淺談粉噴樁加固鐵路箱涵軟弱地基的運用

【摘要】鐵路工程建設過程中經常會遇到軟弱地質，為達到設計的地基承載力要求，必須采取有針對性的技術措施進行處理。本文通過一工程實例，介紹了粉噴樁加固鐵路蓋板箱涵軟弱地基的運用，在加固機理、技術參數、質量與工藝控制等方面加以分析，為類似工程積累實踐經驗。

【關鍵詞】軟弱地基；粉噴樁；地基處理

【中圖號】U21【文獻標示碼】A【文章編號】1005-1074(2009)03-0094-01

粉噴樁是粉體噴射深層攪拌樁加固軟土技術的簡稱，國外定名為DJM工法（Dry Jet Maxing Method）。其原理是通過噴射攪拌機將粉狀加固料如水泥、石灰粉等，用壓縮空氣噴入地基深部，憑借攪拌機的回轉鉆頭葉片使加固料與原位軟土混合，就地攪拌形成具有整體性、水穩性及一定強度的樁體，樁體中的加固料與軟土產生一系列物理化學反應，使軟土硬結，從而使樁體與樁間土一起組成復合地基，起到加固地基的目的。

2粉噴樁加固機理

粉噴樁常用固化劑為水泥，水泥含有水硬性粘結劑中最重要的基礎物質，如石灰（CaO）、二氧化硅（SiO₂）、氧化鋁（Al₂O₃）、氧化鐵（Fe₂O₃）等，由于水化反應生成鋁酸三鈣（3GaO·Al₂O₃·mH₂O）、硅酸鈣（mCaO·SiO₂·nH₂O）、鐵酸鈣（CaO·Fe₂O₃·nH₂O）等水化物，使水泥逐漸凝結硬化。由于水泥在水化過程中能與其本身重量1/4的水結合，因此，在含水量適當的土中摻入水泥后，水泥與土中的水發生反應，產生凝硬作用，使土的強度提高。水泥既是一種遇水硬化的水硬性材料，又是一種含有凝結、硬化所必需的各種物質的自硬性材料，因此在加固地基時，必須將水泥與土均勻拌合，并保證有一定數量的水份，才能使水泥在土粒間起膠結劑作用。

3工程概況

xx立交排洪蓋板涵是沿線130多座蓋板箱涵中比較大型的一座箱涵，一孔排水，一孔過人，孔徑3.0m，凈高2.5m，采用片石基礎厚1.8m。涵洞一端是開挖山坡形成的半填半挖路基；另一端則是高填土路基，通過軟弱土質。涵洞處于兩段不同地質條件的路基中間，作為連接點，其沉降將造成路基的不均勻起伏，從而導致線路不平順，行車安全隱患加大。為此，對涵洞的地基要求有所提高，以確保沉降發生在允許范圍內。

4地質條件

施工區域為一農耕地，地質勘探顯示地質特征為表層有機腐質土，灰黑色，松散狀，厚0.5～1.2m，承載力不到30kPa；之下為淡黃色雜填土，為軟土表層硬殼，厚1.0～3.0m，承載力可達100kPa；再下層為軟塑～流塑淤泥質砂黏土，厚度0～5.5m不等，承載力最大為67kPa；第四層為軟土層底面以下，淡黃色的砂黏土，屬于Ⅱ級普通土，承載力達150kPa以上。詳見《軟土層分布圖》。

設計要求的地基土承載力為150kPa，涵洞基底相對與地面的標高為-3.2m，正好處于淤泥質砂黏土層，須對地基進行加固處理。經過對換填法、排水法、粉噴樁等處理措施進行對比分析，最終確定采用粉噴樁處理，施工方便，不影響既有路基安全，同時費用也比較低，還具有噪音小的優點。

5技術參數設計

根據地質情況和設計檢算，經過室內試驗，采用粉噴樁有效樁長4.5m，初始入土2.3m為空樁段，樁頭預留1.0m作保護，鉆筒實際入土深度為7.8m，保證所有樁伸入軟土層底面以下的砂黏土層。粉噴樁的設計樁徑取0.5m，按正方形布置，樁間距1.2m，沿涵洞軸線方向（垂直線路方向）洞口分布4排，每排11根；洞身5排，每排9根，共89根，每根有效長度4.5m，總有效樁長為4.5×89＝400.5m，每根樁虛樁長2.3m。主要材料采用425普通硅酸鹽水泥，摻入量經試驗后確定為12％～15％。

