粉噴樁加固技術(shù)在公路軟土路基處理中的應(yīng)用

劉利杰

（邢臺(tái)路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引言

在公路工程路基建設(shè)過程中，會(huì)遇到軟土地基問題，其具有強(qiáng)度低、承載力低、壓縮系數(shù)高的特點(diǎn)，不可以直接在其上方開展路基施工，需先通過軟基加固技術(shù)進(jìn)行處理，使其承載力、強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足施工要求。而粉噴樁軟基加固技術(shù)作為常用的軟基處理方法之一，可以通過粉噴樁的形式使軟基形成強(qiáng)度、承載力、穩(wěn)定性均滿足施工要求的復(fù)合型地基，目前在軟基處理中應(yīng)用廣泛。

1 工程概況

某公路工程位于我國河北省境內(nèi)，工程設(shè)計(jì)為雙向6 車道，路基寬度為32m，公路建成后屬于城市主干道。在公路施工前的地質(zhì)勘查中發(fā)現(xiàn)，該公路部分路基段明顯屬于軟土地基，原地基土質(zhì)分別為素填土、淤泥質(zhì)黏土、亞黏土，軟基深度在8～10m，若施工前不進(jìn)行加固處理，建成通車后極易發(fā)生變形、沉降等問題，影響公路的使用安全，因此，研究決定采用粉噴樁加固技術(shù)對(duì)該路段進(jìn)行加固處理。

2 軟基中粉噴樁加固技術(shù)的運(yùn)用

2.1 粉噴樁加固原理

（1）粉噴樁加固軟土地基主要是利用水泥作為固化劑，通過專用機(jī)械，將制備好的水泥固化劑噴射至軟基底層，并利用機(jī)械的鉆頭葉片使固化劑與軟基充分?jǐn)嚢杈鶆颍构袒瘎┪哲浕械乃植l(fā)生化學(xué)反應(yīng)。待攪拌均勻后經(jīng)過一定時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，固化劑與軟基會(huì)形成強(qiáng)度好、承載力強(qiáng)、滲透性低的復(fù)合地基，以實(shí)現(xiàn)加固軟基的目的。

（2）固化劑采用的是水泥材料，當(dāng)水泥被噴射至軟基內(nèi)部后，水泥表面的礦物質(zhì)顆粒會(huì)與軟基中的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，使軟基形成水化物，水化物經(jīng)一段時(shí)間的硬化后可以吸收大量的自由水，并與周圍具有活性的軟基土體發(fā)生反應(yīng)。利用鈣離子置換軟基中的鈉離子與鉀離子，使其逐漸形成不溶于水的結(jié)晶化合物，同時(shí)水化物還可以與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，形成不溶于水的碳酸鈣，因此，通過固化劑與軟基的化學(xué)反應(yīng)可以形成具有一定強(qiáng)度的反應(yīng)物，從而有效加固軟土地基[1]。

2.2 粉噴樁施工工藝

2.2.1 場(chǎng)地準(zhǔn)備

本工程軟基的處理主要采用粉噴樁加固技術(shù)。為保證粉噴樁施工的質(zhì)量，施工前先要進(jìn)行場(chǎng)地準(zhǔn)備工作。首先安排施工人員對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行清理，將表層存在的樹根、垃圾、雜物全部清理干凈，存在的坑槽全部回填至地基表層高度，保持地基表面的平整，然后檢測(cè)地基承載力，對(duì)無法滿足機(jī)械正常入場(chǎng)要求的位置鋪設(shè)砂墊層，提升其承載力，使機(jī)械設(shè)備可以安全施工。最后對(duì)地基下方存在的管線、構(gòu)筑物采取遷移或保護(hù)措施，并對(duì)地基的排水設(shè)施進(jìn)行合理設(shè)置，避免地下水的侵?jǐn)_。

2.2.2 機(jī)械準(zhǔn)備

（1）場(chǎng)地處理完成后，對(duì)施工使用的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行檢查。本次施工采用的工程機(jī)械主要包括鉆機(jī)、壓縮機(jī)、噴射機(jī)、攪拌鉆頭以及計(jì)量設(shè)備和機(jī)電設(shè)備，其中鉆機(jī)的主要作用是鉆孔，其鉆進(jìn)動(dòng)力及扭矩需滿足施工要求，同時(shí)應(yīng)具有正向鉆進(jìn)與反向提升的能力，以實(shí)現(xiàn)勻速鉆進(jìn)與勻速提升的目的。壓縮機(jī)的主要作用是壓縮空氣，從而使水泥粉狀固體可以均勻地噴出，選用的壓縮機(jī)壓力應(yīng)控制在0.2～2.4MPa，風(fēng)量控制在

