粉喷桩技术在高速公路软基处理中的应用分析

吕鹏华

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京　100097)



粉喷桩技术在高速公路软基处理中的应用分析

吕鹏华

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京100097)

粉喷桩技术是地基工程中常用的一种地基加固技术，对软基处理简单有效。文章阐述了粉喷桩技术的优点与加固机理，并以广东某高速公路工程为例，介绍了粉喷桩技术在高速公路软基处理中的施工工艺及质量控制方法。

粉喷桩；高速公路；软基处理；施工工艺

0　引言

随着我国高速公路建设步伐的不断加快，公路线路需穿过的地质地形条件愈来愈复杂多变。软土地基是公路建设中普遍会遇到的地质问题，如何根据软土地基的不同特征，使用适合的处理方法，保证工程质量和安全是工程项目的重中之重。目前，国内常用的地基加固方法有粉喷桩法、堆载预压法、强夯法、换填法等。其中，粉喷桩固基法具有施工速度快、时间短、沉降小、对相邻建筑物无不利影响等特点，被广泛用于国内公路路基加固工程中。

1　软土固基技术

由于软土地层通常压缩性高、含水量高、抗剪强度小、排水固结稳定性差，导致其地基承载力低。当这样的软土路基受到上部荷载时，稳定性极差，通常会发生大规模的不均匀沉降，并且持续时间较长。所以，在软土地基上修筑公路时必须对地基进行加固处理[1]。

1.1粉喷桩技术发展现状

常用的地基加固措施分为土质改良和复合地基两种。实践证明，对于高速公路这类工期较紧的工程，利用水泥土搅拌桩复合地基对软土地基有良好的治理效果，但处理费用也相对较高。水泥搅拌桩是由水泥与软土搅拌形成的固结桩，分为深层搅拌桩(水泥浆与软土)和粉喷桩(水泥粉与软土)。

粉喷桩是一种新型软土加固技术，我国于1977年开始由国外引进，1984年首次在铁路专线软土地基上应用成功，1992年在全国范围内推广。目前，该技术在铁路公路修筑、港口码头、市政及民用建筑地基处理的应用中取得了良好的社会经济效益[2]。

1.2粉喷桩技术的优点

粉喷桩技术经各国的广泛研究应用，已经十分完善，成为水中、陆地、地基、基坑皆宜的软土处理技术。该技术的加固深度和加固效果与施工设备的优劣程度有直接关系，具有施工简便、工期短的优点，且在施工时无振动、无噪音、无土体位移，对工程环境影响很小。随着技术的不断成熟，施工成本也逐渐降低。研究实践表明，粉喷桩加固软土地基技术能有效减少工程地基施工前后的总沉降量，比其它软基处理方法具有更显著的优越性。这些优点决定了该项技术在软弱地基加固处理中有着广阔的发展前景和旺盛的生命力。

1.3粉喷桩复合地基加固机理分析

当软土地基受到上部荷载作用时，软土由于高压缩性发生固结而引起体应变，以及由于土体受剪而引起剪应变，加上地层土体的不均匀性，地基会发生各种各样的变形，并且其中的剪应力和变形会随着路堤的填筑引起的载荷增加而不断增大，当达到一定程度时，就会引起地基的整体失稳破坏。软土加固处理的目的是改善软土的特性，提高其抗剪强度和抗压强度，减小沉降和不均匀沉降，使路堤不致发生破坏或较大变形。水泥粉喷桩的工作机理如下：

(1)桩体作用。钻头喷出的水泥粉与软土混合搅拌后形成了粉喷桩。由于桩体的抗压强度、抗剪强度以及刚度都要大于桩体周围的软土基，在路堤重力载荷下，桩体首先着力支撑，应力也在桩体上表面集中，桩体承受了大部分的填土载荷，使得软土基应力减小，经处理地基的总体承载力有所提高，沉降量减小，这种作用称为桩体效应或置换作用[3]。

(2)垫层作用。粉喷桩桩体与软土层形成了一个复合地层，该地层的力学性能由于天然软基地层，有着增大应力扩散角和均匀应力的作用。如果桩体没有贯穿此复合地层，则加固效果更加明显。

(3)挤密作用。桩体在搅拌施工成形过程中，需不断地集中注水，桩体中的水泥粉吸水后会发热膨胀，对周围软土起到挤密的作用。

(4)加筋作用。桩体不仅提高了地基承载力，同时提高了土体的抗剪能力，增强了地基稳定性。

2　工程应用

2.1工程地质

广东某高速公路修筑过程中对桥梁两侧软基地质进行处理。地质情况见表1。

表1　施工区域地质概况数值表

注：f为容许承载力基本值；E为压缩模量。

2.2施工机械

粉喷桩的施工质量同机械密不可分，其施工机械主要有：钻机、空气压缩机、粉体发送器等。本工程使用SP-5A型大扭矩粉喷桩机，主电机功率45 kw，粉体发送器功率1.5 kw，地基加固深度18 m，桩体直径500 mm，钻杆规格125 mm×1 260 mm，原料罐体容量1.3 m3。钻机是主要施工机械，要求钻进快，扭矩大，钻头破土能力强，钻杆可以匀速提升，喷灰时能与土壤充分搅拌均匀，在钻头提至地面时不会使粉灰和土壤翻升[4]。

