開封市城區(qū)水利局 阮改娣

粉噴樁軟基處理技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

開封市城區(qū)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(shù)都會(huì)出現(xiàn)較大的不均勻沉降，建成時(shí)間不長即成為病險(xiǎn)建筑物。近年來，粉噴樁技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軟土地基的處理中，該技術(shù)采用水泥作為固化劑，適合加固淤泥質(zhì)土、粉土、含水量大（50%左右）的黏土，一般加固地基深度可達(dá)30m，大幅度地改變了軟土地基的性質(zhì)，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(shù)的優(yōu)點(diǎn)和施工中具體參數(shù)的設(shè)計(jì)方法等，并針對(duì)施工中存在的問題進(jìn)行分析，且提出了建議。

一、粉噴樁軟基處理技術(shù)簡介

1.粉噴樁對(duì)地基的改善和加固機(jī)理。粉噴樁是通過深層攪拌機(jī)械,利用水泥或石灰作為固化劑與軟土強(qiáng)制攪拌所形成的水泥土樁或石灰樁。由于水泥強(qiáng)行噴入軟土以后很快與軟土中的水發(fā)生水化反應(yīng)，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(zhì)二氧化硅和三氧化二鋁進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，逐漸生成不溶于水的結(jié)晶化合物，使土顆粒集結(jié)膠合成較大的團(tuán)粒，進(jìn)而改善土的物理力學(xué)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(fù)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(dá)到加固處理軟土地基的目的。

2.粉噴樁軟基處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)具有良好的整體穩(wěn)定性、防滲性、施工速度快和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在水利工程的施工中。

（1）整體穩(wěn)定性和防滲性。粉噴樁由于其樁身強(qiáng)度不是很高，僅相當(dāng)于C5～C10的混凝土強(qiáng)度,故能與樁間土體共同作用形成復(fù)合地基，使其表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。同時(shí)，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(yīng)用。

（2）施工速度快、造價(jià)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(tái)機(jī)械可成樁500～800m，比普通混凝土樁機(jī)進(jìn)度快得多。施工中使用的原料價(jià)格低廉，使工程造價(jià)低，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

二、設(shè)計(jì)方法

1.水泥土參數(shù)選擇。在決定采用粉噴樁處理時(shí)，要對(duì)原狀土的化學(xué)成分、天然含水量、黏粒含量、有機(jī)物質(zhì)含量以及pH值進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)不同水泥類型和摻入比的水泥土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和壓縮模量等試驗(yàn)，據(jù)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(yīng)根據(jù)室內(nèi)配方試驗(yàn)提供的樁身強(qiáng)度及地質(zhì)報(bào)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(shí)，可通過單樁荷載試驗(yàn)驗(yàn)證。

式中，P為單樁容許承載力（kN），Pf為樁身強(qiáng)度（kPa），η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)（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(shù)（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(jì)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(shè)計(jì)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(shù)（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(fù)合地基承載力計(jì)算。用粉噴樁技術(shù)形成的復(fù)合地基，其承載力要按式（5）估算，有條件時(shí)宜通過復(fù)合地基荷載試驗(yàn)驗(yàn)證。

式中，σsp為復(fù)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(shù)（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(shù)，Ap為加固總面積）。

三、施工應(yīng)用中應(yīng)注意的問題及建議

1.工程適用范圍。粉噴樁軟基處理技術(shù)加固較弱土層并不是適用于所有類型的工程，對(duì)于沉降變形要求較高的建筑物不宜采用，尤其是淤泥質(zhì)土層較厚時(shí)，最好不要采用粉噴樁加固。因此，要有充足的把握不會(huì)產(chǎn)生超規(guī)范的沉降變形時(shí)才可采用。有些地區(qū)的有關(guān)規(guī)范規(guī)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(shù)適合應(yīng)用在加固天然含水量大于30%的淤泥質(zhì)土、黏性土和粉質(zhì)黏土，但并不是適合于所有的淤泥土層，當(dāng)?shù)鼗羛H值大于4或天然含水量大于70%時(shí)不宜使用。如，古河道中淤積的含有大量有機(jī)物或者是懸移游動(dòng)性的淤泥，水泥不易與其產(chǎn)生水化作用硬結(jié)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(jìn)行處理。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前應(yīng)仔細(xì)研究土層的地質(zhì)條件和土質(zhì)特征。

