粉喷桩加固地基的应用(栏)

第1页共5页粉喷桩加固地基应用摘要：铁路工程建设过程中经常会遇到软弱地质，为达到设计的地基承载力要求，必须采取有针对性的技术措施进行处理。本文通过一工程实例，介绍了粉喷桩加固铁路盖板箱涵软弱地基的运用，在加固机理、技术参数、质量与工艺控制等方面加以分析，为类似工程积累实践经验。关键词：软弱地基粉喷桩地基处理铁路是线形带状的特殊人工建筑物，不可避免的要通过不同的地质地区。在工程实践中，不仅是路基部分，桥、涵的选址也经常会遇到软土地质地区。软土地质的基底承载力一般都不能满足设计要求，不得不采取特殊措施进行软基处理。软基处理方法有多种，主要分为预压法、加筋法、置换法、排水法、挤密法、固结法以及打桩法等类别，每一类别又有多种具体措施。针对不同工程项目，必须根据地质特征并综合考虑施工条件、经济效益和工期计划等因素，比选出较为合适的处理措施。本文以国家一级铁路干线——京九铁路龙川北至东莞东增建二线工程（以下简称龙东复线工程）的实际工点为例，介绍目前较为少用的粉喷桩加固方法处理盖板箱涵软土地基的技术运用。一、粉喷桩简介粉喷桩是粉体喷射深层搅拌桩加固软土技术的简称，国外定名为DJM工法（DryJetMaxingMethod）。其原理是通过喷射搅拌机将粉状加固料如水泥、石灰粉等，用压缩空气喷入地基深部，凭借搅拌机的回转钻头叶片使加固料与原位软土混合，就地搅拌形成具有整体性、水稳性及一定强度的桩体，桩体中的加固料与软土产生一系列物理化学反应，使软土硬结，从而使桩体与桩间土一起组成复合地基，起到加固地基的目的。二、粉喷桩加固机理粉喷桩常用固化剂为水泥，水泥含有水硬性粘结剂中最重要的基础物质，如石灰（CaO）、二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）、氧化铁（Fe2O3）等，由于水化反应生成铝酸三钙（3GaO·Al2O3·mH2O）、硅酸钙（mCaO·SiO2·nH2O）、铁酸钙（CaO·Fe2O3·nH2O）等水化物，使水泥逐渐凝结硬化。由于水泥在水化过程中第2页共5页软土层分布图第4层：砂粘土，Ⅱ级普通土，σ0＝150kPa以上第1层：有机腐质土，松散状，厚0.5～1.2m，σ0＝30kPa第2层：杂填土，硬壳状，厚1.0～3.0m，σ0＝100kPa第3层：淤泥质砂粘土，软塑～流塑，厚1.0～5.5m，σ0＝67kPa能与其本身重量1/4的水结合，因此，在含水量适当的土中掺入水泥后，水泥与土中的水发生反应，产生凝硬作用，使土的强度提高。水泥既是一种遇水硬化的水硬性材料，又是一种含有凝结、硬化所必需的各种物质的自硬性材料，因此在加固地基时，必须将水泥与土均匀拌合，并保证有一定数量的水份，才能使水泥在土粒间起胶结剂作用。三、工程概况2001年初开工的龙东复线工程有桥涵建筑物多座，其中K2300+631（2-3m）立交排洪盖板涵是沿线130多座盖板箱涵中比较大型的一座箱涵，一孔排水，一孔过人，孔径均为3.0m，净高均为2.5m，采用片石基础厚1.8m。涵洞北京端是开挖山坡形成的半填半挖路基；九龙端则是高填土路基，通过软弱土质。涵洞处于两段不同地质条件的路基中间，作为连接点，其沉降将造成路基的不均匀起伏，从而导致线路不平顺，行车安全隐患加大。为此，对涵洞的地基要求有所提高，以确保沉降发生在允许范围内。四、地质条件K2300+625～K2300+750段为一农耕地，地质勘探显示地质特征为表层有机腐质土，灰黑色，松散状，厚0.5～1.2m，承载力不到30kPa；之下为淡黄色杂填土，为软土表层硬壳，厚1.0～3.0m，承载力可达100kPa；再下层为软塑～流塑淤泥质砂黏土，厚度0～5.5m不等，承载力最大为67kPa；第四层为软土层底面以下，淡黄色的砂黏土，属于Ⅱ级普通土，承载力达150kPa以上。详见《软土层分布图》。设计要求的地基土承载力为150kPa，涵洞基底相对与地面的标高为-3.2m，正好处于淤泥质砂黏土层，须对地基进行加固处理。在可选的换填法、排水法、粉喷桩等处理措施中，换填法开挖深度太大，对既有路基边坡破坏严重，危及正常的行车安全；排水法对压缩性较第3页共5页高的软土层加固效果不明显，需要辅助予其它措施如土工织物加筋等，费用较高昂，施工也相对复杂。最终确定采用粉喷桩处理，施工方便，不影响既有路基安全，同时费用也比较低，还具有噪音小的优点。五、技术参数设计根据地质情况和设计检算，在室内试验的测定结果支持下，采用粉喷桩有效桩长4.5m，初始入土2.3m为空桩段，桩头预留1.0m作保护，钻筒实际入土深度为7.8m，保证所有桩伸入软土层底面以下的砂黏土层。粉喷桩的设计桩径取0.5m，按正方形布置，桩间距1.2m，沿涵洞轴线方向（垂直线路方向）洞口分布4排，每排11根；洞身5排，每排9根，共89根，每根有效长度4.5m，总有效桩长为4.5×89＝400.5m，每根桩虚桩长2.3m。