1.6～2 .0m3[2]。

（2）噴射機(jī)是噴送固化劑的關(guān)鍵設(shè)備，其噴射原理是利用壓縮機(jī)噴射的空氣，使固化劑粉末在壓力的作用下從鉆機(jī)的空心鉆桿中噴出。從而與軟基混合均勻，噴射機(jī)應(yīng)具有良好的噴射能力與受壓能力，以保證粉末可以均勻噴出且機(jī)械不會(huì)在壓力下受損。攪拌鉆頭是將軟基與固化劑粉末混合均勻的工具，攪拌過程中能對(duì)土體形成擠密作用，使軟基與固化劑充分反應(yīng)。

（3）計(jì)量設(shè)備的作用是稱取適量的固化劑材料，每平方米的軟基中摻加的固化劑數(shù)量都是設(shè)計(jì)中明確標(biāo)定的，如計(jì)量設(shè)備計(jì)量不準(zhǔn)確，則難以保證軟基加固效果符合設(shè)計(jì)要求，因此，計(jì)量設(shè)備使用前需經(jīng)過標(biāo)定，確保讀數(shù)的準(zhǔn)確性[3]。機(jī)電設(shè)備的作用是為各種機(jī)械提供電能，施工前需對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行全面排查，對(duì)存在的問題及時(shí)處理，以避免施工過程中出現(xiàn)停電問題，而導(dǎo)致施工中斷。

2.2.3 參數(shù)確定

（1）機(jī)械準(zhǔn)備完成后開始通過實(shí)驗(yàn)確定施工中的相關(guān)參數(shù)，包括水泥摻入量、樁長、樁間距、樁徑、養(yǎng)護(hù)齡期、使用的外加劑等，其中經(jīng)前期勘探得知本工程軟基深度普遍在8～10m 之間，因此樁長設(shè)計(jì)為10m。施工中的其余參數(shù)均通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，參數(shù)確定后進(jìn)行試樁作業(yè)檢測(cè)其施工效果，滿足設(shè)計(jì)要求且經(jīng)監(jiān)理工程師審批簽字后，方可開始正式施工。

（2）水泥摻入量：水泥摻入量是指軟基中的水泥用量。本次施工采用的水泥材料為42.5標(biāo)號(hào)的普通硅酸鹽水泥，確定水泥摻入量的方式為三軸不排水剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)共分為4 組。水泥的摻入量分別為14%、16%、18%、20%，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，水泥的含量越大，軟基加固效果越好，當(dāng)摻入量大于18%時(shí)加固效果開始減緩，因此，可以確定本工程水泥摻入量需控制在18%左右[4]。

（3）外加劑：外加劑的主要作用是增加混凝土的早期強(qiáng)度，以防止加固過程中因地下水的干擾而影響加固效果。目前常用的外加劑主要包括6種，分別為硫酸鈣、水玻璃、石膏、三乙醇胺、氯化鈣以及木質(zhì)素磺酸鈣，經(jīng)過性能對(duì)比后確定本工程采用水玻璃作為外加劑。為確定不同水玻璃含量的早強(qiáng)效果差異，實(shí)驗(yàn)人員同時(shí)開展了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)共分為2組，水玻璃∶水泥分別設(shè)置為1∶250 和1∶500，通過試驗(yàn)得知，養(yǎng)護(hù)前期1∶250 比例的養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度明顯高于1∶500 比例，養(yǎng)護(hù)后期兩者的強(qiáng)度接近一致，因此，本次施工水玻璃的含量確定為水玻璃∶水泥=1∶250。

（4）齡期：混凝土的強(qiáng)度會(huì)隨齡期的增加而增加。根據(jù)混凝土的無側(cè)限抗壓結(jié)果可以得知，養(yǎng)護(hù)齡期不小于28d時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度增長緩慢且基本趨于穩(wěn)定，因此，本工程粉噴樁的養(yǎng)護(hù)齡期為28d[5]。

（5）樁徑及樁間距：樁體直徑與樁間距的確定主要按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2002）進(jìn)行。樁徑設(shè)置為500mm，樁間距設(shè)置為1m 時(shí)，通過試樁試驗(yàn)得知，復(fù)合地基的承載力為天然地基的2倍，可以滿足施工要求，因此，本工程樁徑設(shè)置為500mm，間距為1m，呈梅花形布置。

