路基施工中粉噴樁的沉樁分析與處理對策

【摘 要】由于地質等因素，粉噴樁施工中經常會遇到沉樁現象的發生。粉噴樁沉樁影響地基加固質量，留下路基質量隱患。本文結合工程實際，剖析沉樁發生的原因，提出避免沉樁現象發生的對策以及對已下沉的粉噴樁的補救措施。

【關鍵詞】粉噴樁 沉樁 分析 處理 對策

1.前言

水泥粉體噴射攪拌法是用于加固飽和粘土地基的一種新方法。它是利用水泥材料作為固化劑，通過特制的攪拌機械，在地基深處就地將軟土和水泥強制攪拌，由水泥和軟土間所產生的一系列物理—化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的水泥加固土，從而提高地基強度和增大變形模量。水泥粉體噴射攪拌法施工時，利用特制的粉體噴攪施工機械，先連續輸送高壓空氣由上而下攪拌，然后將水泥粉末混合于壓縮空氣氣流中由下而上邊攪邊噴，然后再復攪復噴。水泥粉末從通過攪拌葉片旋轉產生的空隙部位噴出，隨著攪拌葉片的旋轉與原位地基土攪拌、混合在一起，而高壓空氣與水泥粉末分離后主要由軸與土的縫隙排出地面。水泥粉噴樁與樁間土共同分擔上部荷載并協調變形，形成復合地基。由于地質等因素的影響，水泥粉噴樁沉樁現象時有發生，沉樁有時達2m以上。如果處理不當，將會給后續施工帶來困難并留下嚴重隱患。

2.粉噴樁下沉原因分析

2.1沉樁現象及其分類

沉樁現象是指在粉噴樁樁體施工完畢后，由于樁體土在自重作用下體積壓縮、施工擾動下密實度增大、樁周土受樁體土的側向壓力或管道壓力等作用下產生側向位移等到原因，在樁體施工完成時或經過一段時間后，在樁位上出現空洞的現象。根據發生的時間與是否可見，可分為：

（1）即時性沉樁：粉噴樁樁體施工完成后隨即發生的沉樁現象；

（2）滯后性沉樁：粉噴樁樁體施工完成一段時間后才表現出來的沉樁現象；

（3）顯性沉樁：出現在地表可見的沉樁現象；

（4）隱性沉樁；由于地表有一層較厚的硬殼層，出現在地表以下的不可見的沉樁現象。此種沉樁不易被發現，具有較大的危害性。

一般情況下，沉樁現象以即時性、顯性沉樁最為常見。

2.2沉樁原因分析

大量的研究和實踐表明，軟土具有以下共性：

（1）高壓縮性。軟土的壓縮模量ES<4MPa，大部分壓縮變形發生在垂直壓力為100KPa左右，作為地基時的沉降量很大。

（2）具有觸變特征。當原狀軟土受到擾動（攪拌、擠壓等）以后，結構連接受到破壞，土的強度顯著降低。其靈敏度一般在3～4之間，個別高達8～9。

（3）具有明顯的流變性。在荷載的作用下，軟土承受剪應力的作用產生緩慢的剪切變形，并可能導致抗剪強度的衰減，并在主固結沉降完畢之后還可能產生可觀的次固結沉降。

由于軟土具有以上特性，粉噴樁施工過程中，反復攪拌破壞了土體的結構，原狀土孔隙比降低，孔隙水排出而形成體積缺失，引起樁位土體下沉。同時由于鉆頭水平向離心力和噴粉氣流兩種因素的影響，擾動樁周軟土，使其成流體狀，產生側向位移引起樁位土體下沉。施工中若施工工藝和施工參數選擇不當，沉樁現象極易發生。引起沉樁現象的施工因素一般有如下幾個方面：

（1）噴粉量小，樁底虛松：粉噴樁施工中，地下反壓隨深度增加而加大。一般情況下，樁身下部的地下反壓均較大，而此時又由于樁機提升荷載大而不得不采用低速，從而使得地下反壓較大的問題變得更為突出。在這種情況下，如果施工技術水平較低，就會出現噴粉困難、噴粉量少，樁下部土體在樁體土的自重作用下體積壓縮而出現沉樁現象。

（2）噴粉不均勻，斷樁嚴重：樁位土體在自重作用下壓縮變形，體積減小而出現沉樁現象。

（3）管道氣流或管道氣壓過大，致使樁周土體遭受過大擾動：因軟土具有較高的靈敏度和觸變性，在大量氣流的作用下，土體波動，強度下降，流變性增強，可壓縮性提高，在樁位土體的側壓力或氣體壓力等作用下，發生較大的側向位移，從而出現沉樁現象。

（4）整樁噴粉量過少：當噴入水泥加固料體積不能補償由于施工擾動引起的密實和鉆頭反轉導致的壓密以及樁周土體側向位移等到造成的體積減小量時，即出現沉樁現象。

（5）施工速度過快：鉆頭轉動速度過快，對樁周土體產生較強的應力波，使樁周土體遭受過大擾動，強度下降，流變性增強，可壓縮性提高，在樁位土體的側壓力或氣體壓力等作用下，發生較大的側向位移。同時，下鉆速度過快會直接造成鉆頭下土體的側向位移和樁底土體的壓縮變形，導致沉樁現象發生。

