粉喷桩技术在高速公路软土地基加固中的应用

牛付洋

【摘要】阐述了用粉喷桩施工技术在软土地基的应用，并提出了保证施工质量的几点措施，对工程施工中，如何处理软土地基提供有效的借鉴。

【关键词】粉喷桩；软基加固；质量控制措施

1 工程概况

某高速公路施工标段全长约4.6km，其中软土路基长约560m，多属冲洪沉积和湖海积土层。其表层土体主要为黄褐、灰黄色的亚粘性土和粉土层，局部区域内分布有中粗砂、砾砂混粘土层；上部土体为湖海积层的淤泥质软土和粘性土，含水量相对较高，局部范围内夹杂有砂土层，该土层厚度相对较大，最厚处达35m左右；下部土体主要为冲洪积相的亚粘土层和黏土层，小范围内还分布有砂砾、卵石夹土层，且砂砾、卵石夹土层呈带状断续分布，土层厚度变化相对较大；底部土体则主要分布有坡洪沉积形成的碎石土层。为避免该高速公路施工及后期使用期间路基的不均匀沉降或沉降不稳定等问题，在路面施工前对区段内的软土路基进行了相应的加固处理。

2 加固方案选择

通过对比分析各种软土地基加固处理施工技术，从技术先进性、投资成本、施工进度以及环境友好性等方面综合考虑，拟采用水泥粉喷桩对该公路区段内软土路基进行加固施工，其造价稍高，但施工进度相对较快，短期内能够达到较好的加固效果，综合效益相对较好。实际设计与施工过程中，水泥粉喷桩设计直径为400mm，桩长6～9m，以粉喷桩桩身穿过地基持力层为标准，整个施工场地范围内桩身间距为1.2m，并采用平行方式进行布置。

粉喷桩加固原理及设计粉喷桩就是在软土地基中强制喷入粉体加固材料（水泥或石灰），通过搅拌机器与原位地基土强制性的充分搅拌混合（类似三合土地基），使地基土和粉体加固材料胶结，产生一系列的物理化学作用，硬化后即可形成具有整体性，水稳性和一定强度的柱状固结体，即粉喷桩。其强度明显大大高于原土层的强度。粉喷桩与桩间土组成复合地基，达到加强地基的作用。

3 粉喷桩关键施工技术

粉喷桩利用喷粉搅拌机钻进软弱土层进行土体切割搅拌压缩空气将粉体固化剂从钻头上的喷嘴向四周土体选装喷射，钻头上的叶片切割四周土体使其他固化剂搅拌混合胶结硬化后形成一定直径的粉喷桩体，桩体于桩间土形成复合地基，共同承担外部荷载。

3.1施工设备的选择

施工过程中，采用2台额定功率为55kW的液压步覆式PH-5粉喷桩机，以及2台空气压缩机，其额定功率为30kw，能提供的最大压力为0.6MPa，风量控制在3～5m3 /min，其他施工设备还包括灰罐机（2台）、氧割机、电焊机、经纬仪、全站仪等。

3.2施工前期准备

按设计桩位布置图预先排列粉喷桩的施工编号（实际施工中每20m为一个施工区段），将表层土体的杂物清理干净并整平地面后，每一施工区段的施工桩位按等间距平格网放样定位，放样完成后，用石灰粉标记各桩身的位置，并用棍棒插记准确的桩身中心位置。

3.3钻机就位

先初平移动钻机机身，再微调钻机钻头，确保钻头对准标定的桩位中心，对孔误差应控制在3cm范围内；调整钻机机身平台，通过钻机上的水平测定装置来控制机身的平整度；调整钻机机身井架及钻杆的竖向垂直度，调整钻机的主轴垂直度，其倾斜度应控制在1%范围内，以确保钻杆的入孔倾斜度在1%范围内；同时连接安装相应的电脑记录仪，通过电脑记录仪可以实时掌握每根桩的钻进深度、瞬时喷灰量、总喷灰量、复搅深度、复搅时间等施工技术指标，使整个粉喷桩施工过程由电脑控制，实现信息化施工。正式施工前，还应开机检查所有的连接管线是否联通密封，以及调配的储灰量是否足够。

3.4钻进施工

启动空气压缩机，确保钻机在持续稳定地送风状态下进行钻进施工。根据粉喷桩施工技术要求，钻机应正向逐级加速转动并边搅动边下沉。随着钻机钻杆的不断深入，土体在孔内被原位切碎搅拌。当钻入至设计深度时，应逐渐降低转速，并使钻机原位低速钻动2～3min。实际钻进施工时，应根据连接电脑显示的施工信息并结合施工经验，确定钻入地层的土体结构以及钻杆钻进深度。