6施工工藝方法

粉噴樁的施工順序分六個步驟（《粉噴樁施工順序圖》），依次為對位→鉆孔→初噴攪→復鉆→復噴攪→移位。

施工機械采用PJ-15型噴射式深層攪拌樁機，由鉆機、粉噴機、空壓機三個部分組成。PJ-15型樁機高8.15m，最大可鉆深22m，鉆頭可配300～1000mm各種直徑尺寸的攪拌鉆頭。鉆進速度和提升速度一般都為每分鐘0.5m左右，攪拌頭的旋轉速度則為每分鐘30轉，空氣壓力調到0.4MPa，氣體流量設置為0.5L/S。

施工時，在施工場地清理平整的條件下，先調整好樁機位置，鉆頭對準樁位，并檢查鉆桿垂直度后標識機身高度，同時準備好粉噴機儲備量等各機械部位狀態，即可開始施鉆。正常每根樁控制在15分鐘左右就可以鉆到設計深度7.8m。在碰到硬殼層鉆進困難時適當調高鉆速，注意漸進式提高，以5轉作為增加的階梯，直到通過鉆層為止。

噴入水泥粉，邊噴邊轉動鉆頭，帶動旋轉葉片攪動原位土，使之與噴入的水泥粉拌和起來。在成樁過程中，記錄下實際提升速度和噴粉量，以備成樁后核查摻入量是否符合設計要求、檢查是哪個深度范圍內噴粉量不足，需要進行針對性的搭接補噴。為了確保樁身攪拌均勻和噴粉量充足，保證樁體強度和施工質量，施工時都需復攪。

7質量控制要素

粉噴樁成品具有隱蔽性，影響其施工質量的因素比較多，要使粉噴樁加固軟土地基效果明顯，除了地質勘探、技術參數設計之外，鉆機攪拌頭形式和工藝控制措施也都是非常關鍵的影響因素。

鉆頭形式主要反映在不同的葉片和不同的噴孔組合上。葉片有單層和多層之分，有的鉆頭除了主葉片，還增加了兩組副葉片。在鉆速相同的情況下，攪拌葉片越多，攪拌的效果當然就會越好；在選用葉片較少的鉆頭情況下，也可以通過提高鉆速來增強攪拌效果。噴孔的位置也有區別，有的位于葉片上，有的位于中心軸上，兩種噴孔位置會影響到加固料沿樁體橫截面方向的噴射效果不一樣。簡單來說，葉片上的噴孔噴射狀態呈外密中蔬現象，而且樁身孔徑越大，中空現象越明顯，同時噴孔也比較容易堵塞，這種噴孔需要采用顆粒極小的水泥作為加固料。中心軸上的噴孔在高強氣壓作用下使加固料分布比較均勻，而且適用于顆粒較大的粉煤灰加固料。選用鉆頭以地理地質條件為主，同時也考慮電力、技術、原料和經濟等條件。

施工工藝方面的控制主要表現在粉噴量、風壓、風量和鉆進提升速度控制上。粉噴量應按照設計技術參數進行嚴格控制，尤其不能小于設計值。粉噴量與風壓和風量密切相關，所以在施工中控制好風壓風量顯得相當重要，而風壓、風量又取決于鉆進深度、鉆頭形式以及鉆桿提升速度。風壓風量過小、提升速度過慢，會造成噴粉困難，噴孔容易堵塞；風壓風量過大、提升速度過快，又容易導致水泥分布不均勻，樁身質量沒有保障。在噴粉過程中，應隨著深度變化，逐漸調節風壓、風量及提升速度，使粉噴量基本處于一個恒值。

8檢測與評價

施工完成后，經過一定時間的凝固期，在開挖基礎時，可進行外觀檢查，評價樁身水泥土的均勻性和密實度、樁的直徑和垂直度。但由于粉噴樁的隱蔽性，即使開挖檢查也只是看到樁頭部分，不能反映出整個樁體的質量，主要還是對隱蔽的樁身進行檢測。常用的檢測方法有靜載試驗、壓樁頭試驗和鉆探取芯試驗等幾種。本工程采用了鉆探取芯試驗手段，結果表明樁體強度雖然隨深度增加而逐漸下降，但其無側限抗壓強度仍能達到450kPa以上，復合地基的整體效果良好，滿足鐵路蓋板箱涵地基承載力的設計要求。工后一年的地基沉降量僅為7mm，表明粉噴樁加固措施的成功運用。

影響粉噴樁加固軟土地基施工質量的因素很多，從機械、工藝、參數、檢測等方面加以控制，以保證加固質量是關鍵。在我國土木工程建設中，對軟基處理的方法已經有很多，但由于鐵路工程的專業特殊性，其在粉噴樁的采用上仍不多見，本文對粉噴樁的加固機理、技術參數、質量與工藝控制等方面的分析，可為類似工程提供一定參考價值的借鑒。