（6）施工鉆具選擇不合理：不同形式的鉆頭適用于不同性質的軟土。如果鉆頭葉片的軸向傾角過小，在反轉提升的過程中將對樁位土體產生過強的壓密作用；而鉆頭葉片的軸向傾角過大，則會使樁位土體在鉆頭鉆進過程中產生側向位移。樁體土的過度壓密和樁周土的側向位移直接導致沉樁現象的發生。

在以上各種原因中，樁周土體受樁位土體的側向壓力作用產生的側向位移與樁位土體在自重作用下壓縮變形導致的沉樁現象常具有滯后性。如果地表存在較厚的硬殼層，由于其自身密實性好、內摩擦角大，具有較強的承載能力，則沉樁現象將出現在地表以下，造成隱性沉樁。

3.粉噴樁下沉的處理對策

3.1避免粉噴樁下沉的措施

在高含水量的軟土地區進行粉噴樁施工時，選擇合理的施工工藝和施工參數能有效的避免粉噴樁沉樁現象的發生，一般可從以下幾方面進行考慮：

（1）選擇合適的鉆頭形狀：粉噴樁施工中，減小鉆頭葉片軸向傾角，可以降低對樁周土體的側向擠壓力，避免因樁周土體側向位移而引起的樁位土體下沉。但如果鉆頭葉片軸向傾角減小，鉆頭反轉提升的過程中對樁位土體產生壓密的垂直向力增加，從而增加樁位土體擾動引起的下沉量。因此鉆頭葉片軸向傾角存在一個最優值。特殊情況下，對含水量特別大、塑性指數高、強度低、壓縮性高、流變性強的厚層淤泥，可采用“十”字形鉆頭。

（2）縮小螺距：不同螺距鉆頭對樁位土體的壓密作用不同。若鉆頭螺距為50cm，轉速為92r/min、螺距進尺46m/min、鉆頭進尺1.47m/min與轉速為28r/min、螺距進尺14m/min、鉆頭進尺0.45m/min兩組參數對樁位土體的壓縮比為32。若將鉆頭螺距改為30cm，則壓縮比減小為19。因此縮小鉆頭螺距，可有效減小樁位土體的壓密性，減少孔隙比的降低，對高含水量軟土的擠壓應力也減小，避免沉樁和減少空洞現象。

（3）調整粉體含量及加固料配方：對于含水量高的軟土地基，應適當增加水泥摻入量、提高采用水泥的標號或摻加其它高吸水性的加固料。增加水泥摻入量、提高采用水泥的標號或摻加其它高吸水性的加固料，能有效的促進粉噴樁強度的形成，避免粉噴樁的下沉。

（4）改進施工工藝：施工粉噴樁時，先從路基兩側邊部施工，在路基坡腳處加密兩排樁然后向路基中部推進，減少樁周土體側向位移。粉噴樁施工過程中，盡量采用較慢的、勻速的鉆進速度，鉆進時的管道壓力應盡量小，以不堵塞出氣孔為限，一般控制在200kPa以下較為適宜。在提鉆的同時應保持連續噴粉，切不可只提鉆不噴粉。噴粉結束后的復攪范圍應適當擴大，在全樁范圍內進行噴粉復攪。

3.2下沉粉噴樁的處理措施

對于已下沉的粉噴樁，針對不同情況，可采取，重新制樁、接樁、回填灰土并夯實等處理措施。

（1）重新制樁：對粉噴樁不成形、未形成樁體強度或噴粉量嚴重不足的粉噴樁，如有可能，則應在8小時之內在原位重新施工。對不能重新施工的粉噴樁，則應予以報廢并進行補樁處理，補樁與原樁的距離應控制在設計樁間距的15%以內。

（2）接樁：對下部樁體完整且樁底高程已達到設計要求的粉噴樁，可在樁頂下沉空洞內回填土，從樁頂5cm范圍內開始向上施工噴粉，使整個樁體完整，形成樁體強度。

（3）回填灰土并夯實：若粉噴樁下沉不深，則可向下沉空洞中填灰土，夯實形成堅硬的頂板。

4.結束語

地質因素是粉噴樁沉樁現象的根本內因，對軟土含水量較大時，粉噴樁施工時的攪拌和高壓氣流對軟土的擾動作用明顯，當含水量超過70%時，粉體攪拌法處理軟土地基是否可行還值得進一步去探討。在高含水量軟土粉噴樁處理施工中，若根據現場實際地質情況，有針對性地選擇恰當的施工工藝、施工參數和合適的施工機具，可以有效避免沉樁現象的發生，保證軟土地基的處理質量。

參考文獻：

[1]《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》（JTG/T D31-02-2013），中華人民共和國交通部部行業標準

[2]劉松玉，錢國超，粉噴樁復合地基理論與工程應用，中國建筑工業出版社，2006