粉体发送器是用来定时定量发送水泥粉的设备，由空气压缩机和气水分离器提供高压的干风，风量由节流阀控制，在喉管处由“转鼓”定量放出粉体，然后与高压干燥空气充分混合成喷射原料。原料通过管路及旋转接头，经空心钻杆由钻头喷口喷入钻孔，与软土搅拌混合(见图1)。

粉料的配比比例以及供风量须按照实际工程地质条件，在进行室内试验后方可确定应用[5]。

图1　粉体发送器原理示意图

2.3软基处理施工方案

在桥头两侧软基段采用粉喷桩处理，设计方案为：圆柱形粉喷桩直径为0.5 m，呈梅花形布列，设计桩间距为1.5 m，桩深度为12 m，固化材料选用普通硅酸盐水泥，粉喷桩水泥的用量控制在48～50 kg/m。

工艺参数如下：

(1)钻进速度：V=0.5～0.8 m/min；

(2)提升速度：VP=0.5～1.0 m/min；

(3)搅拌速度：R=2 000～5 000 cm/min；

(4)空气压力：P=0.3～0.8 MPa。

开始钻进时，只送风不喷送水泥粉体，初始风压为0.1～0.2 MPa，风量为20 L/s，钻机立轴转速30～50 r/min，钻进速度应≤1 m/min。然后提升喷粉，应控制提升速度为0.8 m/min，转速50～60 r/min，风量为18 m3/min，灰罐管路压力差为0.02～0.05 MPa，灰罐料斗压力为0.4～0.5 MPa，管路风压为0.1～0.2 MPa。

2.4施工工艺流程

(1)确定施工路段边线桩，并在现场标示清楚，平整地面作为粉喷桩施工现场。

(2)按照设计图纸，准确定出桩位，并校准。

(3)粉喷桩正式施工前打10根桩进行试桩，试桩完成28 d进行检测，合格后以试桩的数据指导进行正式施工。

(4)安装钻机，调试设备，调整地面平整度及钻机导向架的角度，保证成形的粉喷桩符合垂直设计的要求。

(5)搅拌机开机预搅下沉，钻进过程中一般不冲水，如果遇到坚硬土层必须冲水时，应上报工程师，对冲水对桩身强度的影响进行评估。

(6)待钻头下沉至设计深度后，启动输粉泵，将水泥灰按设计用量及次数，在规定深度，由喷灰口连续喷射同时经搅拌头搅拌均匀，当钻头提升至距地面0.5 m处停止喷粉。

(7)重复上述工序完成多个搅拌桩，最后用土回填桩头，并进行压实养护。

(8)派专人记录泵送灰料的时间、用量以及具体施工情况，如发现违规操作或不符合施工要求的情况应及时采取措施，进行调整，确保成桩质量。

(9)粉喷桩全部打完后，对每一根进行质量检测。

3　结语

本文通过对广东某高速公路软基地质采用粉喷桩技术进行处理，取得了良好的加固效果，表明粉喷桩工艺可以大大提高淤泥土质、粉质黏土等软土的承载力，有效控制地基变形与下沉，具有很好的应用推广价值。

[1]孙杰，王德庆，黄可良.粉喷桩处理淤泥质粉质黏土夹粉砂软基技术[J].市政技术，2011(S1)：1-3.

[2]王银钢.浅谈高等级公路粉喷桩处理软基施工技术[J].甘肃科技，2014(6)：110-112.

[3]张娜，李博.试论粉喷桩技术在高速公路软基处理中的应用[J].企业技术开发，2014(23)：69-70.

[4]张磊.粉喷桩技术在高速公路软基处理中的应用[J].科技广场，2010(9)：198-200.

[5]余朝蓬.软基处理中的粉喷桩施工技术研究[J].城市道桥与防洪，2008(7)：108-110.

Application Analysis of DJM Technology in Soft Foundation Treatment of Expressways

LV Peng-hua

(China Highway Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Beijing，100097)

DJM technology is a common foundation reinforcement technology in foundation engineering，which is simple and effective for soft foundation treatment.This article discussed the advantages and re-inforcement mechanism of DJM technology，and with an expressway project in Guangdong as an example，it discussed the construction process and quality control method of construction of DJM technology in soft foundation treatment of expressways.

DJM；Expressway；Soft foundation treatment；Construction technology

U416.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.011

1673-4874(2016)03-0041-03

2016-02-05

吕鹏华(1981—)，研究方向：公路路基路面。