)的控制技術(shù)參數(shù)介紹；

（4）為了檢驗(yàn)粉噴樁加固處理軟弱地基的效果，進(jìn)行了復(fù)合地基的承載能力靜載試驗(yàn)，結(jié)果證明復(fù)合地基承載能力能夠滿足設(shè)計(jì)要求。