浅析水利工程中粉喷桩在软基处理中的实际运用

庞振 柏叶青 孟凡胜

摘 要：粉喷桩技术特别适用于水利工程中的软地基场合，它能改变软地基的土地性质，有效的提高其承载能力。文章在水利工程软地基的背景下，介绍了粉喷桩技术的原理，然后基于力学理论，详细介绍了该技术的设计参数及设计方法，对其在实际工程中的适用范围和施工工艺等做了细致的讨论研究，最后介绍了该技术质量检测方法。文章研究可为粉喷桩技术在水利工程中的运用提供理论指导和方法支持，并适用于其它类型的软地基场合。

关键词：粉喷桩；软基处理；实际运用

中图分类号：TV553 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）18-0140-02

水利工程多集中在江、河、湖、海边，建筑所处的地基为软土地基，相较于硬实地基，软土地基具有含水量较高、土质中孔洞间距大、易沉降的特点，其土地性质差，可承载能力低。为了防止软地基的沉降对建筑产生破坏，造成事故或经济损失，需要对其进行加固，使其承载力高，性质稳定。当前常用的加固处理办法主要有四种：复合地基法、排水固结法、强夯法与真空预压法。在当下水利工程建筑软基处理的方法中，以复合地基法为主。

粉喷桩技术是复合地基法的一种，通过使用粉状水泥与软土混合搅拌，使软土变得固化、硬实，使其具有强于或类似硬土的稳定性，并能满足一定的强度要求。该技术特别适用于对淤泥质土、粘性土或粉土的强化处理。

鉴于粉喷桩技术的实用性与重要性，本文从粉喷桩技术的实质出发，介绍了该技术的原理与特点，结合当前粉喷桩技术在实际中的运用，基于力学理论给出了该技术的设计方法，指出了其中的核心参数，然后对该技术在工程实际中的应用范围与施工的难点重点作了分析。最后研究了该技术的质量检测方法。

1 粉喷桩技术的原理及特点

当粉喷装机将作为固化剂的水泥搅拌进软土后，水泥中的主要矿物如CaO·SiO2、CaO·Al2O3、CaSO4、CaO·Al2O3·Fe2O3与水发生水化或水解反应，生成氢氧化钙（Ca（OH）2）、CaO·SiO2·YH2O凝胶、三硫型水化铝酸钙（CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）以及单硫型水化铝酸钙（CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O）等，氢氧化钙、铝酸钙水合物中的钙离子（Ca2+）与软土中的钾、钠离子（K+＼、Na+）发生置换反应，生成凝胶胶结土颗粒，颗粒聚集形成较大的颗粒团，从而使得软土固结形成具有良好整体性、水稳性以及较高强度的水泥粉喷桩。

采用粉喷桩技术而成的桩体的力学性能相较于软基原状土将得到明显的提升，例如桩身的无侧限抗压强度可达800～2 000 kPa，地基的承载能力至少可达160～180 kPa，内摩擦角值可高达40？觷。若在该固化剂水泥中再添加适量的煤灰或石膏等外掺剂，其力学性能还能得到进一步的提高。使用该技术形成的桩体不仅在保证工程质量的基础上提高了效率，缩短了工程耗时，还节约了钢材等昂贵建材，具有显著的经济效益。

2 粉喷桩技术设计方法

2.1 水泥土参数选择

确定选用粉喷桩技术进行软基处理后，需对固化剂的种类及粉喷桩的各项参数进行设计。设计时，应根据实地钻探得到的土质数据，如水分含量、矿物组成、酸碱性、土层摩阻力、试验贯穿击数等，加以试验获得的在不同固化剂和掺入比下的复合土力学数据，如抗折强度、无侧限抗压强度、抗剪强度等，综合分析选取固化剂的种类及掺入比。

2.2 单桩参数设计

单桩的参数是指根据桩的截面积、长度以及掺入比计算其容许承载力，其精确值可通过实验室进行单桩载荷试验确定，而在设计时通常采用以下的公式估算：

2.3 桩位布置及置换率设计

2.4 复合地基承载力计算

2.5 软基沉降分析

地面沉降是水利工程中软土基的常见问题，采用粉喷桩加固技术可以有效的抑制地基的沉降。此时通常要求桩身需穿透软土层部分，直达硬土，锥状桩尖的穿透阻力至少要达到800 kPa。在处理沉降问题时，需根据土质情况选择对应的估算法。如在硬基础下的复合地基和软基础下的复合地基应分别采用应力修正法与复合模量法。工程实例表明，未采取沉降分析处理的地基，其将持续发生沉降；而经过沉降分析处理的地基，随着时间的延长，其沉降量将逐渐减小，最终趋于0，有利于保持基础的平稳。

