粉喷桩技术在铁路便桥墩台地基加固中的应用

李 旭，谢在巍

(沈阳铁路局科学技术研究所，沈阳 110013)

粉喷桩是深层搅拌桩的一种，水泥粉喷桩采用水泥、石灰作为固化剂，通过喷搅机械，用压缩空气将水泥粉体以雾状喷入地基土中，与原地软土就地强制拌合;利用水泥吸水和与周围土颗粒发生水解、水化反应并进行阳离子交换等一系列物理化学作用，硬化后形成整体性强、水稳性好和足够强度的水泥土桩体，桩体和桩周土共同形成复合地基，从而起到加固地基的目的。粉喷技术作为一种具有广泛适用性的地基处理技术，具有很高的推广价值和良好的发展前景。本文结合工程实例，介绍粉喷的设计和施工实践。

1 工程概况

此工程位于长白线K124 km处，由于正线大修换梁，拟建一便桥临时通行，便桥为2孔跨度16.0 m梁桥。桥墩底下为粉土层，天然承载力标准值只有80～100 kPa，无法满足墩底设计承载力300 kPa的要求。为解决桥墩施工时地基承载力不足以及桥墩施工完毕后基础沉降的问题，拟采用粉喷桩对基础持力层土进行加固。设计中曾比较了钢筋混凝土灌注桩和粉喷桩两种方案，灌注桩造价过高，工期长;而粉喷桩不仅可以提高地基承载力，而且造价低，工期短，完全可以满足便桥墩台的承载力和沉降要求。

根据《工程地质报告》，地层岩性基本特征自上而下如下述:

1)杂填土:层厚0～0.90 m;

2)粉土:灰色及灰绿色，0.90～3.50 m，软塑，夹薄层粉砂，基本承载力标准值为100 kPa;

3)粉质黏土:灰色及灰绿色，3.50～5.10 m，软塑，承载力标准值为80 kPa，钻孔桩桩周摩擦力qs=5 kPa;

4)粉砂土:灰色，饱和，5.10～6.40 m，中密，承载力标准值为140 kPa，钻孔桩桩周摩擦力qs=12 kPa;

5)细砂:灰色，饱和，6.40～13.20 m，中密，承载力标准值为280 kPa，钻孔桩桩周摩擦力qs=22 kPa;

6)粉质砂岩与泥质页岩互层:灰绿色及紫红色，风化严重，呈碎屑状，13.20～18.20 m，承载力标准值为 300 kPa，qs=25 kPa。

本次勘探期间，稳定水位0.82 m(受水田及水坑影响)。

2 设计方案

1)桩体直径确定

本工程桩体直径初步定为0.60 m。按梅花形布置。

2)注浆材料的选择

规范中规定水泥和石灰都可作固化剂，选用水泥时建议采用矿渣水泥。根据试验结论，矿渣水泥的前期强度低于普通硅酸盐水泥，而后期强度则相反，所以从经济及后期强度方面考虑采用矿渣水泥。

3)水泥掺合比的确定

搅拌桩身的水泥土抗压强度 fcu，k主要根据室内强度试验确定，本工程选用32.5级矿渣硅酸盐水泥，每米桩长水泥喷入量为50 kg。桩身强度随龄期增大而增大，以90 d龄期强度作为标准强度，水泥土无侧限抗压强度≥1.6 MPa，28 d强度应达到标准强度的60% ～75%。

4)桩长的设计

粉喷桩与柔性碎石桩、砂桩和刚性的混凝土桩相比，属于一种过渡性质的桩体，兼有刚柔相济的双重性。从经济技术的角度考虑，在桩径不变的条件下，提高复合地基承载力的合理途径应是提高水泥标号和置换率，增加复合地基的抗压强度。

按《建筑地基基础设计规范》GBJ 7—89第三章第二节的有关规定计算。

考虑到粉喷桩端部喷粉量较小，且原状土已被扰动，故一般不计粉喷桩端部的支承力，但对长度<10 m的桩(本工程)，则应计及粉喷桩端部的支承力。

单桩竖向承载力标准值 (取较小者)

sppp0.196×280=181 kN

则m=0.46

0#台:墩底面积6.9 m×4.7 m，桩长7 m。

1#墩:墩底面积6.0 m×4.8 m，桩长6.5 m。

2#墩:墩底面积4.7 m×4.7 m，桩长9.0 m。

按国家标准《建筑地基基础设计规范》GBJ 7—89的有关规定，桩长以穿透粉砂土层，进入细砂层0.5 m为原则，计算得出桩长6.5～9.0 m，现场布置桩间距0.7 m，0#台下钻孔 77 根，1#墩下钻孔 72 根，2#墩下钻孔53根。共计202根桩，1 484延长米。粉喷桩装置如图1。

