粉噴樁技術在加固軟土地基工程中的應用研究

梅 健

(南京城市建設管理集團有限公司， 江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著基礎設施的大規模建設，交通工程的穿越范圍越來越大，尤其是穿越軟土區域時，如果不能進行有效的加固處理，將會造成較為嚴重的質量問題。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。根據以往案例可知，當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速度，無法保證地基在規定時間內達到足夠的強度。如軟土地基處理不慎，則容易發生軟體地基下沉，甚至坍塌的現象，從而對于上部建筑結構造成較大的影響00。針對軟土地基的處理，粉噴樁是當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量問題。然而據可查文獻，當前粉噴樁加固技術的研究，主要集中在工程應用方面，缺乏從原理、設計、施工、質量控制和檢測的系統研究，限制了粉噴樁加固處理技術的進一步應用000。因此在對比分析相關軟土地基處理技術經濟性和適用性的基礎上，針對實際工程概況，選擇粉噴樁技術加固處理軟弱地基，然后對粉噴樁的加固機理和單樁承載力、強度標準值、面積置換率和相應的樁基數量等技術參數進行了計算分析，然后對于粉噴樁施工的工藝進行了詳細介紹，并針對關鍵施工工藝的技術參數進行了重點介紹，最后通過靜載試驗檢測了復合地基的承載能力，結果證明粉噴樁加固軟土地基技術具有較好的適用性，本文系統研究粉噴樁加固軟土地基在實際工程的應用，對于未來類似工程提供一定的工程和理論經驗。

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。道路標準路幅寬度為32m,為雙向6車道。天然湖泊開園蓄水后,常水位標高為40.8m，道路穿過路段部分位于淤泥區域，地基承載能力相對較弱。

1.2 地質條件

道路穿越區域位于湖水沖積區域，根據勘察資料可知，自上而下分別為人工填土、一般粘性土、淤泥質土、粉土、粉砂，具體物理力學性能指標如表1所示。

表1 土層物理力學性能指標統計表

根據表1地質勘察資料顯示，如果軟土地基不進行處理無法滿足承載要求；如果進行鉆孔灌注樁進行處理，則經濟代價較高，因此建議選擇粉噴樁對于軟土地基進行處理，提高軟土地基的承載能力。

2 粉噴樁加固地基設計分析

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攪拌混合。由于固化劑在吸水后會發生較為復雜的物理化學變化，使得軟土地基的整體性、水穩定性和強度大大增強。

由于固化劑摻入量相對較少，水泥等固化劑的水解和水化反應是在一定活性介質-土中發生的，因此復合地基的強度增長過程相對緩慢，具體硬化過程具體如下：

（1）水泥土的水解和水化反應。

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，礦物材料發生水解和水化反應生成堿性化合物。

（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硬化，形成水泥石的骨架結構；部分水化物則與活性粘土顆粒發生反應，具體如下：

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

② 硬凝反應。水化反映的逐步推進，大量的游離Ca2+在達到一定濃度后則會在堿性環境下形成不溶于水的結晶化合物，提高復合地基的承載能力。

（3）碳酸化作用。

由于樁頭攪拌的機械作用，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，在水解產物的作用下，土體性質得到改善，但是容易存在復合地基強度不均的問題。

2.2 加固設計

（1）粉噴樁單樁承載力Nd確定

根據勘察資料進行設計，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算如下式所示：

（2）加固土強度標準值qa確定 加固后土體強度標準值qa滿足設計要求，具體計算公式如下所示：

（3）粉噴樁面積置換率m的確定 粉噴樁面積置換率計算如下式所示：

（4）粉噴樁樁數確定及布樁方式選擇

關于粉噴樁加固軟土地基，數量計算如下式所示：

3 粉噴樁在軟土地基中的加固技術分析

關于粉噴樁加固軟土地基，需要首先根據試樁確定相關參數，然后按照施工工藝施工，最后通過質量控制保障施工質量，以下進行詳細介紹。

3.1 工藝性試樁參數確定

為了保障粉噴樁技術在軟土地基加固處理中的應用效果，需要進行工藝性試樁，從而確定實際成樁過程中的基本參數。根據本工程地質情況和工程規模，確定5根工藝試樁，得到相應的施工工藝參數如表2所示。

表2 工藝性試樁參數

3.2 粉噴樁在軟土地基施工工藝

粉噴樁加固處理技術在軟土地基中的應用，施工工藝如圖1所示。

圖1 粉噴樁施工參數確定

根據圖1可知，粉噴樁加固軟土地基的關鍵施工工藝如下所示：

（1）樁機就位

施工前首先需要測放軸線和樁位，并進行標定。

（2）下鉆作業

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

（3）提升噴粉攪拌

提升鉆進進行噴粉攪拌作業，在反向旋轉提升鉆頭的同時打開鉆機控制閥，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，相應的噴射量應與鉆機提升速度相適應，應根據設計匹配二者之間的關系。

（4）復攪作業

二次攪拌作業，首先鉆頭正向旋轉，達到設計轉速后進行復攪作業。在完成單個粉噴樁的施工作業和復攪后，需要關閉鉆機和鉆頭，進行樁機轉移至新孔位進行施工作業。

3.3 關鍵施工工藝的質量控制要點

關于粉噴樁加固軟土地基，不僅需要嚴格按照施工工藝順序進行施工，同時對于關鍵工序進行嚴格控制，具體如下：

（1）樁基就位：樁頭與設計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，首先應用壓縮空氣代替固化劑進行噴射，可以保障鉆進過程的順利；

（3）提升鉆頭并反轉：在完成下鉆過程后應及時提升鉆頭進行噴射作業，關于提升速度應根據地質情況和設計參數確定；

（4）提升結束：在鉆頭提升值地面30.0～50.0cm時，應停止噴射；

（5）復拌：在完成噴射和提升作業后，應及時進行二次復攪作業，首先鉆機鉆機1/3的設計深度，邊提升邊反向旋轉。

4 加固地基的性能檢測

為了保障粉噴樁加固軟土地基的效果，需要對于復合地基的承載能力進行檢驗，荷載試驗是當前行之有效的檢驗方法。在樁身強度能夠滿足設計要求后，在被測地基安置平板，復合地基承載能力經理荷載試驗具體如圖2所示。

圖2 荷載試驗加載裝置圖

根據荷載設計進度和現場荷載試驗情況，繪制相應的荷載-沉降曲線，得到地基承載力如表3所示。

表3 靜力荷載試驗結果表

根據表3可知，復合地基承載能力換算值最小為163.0kPa，能夠滿足設計要求，且具有一定的承載潛力和安全冗余。

5 結論

通過粉噴樁加固軟土地基技術在某實際工程中的應用，本文主要得到以下結論：

（1）粉噴樁加固技術是當前軟土地基處理中較為經濟、可靠的；

（2）根據粉噴樁加固處理軟弱地基的原理，進行了單樁承載力、加固土強度標準值、粉噴樁面積置換率和樁數量的計算分析；

（3）粉噴樁加固處理地基的施工工藝介紹，關于下鉆、提升、復攪等關鍵施工工藝進行了詳細的控制技術參數介紹；

（4）為了檢驗粉噴樁加固處理軟弱地基的效果，進行了復合地基的承載能力靜載試驗，結果證明復合地基承載能力能夠滿足設計要求。