3 粉喷桩技术的应用与施工

3.1 粉喷桩技术的应用

粉喷桩技术可用于软基加固，但并不是指适用于所有软基加固的场合中。在水利工程具有多种背景，如大坝、桥梁、配套建筑、水利管道等不同规模的工程设施，淤泥土、粉质土、垃圾土、硬土、冻土等不同的土质，在技术设施以及粉喷桩力学性能等多重条件的限制下，该技术适用场合有限。粉喷装机的钻头工作深度一般不超过15 m，这就要求粉喷桩作业地区软土层的厚度在15 m以内；为了使处理后水泥土具有较高的强度与水稳性，要求软土的含水量低于60%，偏酸性；粉喷桩的承载容许承载能力则决定了采用该技术处理的土基不适用于建造超过6层的建筑。

在应用粉喷桩技术时，桩体长度与固化剂的掺入比是核心参数，桩体长度会受到粉喷装机的限制，但应保证其长度能够穿透软土层到达硬土层。固化剂的种类及掺入比则应根据各地的土质合理选择，目前工程中多以硅酸盐水泥作为固化剂，若在该水泥中适量添加煤灰、生石灰等物质，形成的粉喷桩的强度会更高。

3.2 粉喷桩技术的施工

为了切实了解施工过程中可能遇见的问题及难点、合理设置粉喷装机的各项参数，需先做成桩试验。根据试验结果，调整机器转速、钻头进给速度、提升速度、气压等，使桩体满足设计要求。在正式施工时，应注意以下问题。

钻机行程线路上不应出现巨石、管道、废旧铁器等障碍物，防止对钻机造成损坏；在软土上应布置垫层，防止钻机在自身重力下陷进软土，使机身倾斜，影响作业；当钻头钻至桩底时，需持续保持钻机工作一定时间，防止桩底未喷粉或喷粉不足；应通过专用计量仪器实时监测钻头的喷粉计量，防止出现喷粉含量不足或停止喷粉的情况，当发生停喷情况时，重新喷粉续桩时的公共长度应大于1m；定时检查钻头及叶片的磨损情况，防止成桩直径偏小或搅拌不均匀；在较深的软土作业时，钻头提升的速度应由缓慢至正常，喷粉的气压在底部时应较大，但整体的气压不应偏离过大，防止喷粉扩散较远形成外坚内软的桩体；为了保证成桩质量，需进行全桩复搅作业。

4 质量检测

质量检测分为单桩的质量检测与复合地基的质量检测。单桩质量检测集中在对其强度的检测上，其手段有外观检测、静力触探、取芯、开挖、载荷及小应变等。复合地基的质量检测则主要关注其承载力与沉降量，手段通常为静力载荷试验。

外观检测与静力触探检测适用于桩龄一周的粉喷桩。外观检测是指剥去粉喷桩外层水泥土，通过对其密实程度、均匀程度的观察判断其质量，越是密实、均匀的桩体质量就越好。静力触探检测则是通过专用触探仪，对占总体3%～5%的桩体进行触探打击，击数越多，桩体强度越高，质量就越好。

取芯检验适用于桩龄一月的粉喷桩，利用岩芯管取占总桩数3%～5%的粉喷桩的桩芯，观察其密实程度与均匀程度，并在桩芯的不同部位磨制已获得不同试件，随后对试件进行无侧限抗压强度试验，根据试验数值判定桩体的质量，抗压强度值越大则质量越好。

对于桩龄在一月或以上的单桩取芯检验不合格的地基，需进行复合地基承载力检验。检验时在复合地基表面取多个测试点，对每个测试点进行静力载荷试验、根据试验的数据确定其承载力，一般测试点个数应在3点以上。

在水利工程中，地基施工完成后并不能立即投入使用，考虑到地面沉降的因素，需进行长达数月的加载预压，一般随着时间的推移，沉降量会大大降低，检测时，若在6个月的预压之后的地基的沉降量值不超过理论计算的沉降量，则判定地基合格。

5 结 语

从本文的研究可以看出，粉喷桩技术原理虽简单，但由于各个地域的差别、不同工程的建筑要求以及其不易控制的工艺，使其实施起来并不容易。我国每年都有大量的水利工程在建或投入使用，粉喷桩技术在软基处理工作中发挥了重要的作用，经过多年实践经验的积累与扎实的理论研究，粉喷桩技术正变得更加成熟和经济，将在未来的水利工程事业中发挥更大的价值。

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