粉体喷射搅拌在软土地基加固中的应用

□王富强 □仵秋菊 □郭小军（周口市水利勘测设计院）

一、前言

粉体喷射搅拌是在软弱地基内输入粉粒体加固材料（水泥粉或干石灰粉），通过搅拌机械的旋转搅拌使喷入软土中的粉体与软土充分拌合在一起，形成抗压强度比天然土高得多并具整体性、水稳性的桩柱体。由于粉体喷射搅拌法采用粉体作固化剂，不再向地基中注入附加水分，反而能充分吸收周围软土中的水，对含水量高的软土加固效果尤为显著，较其它方法输入的固化剂要少得多，不会出现地表隆起现象。而且该方法在施工过程中无振动、无污染，对周围环境和建筑物无不良影响。因此，目前已被广泛地应用于工程实践。

二、粉体喷射搅拌法加固机理

粉体喷射搅拌常用的固化剂有水泥粉体、生石灰和消石灰，也有的掺入粉煤灰、石膏等外加剂。粉体固化剂与原位土搅拌混合后，使地基土和固化剂发生一系列反应形成稳定的石灰土（或水泥土）。用水泥粉体作固化剂加固软土地基，其水化反应放热直接在地基中，使水分蒸发和吸收水分能力更强。

现以淮阳中学学生公寓楼为例，介绍粉喷桩在软土地基加固中的应用。

（一）工程概况

淮阳中学学生公寓楼位于淮阳县北关淮阳中学校园西南侧，淮阳县农机厂西侧，楼高6层，楼长70.00m，宽15.00m，底层面积1050.00m2，砖混结构。场地处于黄淮河冲积平原，主要地层为新近沉积土，土质松软，地基承载力较低，采用粉喷桩进行地基加固。工程于2009年10月8日开工，至10月29日竣工，历时21d，共打设粉喷桩926根，桩径500mm，桩长8.00m，有效桩长7.50m。完成单桩复合地基静载荷试验2组。

（二）工程地质条件

根据地质勘察报告，地基土主要由第四系全新统冲积成因的粉土、粉质粘土、粘土及粉细砂组成。上部1～5层为新近沉积土，土的结构性差，强度偏低，特别是第2层粘土层，含水量高，干密度小，孔隙比大，压缩模量高，系地基中的软弱土层。勘探期间地下水埋深4.35～4.80m。地下水对水泥固结土无结晶性侵蚀，无分解性复合侵蚀。加固范围内各土层主要物理力学性能指标见下表：

加固土物理力学性质指标表

（三）设计计算

粉喷桩直径为φ500mm，有效桩长7.50m，桩端位于第6层粉质粘土内，其下为粉细砂。根据配方试验资料，每延米桩喷入水泥量为50kg，水泥掺入量为15%，桩顶以下2.50m进行复搅，复合地基承载力标准值≮155kPa。

（四）施工方法

由于桩体比较规则，为了保证质量和工期，施工采用电脑监控行走灵活的PH—5B型打桩机及配套设施，固化剂使用32.5级普通硅酸盐水泥，由于该场地地下水位埋深4.80m左右，上部土质较为干燥，不利于粉喷桩桩体的固结，因此在施工后采用灌水的办法，对每根桩均采用浇水养护法，确保了工程质量。

1.施工工艺

（1）桩机就位。根据桩位平面布置图布桩并编号，搅拌钻机根据施工流水安排对准桩位。本工程测量定位根据建筑公司提供的建筑轴线，采用50m钢尺，先放线定桩位，然后对照图纸复核，保证孔位的偏差、垂直度偏差在规范允许范围内，成孔偏差＜50mm。

（2）下钻、预搅下沉至设计深度。启动搅拌钻机，钻进0.50m后开动空压机喷射压缩空气，同时借助压缩空气减少负载扭矩，使钻进顺利。随着钻进，被加固的土体在原位被搅动切碎，钻到加固深度后停钻。

（3）提升喷粉搅拌。钻机钻到加固深度后，原位反向旋转，启动水泥发送装置，等水泥料送出后，再开始提升。为使土体和水泥进行充分拌合并满足设计喷粉量的要求，以确保粉喷桩体的质量，钻机提升速度和水泥发送装置的转速应严格按照工艺设计的要求控制。

（4）按设计要求重复下沉复搅。为保证粉体搅拌均匀，须再次将搅拌头下沉到设计深度，提升重复搅拌，如果电脑显示喷粉量不足，可补充喷粉，以保证质量。

（5）成桩移孔。清洗管路中残存的水泥浆，并对桩位进行严格复核、核准、核实，确保不漏桩、不错桩，然后将桩机移至另一桩位，施工另一根桩。

2.施工质量控制

地基加固是一项隐蔽工程，地基加固得好坏直接影响到建筑物的安全与使用，因此每道工序，每个操作员都应该严格执行操作规程，严格控制好加固材料本身的质量和喷入数量，保证搅拌均匀，严格按图施工。根据设计要求，采取下列措施：