3.固化劑的選擇。施工規(guī)范中規(guī)定水泥和石灰都可作固化劑，水泥建議采用礦渣水泥。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論，礦渣水泥的前期強(qiáng)度低于普通硅酸鹽水泥，而后期強(qiáng)度則相反。所以，從經(jīng)濟(jì)及后期強(qiáng)度方面考慮應(yīng)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(chǎng)上礦渣水泥較難采購，經(jīng)濟(jì)上也沒有多大的優(yōu)越性，而且后期強(qiáng)度差別也不是太大，故設(shè)計(jì)采用普通硅酸鹽水泥作為固化劑是合適和可行的。

4.計(jì)算中應(yīng)注意的問題?？紤]到粉噴樁端部噴粉量較小，且原狀土已被擾動(dòng)，故一般不計(jì)粉噴樁端部的支承力，但對(duì)長度小于10m的樁，則應(yīng)計(jì)及粉噴樁端部的支承力，粉噴樁設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)使土對(duì)樁的支承力與樁身強(qiáng)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(shè)計(jì)計(jì)算主要是確定水泥摻入比和樁長2個(gè)參數(shù)。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件、施工條件等限制粉噴樁加固深度時(shí)，可先確定樁長L，再按式（2）計(jì)算單樁容許承載力P，然后根據(jù)P再求水泥摻入比；當(dāng)加固深度不受限制時(shí)，可根據(jù)室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)先確定水泥摻入比，求得水泥土強(qiáng)度即樁身強(qiáng)度Pf，然后按式（1）計(jì)算P，最后按式（2）計(jì)算樁長L。在實(shí)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(jù)式（2）求出P，再根據(jù)式（1）求P，取其小者，一般式（2）求出的P應(yīng)小于式（1）求出的P，再根據(jù)P計(jì)算置換率。

5.施工場(chǎng)地應(yīng)注意的問題。

（1）施工機(jī)械進(jìn)出場(chǎng)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(huì)使粉噴機(jī)無法下鉆，甚至損壞鉆頭。粉噴鉆機(jī)井架高10～20m，與高壓線的距離應(yīng)符合安全規(guī)定。

（3）粉噴鉆機(jī)在場(chǎng)地上行走的接地壓力為34kPa，場(chǎng)地上土質(zhì)較差時(shí)，應(yīng)鋪設(shè)墊層。

6.操作人員注意事項(xiàng)。

（1）應(yīng)控制鉆機(jī)下鉆深度、噴粉高程和停灰面，確保粉噴樁長度，嚴(yán)格禁止沒有粉體計(jì)量裝置的噴粉機(jī)投入使用。

（2）應(yīng)定時(shí)檢查粉噴樁的成樁直徑及攪拌均勻程度，對(duì)使用的鉆頭應(yīng)定期復(fù)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(shí)，第二次噴粉接樁時(shí)，其噴粉重疊長度不得小于lm；粉噴樁樁長大于10m時(shí)，其底部噴粉阻力較大，應(yīng)適當(dāng)減慢鉆機(jī)提升速度，以確保加固料的設(shè)計(jì)噴入量。

（4）施工中要注意調(diào)整風(fēng)壓，當(dāng)在軟弱淤泥土層中噴灰風(fēng)壓過大時(shí)，會(huì)把水泥吹向邊緣，導(dǎo)致樁身四周呈水泥硬殼，質(zhì)地堅(jiān)硬，而樁的內(nèi)部則松軟不成形。

四、粉噴樁的檢測(cè)

粉噴樁施工的檢測(cè)主要注意2個(gè)方面：一是施工中的檢測(cè)，二是成樁后的檢測(cè)。

1.施工中的檢測(cè)。施工中檢測(cè)主要是檢查樁位、樁長、噴灰量、復(fù)攪長度以及是否進(jìn)入硬土層等。對(duì)進(jìn)場(chǎng)水泥，一般每100t抽檢一次。

2.成樁后的檢測(cè)。對(duì)成樁的檢測(cè)一般是在成樁28d后，在樁體上部開挖截取3段進(jìn)行樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及檢查樁徑。檢查頻率為1‰～2‰。在樁中心用鉆機(jī)采取巖芯，檢查樁身的連續(xù)性和樁長，對(duì)每個(gè)場(chǎng)地可進(jìn)行2～3個(gè)原位靜載荷試驗(yàn)，檢測(cè)復(fù)合地基的承載力。

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