2.2.4 鉆機(jī)定位

參數(shù)確定完成且經(jīng)試樁滿足要求后，結(jié)合確定的參數(shù)及施工要求進(jìn)行粉噴樁施工。施工前先要根據(jù)施工圖紙進(jìn)行測(cè)量放樣，明確粉噴樁的位置及尺寸大小，同時(shí)做好十字標(biāo)記，然后根據(jù)放樣的位置安裝鉆機(jī)。鉆機(jī)安裝時(shí)需對(duì)鉆機(jī)的水平狀態(tài)及垂直狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)存在偏移問題，必須及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。待鉆機(jī)安裝完成后，安排人員檢測(cè)鉆機(jī)的垂直度，其誤差宜控制在1.5%以內(nèi)，檢驗(yàn)合格后開始鉆孔施工。

2.2.5 鉆進(jìn)施工

鉆機(jī)就位后開啟鉆機(jī)的啟動(dòng)按鈕，并結(jié)合鉆孔順序開始鉆孔作業(yè)。鉆孔時(shí)鉆進(jìn)速度應(yīng)遵循先慢后快的原則，不可突然提升鉆進(jìn)速度，避免發(fā)生塌孔問題。鉆進(jìn)過程中安排專人對(duì)鉆進(jìn)的垂直度隨時(shí)測(cè)量，如發(fā)現(xiàn)存在偏差及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，孔位偏差宜控制在5%以內(nèi)，鉆進(jìn)一定距離后保持45～75r/min的速度勻速鉆進(jìn)，鉆機(jī)的電流控制在50～80A即可[6]。

2.2.6 成樁施工

（1）當(dāng)鉆機(jī)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)的位置后停止繼續(xù)鉆進(jìn)，保持鉆頭原地旋轉(zhuǎn)（切不可停掉鉆機(jī)），同時(shí)啟動(dòng)鉆機(jī)的反向鉆進(jìn)功能，并開啟噴射機(jī)，將準(zhǔn)備好的固化劑材料利用噴射機(jī)噴射至軟基中。樁底持續(xù)噴射1min 后提升鉆頭，邊提升邊噴射固化劑，提升速度根據(jù)計(jì)量設(shè)備顯示的固化劑摻入量確定，保證軟基中固化劑摻入量達(dá)到18%即可，待鉆機(jī)提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高以上0.5m后，將鉆頭更換至正向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行復(fù)攪，復(fù)攪的主要目的是使固化劑與軟基充分混合，復(fù)攪深度及速度要符合設(shè)計(jì)要求。

（2）當(dāng)鉆機(jī)反向提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高0.5m以上后即視為成樁結(jié)束，此時(shí)關(guān)閉噴射機(jī)，停止向孔內(nèi)噴射固化劑，由于采用的噴射機(jī)裝置回路是閉合的，噴射的固化劑不會(huì)向四周擴(kuò)散，同時(shí)在距離地面30cm的位置就已停止噴射，固化劑不會(huì)噴射至地面。待鉆機(jī)復(fù)攪完成后停止鉆機(jī)，并消除管道壓力，將鉆機(jī)移動(dòng)至另一處鉆孔位置安裝，再重復(fù)此工序，直至所有樁位全部加固完成[7]。

2.3 注意事項(xiàng)

（1）本工程施工過程中應(yīng)注意軟基中有機(jī)質(zhì)的影響。有機(jī)質(zhì)是動(dòng)植物殘骸分解后得到的化合物，其主要由蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、碳?xì)浠衔锝M成，此類化合物可以抑制水泥固化劑與軟基的反應(yīng)，從而無法充分發(fā)揮固化劑的效果，降低混凝土的強(qiáng)度。針對(duì)此類情況，施工單位在施工前可以對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，對(duì)有機(jī)質(zhì)含量較大的位置可適量增加固化劑的摻入量，以抵消有機(jī)質(zhì)的作用，保證加固效果。

（2）粉噴樁加固施工主要適用于含水量25%～50%的區(qū)域，且不同含水量軟基區(qū)域的加固效果也不一致，如軟基中的含水量達(dá)到50%以上，此時(shí)噴射的水泥固化劑會(huì)受到大量水的沖刷，同時(shí)由于軟基含水量過高，導(dǎo)致軟基與水泥固化劑無法充分?jǐn)嚢杈鶆颍瑥亩绊懠庸虖?qiáng)度。因此，在本工程施工中應(yīng)注意對(duì)軟基含水量的檢查與控制，如存在含水量50%以上的區(qū)域，施工單位可在施工前先采取固結(jié)排水法進(jìn)行預(yù)處理，待其含水量達(dá)到50%以內(nèi)后，再開展粉噴樁加固施工[8]。