（1）为保证工程质量，应采用3级管理制度，也就是公司、工程队、班组进行层层落实的方法。

（2）为避免地下掩埋的残留地基及其它障碍物对下钻的影响，应采用钢钎下探，并及时排除障碍物。

（3）下钻预搅，将软土在原位尽量切碎，以利于同水泥粉均匀搅拌。根据实践经验，含水量愈低，则应降低钻进速度。施工中如发现钻机有不正常现象，应立即停钻检查，必要时重打。

（4）严格控制水泥材料质量，水泥进场必须有出厂合格证，而且要由甲、乙双方共同抽样进行复检，合格后才能使用。

（5）严格控制喷粉质量。施工时要有专人负责桩记录，详细记录每根桩的位置、编号、喷粉量等。制桩发送水泥加固材料时，不允许发生断灰现象。如发现异常应停止提升，原地搅拌及时查明原因，若由于罐内粉体已喷完或容器管道漏气所致，应将钻具下沉到一定深度，尽可能不停止送风。在保证水泥质量的前提下，应严格控制喷粉量和提升速度。每根桩平均水泥喷入量与设计值的误差不得＞7%。灰罐中的气压要比管道内气压高0.03～0.05MPa，以保证正常送粉。严防水分进入钻机而堵塞送粉通道，应及时放掉水气分离器内的水。为保证桩间强度满足设计要求，喷粉搅拌要高于桩头0.30～0.50m，并在桩头重复增加搅拌1次。

（五）质量检测

1.桩体轻型动力触探试验

轻型动力触探试验在成桩后3d进行检验，检验数量为总桩数的1%，且≮3根，其N10＞50击，加固效果明显，满足了设计要求。

2.桩体外观检查

为了检验施工质量和软土层的固结程度，在现场挖出了一根桩体，其外观连续整齐，在土质比较疏松的粘土部位，桩柱直径较大，达到φ540mm。

3.复合地基静载荷试验

为检验加固效果，采用慢速维持荷载法分级加载，主次梁系统组成压重平台提供反力装置，平台上堆置砂袋作为试验荷载，压重在试验前1次加上，采用DSD0.8/4高压油泵通过事先经过严格校核的1000kN千斤顶施加于承压板上。用调频式位移传感器对下沉量进行监控，全部装置通过RS—JYB静载分析系统进行监控。

本次试验的二组工程桩根据规范要求，各组试桩在最大试验荷载及以前荷载作用下的沉降量均不太大，且沉降稳定较快，Q—S曲线，S—lgQ曲线均未出现明显拐点，属缓变曲线，S—lgt曲线无明显下弯，且每级变化均匀，表明复合地基在试验荷载作用下无破坏迹象，其承载力满足设计要求。取s/b=0.005所对应的荷载为粉喷桩及其复合地基承载力标准值，较低的一组＞165kPa。

4.沉降观测

在上部结构施工期间，对该建筑物进行了沉降观测，根据沉降观测资料，在结构封顶时，其沉降≯5cm，少量达到了6cm左右，沉降较为均匀。

（六）技术经济效果

软土地区应用粉喷桩具有良好的技术、经济和环境效益，发展潜力较大。但由于其应用尚处于开发阶段，当地工程经验和试验资料均有限，因此需进一步开展试验研究及工程实践。

粉体喷射搅拌法（干法）由深层搅拌法（湿法）改进来的。在原地基承载力较高时，湿法施工比干法施工搅拌可能性大，且搅拌效果更理想，若采用干法施工，搅拌后形成的水泥土均匀性相对较差。另外，当天然地基土的含水量较低时，满足不了水泥水解水化反应的水量要求，从而达不到理想的结果。

三、粉体喷射搅拌法的特点

粉体喷射搅拌法施工使用的机械和配套的设备有单搅拌轴和双搅拌轴的2种机型，二者施工工艺相似，都是利用压缩空气通过固化材料供给机的特殊装置，携带着粉体固化材料，经过高压软管和搅拌轴输送到搅拌叶片的喷嘴喷出。借助搅拌叶片旋转，在叶片背面的喷嘴将压缩空气连同粉体固化材料一起喷出。喷出的混合气体在空隙中压力急剧降低，促使固化材料就地粘附在由旋转产生的土中，旋转到半周，另一搅拌叶片把土与粉体固化材料搅拌混合在一起。与此同时，这只叶片背后的喷嘴将混合气体喷出，这样周而复始地搅拌、喷射、提升（有的搅拌机安装2层搅拌叶片，使土与粉体搅拌混合得更为均匀）。与固化材料分离后的空气传递到搅拌轴的四周，上升到地面释放掉。如果不让分离的空气释放出将影响减压效果，因此，搅拌轴外形一般多呈四方、六方或带棱角形状。