粉喷桩在软基处理中的应用研究

张志军　董政

摘要：分析了粉喷桩加固软土地基的工作原理，总结了在软基处理中的应用经验，对粉喷桩的设计提出了见解。

关键词：粉喷桩 软基处理 应用研究 掺入比 设计

粉喷桩加固软土地基的原理是在搅动软土的过程中，喷射水泥粉、石灰粉等粉体，通过粉体材料与软土及孔隙中水的一系列化学反应，形成丝状、网格状胶凝体骨架或结石，降低软土的含水量，从而提高复合地基的抗剪强度和承载能力。其特点是通过粉体材料的一系列物理化学作用来达到加固的目的。

采用粉喷桩方法加固软土地基具有成桩效率高、成本低、施工占地面积小、无污染、无噪音、无振动等特点，但是在粉喷桩设刘方面仍然存在许多不足，施工工艺方面也缺乏处理事故的灵活性，现根据多年从事用粉喷桩处理软土地基的实践经验，就喷粉桩的设计进行讨论。

一、软土的特征及常见处理方法

1.软土的特征

软土主要为各种因素沉积的淤泥质土，其主要岩土工程特征表现如下：

探灰—灰黑色，含腐殖质或少量粉砂，有机质含量高，厚度不均。总体特征概括为：天然含水量高、孔隙比高、具高压缩性，富含有机质，承载力低，厚度变化大，分布不均匀。

2.常见软土处理方法

近年来常见处理方法主要有两种：一是固结排水法（包括振冲碎石桩、砂袋井、插塑、真空预压、堆载预压法等）；二是深层搅拌桩法（一般为粉喷桩）。

3.粉喷桩设计时应注意的事项

（1）桩端土层对沉降的影响

试验表明，在桩长11m范围内的沉降量与桩尖以下沉降的比值达1∶1.5。其他施工检测资料也证明，当粉喷桩打穿软土层进人较硬的相对硬层时沉降很小；若未打穿软土层，成为悬浮式时沉降就大。地基的过大沉降，说明桩尖下卧软土层的沉降还相当大，而且持续时间较长。目前施工中遇到的深厚层软土越来越多，而且是理论上也需要有一个突破。对下卧层软土的沉降有一个正确的评估，同时在实践中探索处理下卧层软土的方法。

（2）土的含水量对粉喷桩质量的影响

（3）粉喷桩单桩承载力和粉喷桩复合地基承载力的关系

无疑，桩的强度将直接影响复合地基的强度，假设桩的强度不断增加而土的强度依然不变，按照公式的计算，复合地基的强度也会不断增加，然而实际情况并不如此。因为粉喷桩从本质上来讲是属摩擦桩类，当土的强度不变，而且饱和软黏土的强度很低时，在这种情况下，即使不断增加桩的强度，但总的复合地基强度也不会随之增加。特别地，当桩底为软弱土、上部荷载较大时，一味提高桩体强度可能引起桩底刺入破坏。只有当天然土的强度也增强时，整个复合地基的强度才会增加。所以桩的强度应适度，要和天然土的强度相互匹配。当然，桩的强度很低也是不行的。因此，设计中不应一味加大粉体掺入比提高桩体强度来提高复合地基强度。

（4）粉体掺入比及桩土置换率对复合地基强度的影响

在实际设计运算时往往提供所要求达到的复合地基强度、拟定的粉喷桩强度及天然地基土的强度来求桩上的置换率，计算出桩数，然后布置桩位，再作有关的验算。实践证明若置换率过低，如<10％往往达不到设计要求，甚至前功尽弃。这说明作为复合地基的桩土置换率必须大于一定值，否则起不到复合地基的作用，所以规范要求置换率为10％—20％。同时粉体的掺入比也需控制在一定值，规范要求掺入比为7％—15％。如前所述，当软土中含水量>70%．必然加大粉体掺入量，否则将形成不了桩体或形成强度达不到要求的桩体，不能满足设计要求，但是仍然应注意桩体强度和天然地基土强度的匹配，避免桩底剌人破坏。据有关试验研究表明：当掺入比来提高桩身强度并不经济。当加大掺入比仍无法达到要求时，宜采用增加置换率而不是掺入比来提高复合地基强度。

（5）施工时转速和复搅对桩体强度的影响

大量的施工实践已充分证明施工时复搅与不复搅的质量相差甚大。复搅的作用在于使粉体与软土及水得到比较完全均匀的接触和充分发生物理化学作用。同时，钻头喷出的粉体一般呈脉冲状，若不充分进行搅拌，粉体在桩中往往呈层状．形成一种“夹心”，对桩的强度不利。如承受水平推力作用的话，应进行全程复搅，若作为地基加固只承受垂直向力作用，也可以只复搅上部1／3的桩体。为了提高工效，粉喷钻机下钻时可以提高转速，但是当反转提升喷粉搅拌时切莫快速旋转和提升；否则将会严重影响搅拌的均匀性和足够粉量的掺人。

（6）土中有机质含量过高的影响

地基土中有机质含量过高会使土具较大的水容量和塑性、膨胀性和低渗透性，并使土的酸性增加，使粉体的水解反应受到抑制。一般地，当地基土中有机质含量>1％时加固效果受一定影响，且对桩体后期强度不利。因此，设计中如遇土的有机质含量过高时不应一味加大粉体掺入比提高桩体强度来提高复合地基强度。

（7）变参数施工方法

粉喷桩为柔性桩，变形主要发生在桩体上部，下部桩身应力与桩土摩阻力随深度衰减，故桩体破坏主要发生在上部。为避免桩体浅层破坏，宜采用变参数设计的施工工艺，即桩体上部2／3桩长的水泥掺入比比下部增加0.5—1.0倍。

（8）粉体喷入的计量及参数记录

桩的质量与粉体掺入比的多少有直接关系，如何计量粉体便成为关键。从理论上讲，气体和固体双相流的计量具有很大难度，但又非常重要，目前使用的灰罐体积测量法、电子秤称重法、弹簧秤称重法等均不是很理想的计量方法。最近武汉某些单位通过对粉喷桩施工自动控制装置的研制，采用电脑记录仪记录施工参数和施工状况以及各时段的喷灰量，它可以较大程度地克服现有计量装置所产生的误差，同时也提出了改进目前电子秤称重法的方案，从而使得粉喷桩施工工艺更趋完善，质量更加可靠。

二、结束语

（1）粉喷桩复合地基是桩体与桩间土的协调统一体，设计应充分考虑桩体强度与桩间土强度的协调一致，故加固前的室内试验必不可少；

（2）软土太厚，机械设备性能有限时，可按规范进行下卧软土的强度验算，并计算下卧层的沉降，一般认为存在临界桩长；

（3）根据复合地基功能及机械性能确定施工工艺，设计宜提倡采用变参数法施工以减少工程投资，施工宜采用“四搅四喷”及电脑记录仪来提高施工质量；

（4）针对软土成分，合理选择固化剂、外掺剂及确定合理的施工参数。