（3）粉噴樁加固施工時(shí)，施工單位應(yīng)注意做好技術(shù)交底及現(xiàn)場(chǎng)管理工作。技術(shù)交底的主要作用是確保施工人員可以熟練掌握施工圖紙、施工方案以及施工技術(shù)，而現(xiàn)場(chǎng)管理工作則是保證施工人員可以嚴(yán)格遵循施工方案、施工技術(shù)進(jìn)行操作。因此，必要的技術(shù)交底和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)默F(xiàn)場(chǎng)施工管理是保證軟基加固效果的關(guān)鍵。技術(shù)交底時(shí)，應(yīng)由技術(shù)人員向所有的施工人員交底，現(xiàn)場(chǎng)施工管理可安排專業(yè)的管理人員負(fù)責(zé)，對(duì)施工中的偷工減料問題、施工安全問題、施工質(zhì)量問題應(yīng)嚴(yán)格控制，以保證粉噴樁加固質(zhì)量。

2.4 質(zhì)量檢測(cè)

2.4.1 靜載試驗(yàn)法

（1）本工程施工完成后，為保證軟基的承載力，在地基表面進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)主要分為2 種，分別為單樁靜荷載試驗(yàn)和復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)，其中單樁靜荷載試驗(yàn)的目的是檢測(cè)每根樁體的承載能力，檢測(cè)時(shí)采用快速檢測(cè)法，觀測(cè)沉降的時(shí)間間隔為5min、10min、15min、15min、15min、每次加載滿1h 且地基沉降值在0.1mm內(nèi)，方可施加下一級(jí)荷載開展檢測(cè)，直至加載至設(shè)計(jì)要求的承載力為止。

（2）復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)檢測(cè)的速度要慢，觀測(cè)地基沉降的時(shí)間間隔為10min、10min、10min、15min、15min，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后每間隔0.5h 觀測(cè)一次沉降值。施加荷載過程中加載量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，地基1h沉降值在0.1mm內(nèi)可施加下一級(jí)荷載，加載量大于設(shè)計(jì)要求后，地基1h沉降值在0.2mm內(nèi)可施加下一級(jí)荷載，直至復(fù)合地基加載量達(dá)到設(shè)計(jì)要求值的150%為止[9]。

（3）加載量達(dá)到要求后，按照每級(jí)荷載的2 倍開始卸載，如加載量為奇數(shù)則按照每級(jí)荷載的3 倍開始卸載，卸載時(shí)每間隔15min 觀測(cè)一次地基回彈值讀數(shù)，待全部卸荷完成，且地基0.5h內(nèi)回彈值在0.1mm內(nèi)，即視為地基承載力合格。本工程經(jīng)靜載試驗(yàn)得知，單樁加載時(shí)，平均1h 內(nèi)地基沉降量為0.85mm，復(fù)合地基加載時(shí)，加載至設(shè)計(jì)要求前平均1h 內(nèi)地基沉降量為0.88mm，超出設(shè)計(jì)要求后平均1h 內(nèi)地基沉降量為1.25mm，且卸載時(shí)地基回彈值均在0.1mm 以內(nèi)，這證明本次粉噴樁軟基加固質(zhì)量良好。

2.4.2 鉆芯取樣

為檢測(cè)本工程粉噴樁施工后混凝土樁體的強(qiáng)度、均勻性與連續(xù)性，采用鉆芯取樣法選取試塊，并在實(shí)驗(yàn)室中開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，取樣的樣本為隨機(jī)選取，選取的位置為樁體去除樁頭后的1/4 直徑處，樣品的大小為5cm×5cm×5cm，樣品總數(shù)量占樁體總數(shù)的1%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析后得知，芯樣中最小的抗壓強(qiáng)度為1.55MPa，最大的抗壓強(qiáng)度為1.76MPa，平均抗壓強(qiáng)度為1.64MPa，與設(shè)計(jì)要求的1.3MPa 相比，均滿足設(shè)計(jì)要求，因此，可以證明本次粉噴樁加固效果良好。

3 結(jié)語

綜上所述，采用粉噴樁軟基加固技術(shù)對(duì)地基進(jìn)行處理，可以有效提升地基的承載力、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，對(duì)保證路基的施工質(zhì)量具有重要意義。為保證粉噴樁加固施工的質(zhì)量，施工單位在施工中應(yīng)注意做好施工方案的設(shè)計(jì)，明確施工工藝，嚴(yán)格把控施工過程，從而提升粉噴樁施工效果，提升地基的承載力，為我國公路的施工質(zhì)量提供保障。