主要材料采用塔牌425普通硅酸盐水泥，掺入量经试验后确定为12～15％。六、施工工艺方法粉喷桩的施工顺序分六个步骤（《粉喷桩施工顺序图》），依次为对位→钻孔→初喷搅→复钻→复喷搅→移位。详细工艺流程见《工艺流程图》。桩位放样储备水泥场地清理平整抽检钻头对位复核签认桩机就位垂直度检查桩顶原位搅拌1min记录喷粉量和提升速度喷粉成桩送气标识机身标高钻进记录钻进深度桩身质量检测搭接补喷喷粉量检查全桩复搅桩机移位否粉喷桩施工工艺流程图施工机械采用PJ-15型喷射式深层搅拌桩机，由钻机、粉喷机、空压机三个部分组成。PJ-15型桩机高8.15m，单节钻杆长分为3.0m和6.0m，通过接长钻杆最大可钻深22m，钻头可配300～1000mm各种直径尺寸的搅拌钻头。钻进速度和提升速度一般都为每分钟0.5m左右，搅拌头的旋转速度则为每分钟30转，空气压力调到0.4MPa，气体流量设置为0.5L/S。(1)(2)(3)(4)(5)(6)粉喷桩施工顺序图第4页共5页施工时，在施工场地清理平整的条件下，先调整好桩机位置，钻头对准桩位，并检查钻杆垂直度后标识机身高度，同时准备好粉喷机储备量等各机械部位状态，即可开始施钻。正常每根桩控制在15分钟左右就可以钻到设计深度7.8m。在碰到硬壳层钻进困难时适当调高钻速，注意渐进式提高，以5转作为增加的阶梯，直到通过钻层为止。喷入水泥粉，边喷边转动钻头，带动旋转叶片搅动原位土，使之与喷入的水泥粉拌和起来。在成桩过程中，记录下实际提升速度和喷粉量，以备成桩后核查掺入量是否符合设计要求、检查是哪个深度范围内喷粉量不足，需要进行针对性的搭接补喷。一般情况下，为了确保桩身搅拌均匀和喷粉量充足，保证桩体强度和施工质量，施工时都进行了复搅。本工点施工中严格按照施工工艺流程和要求进行，检查结果均符合设计要求，避免了返工浪费。七、质量控制要素粉喷桩成品具有隐蔽性，影响其施工质量的因素比较多，要使粉喷桩加固软土地基效果能够满意，除了地质勘探、技术参数设计之外，钻机搅拌头形式和工艺控制措施也都是非常关键的影响因素。钻头形式主要反映在不同的叶片和不同的喷孔组合上。叶片有单层和多层之分，有的钻头除了主叶片，还增加了两组副叶片。在钻速相同的情况下，搅拌叶片越多，搅拌的效果当然就会越好；在选用叶片较少的钻头情况下，也可以通过提高钻速来增强搅拌效果。喷孔的位置也有区别，有的位于叶片上，有的位于中心轴上，两种喷孔位置会影响到加固料沿桩体横截面方向的喷射效果不一样。简单来说，叶片上的喷孔喷射状态呈外密中蔬现象，而且桩身孔径越大，中空现象越明显，同时喷孔也比较容易堵塞，这种喷孔需要采用颗粒极小的水泥作为加固料。中心轴上的喷孔在高强气压作用下使加固料分布比较均匀，而且适用于颗粒较大的粉煤灰加固料。选用钻头以地理地质条件为主，同时也考虑电力、技术、原料和经济等条件。施工工艺方面的控制主要表现在粉喷量、风压、风量和钻进提升速度控制上。粉喷量应按照设计技术参数进行严格控制，尤其不能小于设计值。粉喷量与风压和风量密切相关，所以在施工中控制好风压风量显得相当重要，而风压、风量又第5页共5页取决于钻进深度、钻头形式以及钻杆提升速度。风压风量过小、提升速度过慢，会造成喷粉困难，喷孔容易堵塞；风压风量过大、提升速度过快，又容易导致水泥分布不均匀，桩身质量没有保障。在喷粉过程中，应随着深度变化，逐渐调节风压、风量及提升速度，使粉喷量基本处于一个恒值。另外，在整个施工过程中，桩位测设、钻杆垂直度、成桩长度等都应控制在设计容许偏差范围内。八、检测与评价施工完成后，经过一定时间的凝固期，在开挖基础时，可进行外观检查，评价桩身水泥土的均匀性和密实度、桩的直径和垂直度。但由于粉喷桩的隐蔽性，即使开挖检查也只是看到桩头部分，而这部分桩体在施工中就已经采取了控制喷粉量和搅拌程度的手段，不能反映出整个桩体的质量，而且桩头在后续施工中将被挖除，对地基加固不起作用，所以主要还是对隐蔽的桩身进行检测。常用的检测方法有静载试验、压桩头试验和钻探取芯试验等几种。本工点采用了钻探取芯试验手段，结果表明桩体强度虽然随深度增加而逐渐下降，但其无侧限抗压强度仍能达到450kPa以上，复合地基的整体效果良好，满足铁路盖板箱涵地基承载力的设计要求。工后一年的地基沉降量仅为7mm，表明粉喷桩加固措施的成功运用。九、结束语影响粉喷桩加固软土地基施工质量的因素很多，从机械、工艺、参数、检测等方面加以控制，以保证加固质量是关键。在我国土木工程建设中，对软基处理的方法已经有很多，但由于铁路工程的专业特殊性，其在粉喷桩的采用上仍不多见，本文对粉喷桩的加固机理、技术参数、质量与工艺控制等方面的分析，可为类似工程提供一定参考价值的借鉴。作者简介：林建武男，1975年9月生，1999年毕业于北方交通大学土木工程系交通土建工程专业，现在深圳广铁土木工程有限公司任助理工程师，曾担任深圳北站大桥东引桥、广州东站人行天桥、龙东铁路复线工程的技术主管。