粉噴樁軟基處理技術在水利工程中的應用

開封市城區水利局 阮改娣

粉噴樁軟基處理技術在水利工程中的應用

開封市城區水利局 阮改娣

水利工程大多為軟土地基，而建筑物直接置于這種天然地基上，多數都會出現較大的不均勻沉降，建成時間不長即成為病險建筑物。近年來，粉噴樁技術被廣泛應用于軟土地基的處理中，該技術采用水泥作為固化劑，適合加固淤泥質土、粉土、含水量大（50%左右）的黏土，一般加固地基深度可達30m，大幅度地改變了軟土地基的性質，提高了地基承載力。本文中，筆者闡述了水利工程中粉噴樁軟基處理技術的優點和施工中具體參數的設計方法等，并針對施工中存在的問題進行分析，且提出了建議。

一、粉噴樁軟基處理技術簡介

1.粉噴樁對地基的改善和加固機理。粉噴樁是通過深層攪拌機械,利用水泥或石灰作為固化劑與軟土強制攪拌所形成的水泥土樁或石灰樁。由于水泥強行噴入軟土以后很快與軟土中的水發生水化反應，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及水化鐵酸鈣等化合物，這些化合物中的鈣離子與黏土中的礦物質二氧化硅和三氧化二鋁進行化學反應，逐漸生成不溶于水的結晶化合物，使土顆粒集結膠合成較大的團粒，進而改善土的物理力學性能；粉噴樁的樁體界于剛性樁與柔性樁之間，它與樁間土形成復合地基，可以大大提高地基承載力，有效地減少地基沉降，從而達到加固處理軟土地基的目的。

2.粉噴樁軟基處理技術的優點。該技術具有良好的整體穩定性、防滲性、施工速度快和造價低等優點，被廣泛應用在水利工程的施工中。

（1）整體穩定性和防滲性。粉噴樁由于其樁身強度不是很高，僅相當于C5～C10的混凝土強度,故能與樁間土體共同作用形成復合地基，使其表現出良好的穩定性。同時，由于粉噴樁的置換效率比剛樁性要高，且具有較好的防滲效果，故比較適宜在水利工程中應用。

（2）施工速度快、造價低。由于粉噴樁特殊的施工工藝，保證了其較快的施工速度，每天每臺機械可成樁500～800m，比普通混凝土樁機進度快得多。施工中使用的原料價格低廉，使工程造價低，具有較好的經濟效益。

二、設計方法

1.水泥土參數選擇。在決定采用粉噴樁處理時，要對原狀土的化學成分、天然含水量、黏粒含量、有機物質含量以及pH值進行測定，并對不同水泥類型和摻入比的水泥土進行無側限抗壓強度、抗折強度、抗剪強度和壓縮模量等試驗，據此確定水泥土滲入比。

2.單樁容許承載力、水泥摻入比和樁長的確定。單樁承載力應根據室內配方試驗提供的樁身強度及地質報告提供的土層摩阻力按下列公式估算，取其最小值。有其他條件限制時，可通過單樁荷載試驗驗證。

式中，P為單樁容許承載力（kN），Pf為樁身強度（kPa），η為樁身強度折減系數（可取0.3～0.4），Ap為單樁截面積（m2），Up為樁周長（m），fi為樁周圍第i層土的容許摩阻力（淤泥取5～8kPa，黏性土取12～15kPa），Li為樁在第i層土中的長度（m），α為樁尖天然地基土的承載力折減系數（可取0.4～0.6），qP為樁尖天然地基土的容許承載力（kPa）。

3.樁位平面布置及置換率計算。粉噴樁平面布置以樁距最大和便于施工為原則，可采用樁式加固、格子式加固、壁式加固和塊式加固等布置。

式中，σsp為設計要求的地基承載力（kPa），σs為樁尖土天然地基容許承載力（kPa），β為樁尖土承載力折減系數（軟弱土層取0.5～1.0，硬土層取0.1～0.4），αs為置換率，P為單樁容許承載力（kN），Ap為樁斷面積（m2）。

4.復合地基承載力計算。用粉噴樁技術形成的復合地基，其承載力要按式（5）估算，有條件時宜通過復合地基荷載試驗驗證。

式中，σsp為復合地基容許承載力（kPa），σp為樁身容許承載力（kPa），σs為樁尖土天然地基容許承載力（kPa），β為樁尖土承載力折減系數（樁尖為軟弱土層取0.5～1.0，為硬土層取0.1～0.4）；αs為置換率（αs=n×Ap/A，n為樁根數，Ap為加固總面積）。