3.5成桩

当钻头钻进至持力层设计深度后，暂停钻杆转动并开启灰罐机进行水泥浆送粉施工，同时缓慢提升钻头并使钻头呈反向旋转状态，通过灰罐机发送器将水泥浆体喷入正在被搅动施工的孔内土体中，并确保土体和水泥浆体充分拌和均匀。整个粉喷桩的成桩过程，即为喷注水泥浆、钻头搅动、钻杆提升的连续操作过程。当钻头提升至距离地表约30～50cm时，可停止水泥浆送粉施工，使钻头在孔内原位搅动约1.5min后再重复正向钻进至桩身设计深度位置。

3.6施工影响因素

根据大量粉喷桩施工实践经验，影响粉喷桩施工的主要因素如下：

1）钻杆钻进和提升速度的控制

当采用较慢的钻进速度施工时，孔内土体搅拌的均匀程度和捣碎程度均较好，水泥浆的加固效果优异，但钻进速度过慢时，容易导致项目施工进度延后，影响工程的综合效益。所以，应综合考虑，寻找加固效果和施工进度二者之间的平衡点。

2）灰罐注浆压力和送风气流压力的控制

连接管道内的压力由灰罐注浆压力和送风气流压力组合形成，钻杆下钻过程主要由送风气流压力辅助控制，钻杆提升喷粉成桩过程则由灰罐机送粉器和气流阀控制，并保持适当的压力进行喷粉注浆施工。当灰罐机喷注水泥浆压力不足时，则容易产生停灰现象，导致粉喷桩身的结构连续性问题，最终造成使用期间地基的不均匀沉降；当灰罐器喷注压力过大时，则不易控制连接管道内的送风气流压力。当送风气流压力过大时，可能导致孔内水泥土向孔壁周围过度挤压，从而破坏桩孔周围土体的初始结构状态，甚至可能引起局部空间形成空洞，导致土体强度骤降；当送风气流压力过小时，则易产生喷灰口堵塞现象。

3）钻头类型和形状的选择

选用螺旋式钻机钻头。在钻进施工过程中，当出土口位置的螺纹距离小于螺纹中上部的螺距，且其螺片尺寸相对较小时，容易产生出土不畅现象。尤其在淤泥质土层进行钻进施工时，钻头容易将孔内桩周土体搅成空腔而使桩孔呈蒜头形状，从而引起上部桩身整体下沉。在后期钻孔成桩施工过程中，如选用改进的开口螺片状钻头进行钻进施工，桩身下沉现象则基本消除。

4 施工质量控制

1）确保粉喷桩测量定位的精度。在桩机调整就位后，应先进行桩机的水平调整操作，避免施工过程中发生桩身过度倾斜的现象。由于水泥粉喷桩施工属于隐蔽工程，一旦工程结构存在缺陷，则难以开展补强施工，因此必须严格按照设计及规范要求，并结合试验桩的施工技术及工艺参数进行施工，同时应严格控制桩机的钻进速度、钻杆提升速度、水泥浆喷灰压力、送风气流压力、单位桩长水泥用量、复搅时间和深度等关键工艺参数。

2）必须加强施工现场管理，施工选用的机械设备必须根据施工技术要求配备完整，所有的机械设备应具有足够的可靠性及配有熟练的操作师，设备的各项功能指标应符合设计要求。

3）成桩施工过程中，应一次连续完成成桩操作。若因特殊原因中断施工，当搅拌机重新起动时，为防止断桩，应将钻杆先下沉0.5～1m后再提升钻杆进行成桩施工，且该段喷注水泥浆量应≮50kg。

4）在进行重复搅拌时，应该控制提升及下沉速度，确保地基加固处理的深度范围内每一个位置都有得以充分的搅拌。

5）原始施工记录应对每桩的深度、加灰量等情况及时、准确进行现场记录，严禁事后补 记，并及时移交给施工技术负责，施工技术负责应及时汇总、登记。施工技术人员负责人应随 时检查施工记录，并对每根桩进行质量评定。对于不合格桩应根据其位置和数量等具体情况， 分别采取补桩或加强邻桩等措施。

结语

软土路基因其土体内聚力小、天然含水量高、压缩性大、承载力低等特点，成为高速公路路基施工中不可忽视的技术问题，若处理不当，则会严重影响后期路基路面结构层的施工质量，甚至导致高速公路后期使用過程中产生路面沉陷、裂缝、失稳等工程质量问题，严重影响了高速公路的正常使用功能。因此，在采用粉喷桩施工技术对高速公路软土地基进行加固处理时，一定要注意每道工艺环节，确保整个路基加固工程的施工质量。