图1 粉喷桩布置立面(单位:cm)

3 施工方法

3.1 主要机械人员配备

XJ-100型桩机3台;工长1人，电机操作员2人，钻杆工3人，上料员2人，试验员1人，机修工1人，共10人。

3.2 施工前准备

组织人员对施工现场进行实地踏勘，收集有关通信、信号等各种地下管线埋设情况的资料;现场做到三通一平。

施工前应当在施工现场选择适当的位置进行钻探并提取原状土样及水样，在室内做土工实验，确定持力层土天然承载力等各种物理力学指标。同时在现场进行成桩试验，数量≥5根，以确定该地段的成桩工艺及各项技术参数;成桩7 d后进行开挖检查桩体成形情况、搅拌均匀程度等。最后确定本工程的技术参数为:钻进速度不大于1.5 m/min，提升速度不大于0.8 m/min，管道压力非喷灰时介于0.1～0.2 MPa之间，喷灰时介于0.25～0.40 MPa之间。

根据基准点或者基准轴测放桥梁墩台轴线及轮廓线，并根据事先设计的加固处理方案图测放各注浆孔位置，并在以后的施工中经常复测桩位标志的准确性。

3.3 粉喷桩施工

1)钻机就位:在进行钻孔施工前技术人员应当二次复查放线孔位是否准确，钻孔施工必须严格按设计的位置、角度、次序进行。吊钻机对准位后，使钻杆垂直，倾斜度<1%，桩位偏差<5 cm。

2)钻进:启动钻机，钻头旋转钻进，喷入压缩空气而不喷入粉体。

3)停钻:当钻进到达设计高程后停钻。

4)提升:启动钻机，钻头反向边旋转边提升，同时通过粉体发送器将水泥喷入土中，使土体与粉体进行拌合。

5)停喷:当钻头升至距原地面50 cm时停止喷料。

6)复搅:重复搅拌至桩长三分之一提升钻头，搅拌至第一次停喷的位置，成桩结束。大量的施工实践已充分证明复搅对桩体质量影响很大。钻头喷出的粉体往往呈脉冲状，若不充分搅拌，粉体在桩中呈现层状，形成一种“夹生”，这样的桩即使水泥掺入量再多也没有强度。复搅的作用在于通过充分的搅拌使粉体与土、水得到比较完全的接触与作用，促使桩体的形成。为了确保搅拌的均匀性，施工时要严格掌握好钻机提升速度、搅拌叶旋转速度等，并应尽量采用全桩复搅以保证质量。

3.4 工程质量检测

1)随机取样，水泥土试块90 d抗压强度试验结果表明，平均强度最小的一组试块为2.0 MPa，大于设计值1.6 MPa，满足设计要求。

2)成桩28 d后在桩体上部(桩顶以下0.5 m、1.0 m、1.5 m)截取三段桩体进行现场足尺桩身无侧限抗压强度试验。

3)在取得粉喷桩材料与波速关系的前提下，可采用小应变动测法进行桩长及桩身完整性的定性检查。

4)对于重要工程或者对沉降要求较高的工程应做桩及复合地基静载荷试验。本工程复合地基承载力标准值340 kPa，大于要求达到的复合地基容许承载力标准值300 kPa，说明水泥土凝固效果好，成桩工艺满足设计要求。

4 工程体会

综合本工程实践，总结粉喷桩有如下优势:

1)设备简单、容易操作，机械化程度高。而钻孔灌注桩存在钢护筒制作与安桩、泥浆制备、钢筋笼绑扎与吊装、超声波监测等复杂工艺，且施工难度大，还存在坍孔与断桩等危险因素。

2)劳动强度低、投入劳力少，施工进度快，施工场地不受限制，工期短。

3)采用粉喷桩对地基加固，从工程造价上较钻孔灌注桩节省投资约20% ～30%，较预制桩节省约30%～40%。因此在地基加固中采用粉喷桩实为一种效果好、成本低的地基处理方法。

桥梁通车后，对桥梁的使用情况和桥梁基础的跟踪调查结果表明，地基最终沉降量满足设计规范要求，使用效果良好，保证了便桥过渡的作用，证明了粉喷桩应用于小型桥涵的地基工程中是成功的。

[1] 中华人民共和国建设部.JGJ79—2002 建筑地基处理技术规范［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

[2] 中华人民共和国建设部.GB50007—2002 建筑地基基础设计规范［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

[3] 地基处理手册编写委员会.地基处理手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

[4] 施爱华.深层搅拌桩加固高速铁路软土地基的试验研究［J］.铁道建筑，2007(8):52-55.