三、施工應用中應注意的問題及建議

1.工程適用范圍。粉噴樁軟基處理技術加固較弱土層并不是適用于所有類型的工程，對于沉降變形要求較高的建筑物不宜采用，尤其是淤泥質土層較厚時，最好不要采用粉噴樁加固。因此，要有充足的把握不會產生超規范的沉降變形時才可采用。有些地區的有關規范規定6層以上建筑物不宜采用粉噴樁加固。

2.土層的選擇。粉噴樁軟基處理技術適合應用在加固天然含水量大于30%的淤泥質土、黏性土和粉質黏土，但并不是適合于所有的淤泥土層，當地基土pH值大于4或天然含水量大于70%時不宜使用。如，古河道中淤積的含有大量有機物或者是懸移游動性的淤泥，水泥不易與其產生水化作用硬結一體，有的根本形不成柱體，有的雖呈柱體但非常松軟，承載力極其低下。還有垃圾土，也不適合采用粉噴樁進行處理。因此，設計人員在設計前應仔細研究土層的地質條件和土質特征。

3.固化劑的選擇。施工規范中規定水泥和石灰都可作固化劑，水泥建議采用礦渣水泥。根據試驗結論，礦渣水泥的前期強度低于普通硅酸鹽水泥，而后期強度則相反。所以，從經濟及后期強度方面考慮應用礦渣水泥。但是，由于一般的工程都采用普通硅酸鹽水泥，市場上礦渣水泥較難采購，經濟上也沒有多大的優越性，而且后期強度差別也不是太大，故設計采用普通硅酸鹽水泥作為固化劑是合適和可行的。

4.計算中應注意的問題。考慮到粉噴樁端部噴粉量較小，且原狀土已被擾動，故一般不計粉噴樁端部的支承力，但對長度小于10m的樁，則應計及粉噴樁端部的支承力，粉噴樁設計時通常應使土對樁的支承力與樁身強度所確定的承載力相近，并使后者略大于前者。因此，粉噴樁的設計計算主要是確定水泥摻入比和樁長2個參數。

設計時應注意：當地質條件、施工條件等限制粉噴樁加固深度時，可先確定樁長L，再按式（2）計算單樁容許承載力P，然后根據P再求水泥摻入比；當加固深度不受限制時，可根據室內強度試驗先確定水泥摻入比，求得水泥土強度即樁身強度Pf，然后按式（1）計算P，最后按式（2）計算樁長L。在實際工程中，一般均取水泥摻入比為15%，這樣可先擬樁長，然后根據式（2）求出P，再根據式（1）求P，取其小者，一般式（2）求出的P應小于式（1）求出的P，再根據P計算置換率。

5.施工場地應注意的問題。

（1）施工機械進出場的道路及橋梁，必須滿足10t加長卡車及10t吊車的行走要求。

（2）地下、地表障礙物必須清除。地下障礙物（如大石塊、樹根、地下管線）會使粉噴機無法下鉆，甚至損壞鉆頭。粉噴鉆機井架高10～20m，與高壓線的距離應符合安全規定。

（3）粉噴鉆機在場地上行走的接地壓力為34kPa，場地上土質較差時，應鋪設墊層。

6.操作人員注意事項。

（1）應控制鉆機下鉆深度、噴粉高程和停灰面，確保粉噴樁長度，嚴格禁止沒有粉體計量裝置的噴粉機投入使用。

（2）應定時檢查粉噴樁的成樁直徑及攪拌均勻程度，對使用的鉆頭應定期復核檢查，其直徑磨耗量不得大于20mm。

（3）在噴粉成樁過程中，遇有故障而停止噴粉時，第二次噴粉接樁時，其噴粉重疊長度不得小于lm；粉噴樁樁長大于10m時，其底部噴粉阻力較大，應適當減慢鉆機提升速度，以確保加固料的設計噴入量。

（4）施工中要注意調整風壓，當在軟弱淤泥土層中噴灰風壓過大時，會把水泥吹向邊緣，導致樁身四周呈水泥硬殼，質地堅硬，而樁的內部則松軟不成形。

四、粉噴樁的檢測

粉噴樁施工的檢測主要注意2個方面：一是施工中的檢測，二是成樁后的檢測。

1.施工中的檢測。施工中檢測主要是檢查樁位、樁長、噴灰量、復攪長度以及是否進入硬土層等。對進場水泥，一般每100t抽檢一次。

2.成樁后的檢測。對成樁的檢測一般是在成樁28d后，在樁體上部開挖截取3段進行樁身無側限抗壓強度試驗及檢查樁徑。檢查頻率為1‰～2‰。在樁中心用鉆機采取巖芯，檢查樁身的連續性和樁長，對每個場地可進行2～3個原位靜載荷試驗，檢測復合地基的承載力。

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