水泥粉喷桩在拦水坝软基处理中的应用

陈斯敬

【摘要】软土地基由于其特殊的地质特征，在水利项目的施工过程中必须对深厚的软土进行特殊加固。水泥粉喷桩作为常用的软土地基处理方法，在水利项目中得到广泛应用，并取得良好效果。本文主要结合拦水坝项目的管理实践，对拦水坝软基处理中水泥粉喷桩的技术应用进行了探讨。

【关键词】水利工程；水泥粉喷桩；软基处理

1、项目概况

泉州台商投资区百崎湖区整治及防洪排涝系统工程（拦水工程）位于亚洲艺术公园内，在1#行车桥下游建设一座埋石砼拦水坝以确保公园内湖区的景观常水位达到1.0m（85国家高程），拦水坝设计坝高2.5m，坝长141.5m，坝顶宽2.0m，上游侧直立，下游侧台阶状布置。

根据现场钻探揭露，工程地层依据岩土成因和岩性风化特征，自上而下依次为：素填土、粉质粘土、淤泥、中砂、粉质粘土、残积砂质粘性土、全风化花岗岩、土状强风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、中风化花岗岩，其中淤泥钻孔揭露厚度达到6.30～11.00m。坝体基底坐落在淤泥质土层上，设计采用水泥粉喷桩进行处理，桩径500mm，桩距1.15×1.15m，有效桩长11.8～13.3m，共有工程桩1016根，桩端穿透砂层，以进入砂层下部土层一定深度为原则。

2、水泥粉喷桩加固机理

水泥粉喷桩是采用特制的深层搅拌设备，利用水泥可以固化的特性，在钻进的同时，将水泥通过压缩空气的传送，与地基深处的软土强制均匀拌合，使之产生充分的物理化学反应，将地基深处的软土固化成有整体性、水稳性和一定强度的水泥土桩，与桩间土共同作用成复合地基，由桩柱体和桩间土共同受力承受上部荷载，从而加固了地基。

水泥粉喷桩与其他加固体系相比，具有下述显著的优势：其一，加固工艺合理。在施工过程中仅向土层中喷射水泥，无需注入附加的水分，使水泥能充分吸收软土中的水分，因此加固后的地基承载力与相类似的浆喷柱相比要高，加固效果更好。其二，施工工艺成熟，施工方便。有成套的粉喷桩施工机械，制桩过程完全机械化，同时可以直接在含有地下水的地层中施工，大大提高了成桩效率。其三，施工时低压操作，安全可靠，无污染，无大振动，对周围环境及建筑物无不良影响。

3、软基处理设计要求

本工程水泥粉喷桩采用一喷两搅的工艺进行施工，桩长按设计要求至粉质粘性土层为准。采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥掺量经试桩后确定为12%。水泥土强度28天龄期无侧限抗压强度不小于1.5Mpa，竖向承载的水泥土搅拌桩复合地基承载力不小于150kpa。

4、施工质量控制

4.1 施工工艺

施工工艺流程为：场地平整—钻机定位、调平—预搅下沉至设计深度—粉喷桩边喷粉边搅拌提升（为防止空气污染，在提升距地面0.5m处停止喷粉）—搅拌提杆出孔—钻机移位。

4.2 施工准备阶段的控制

4.2.1 原材料及机具的控制

水泥宜选择信誉良好、质量稳定的大型厂家生产符合设计要求的42.5普通硅酸盐水泥，试桩施工与大规模施工时采用的品牌、标号需一致，并经检验合格后使用。同时，水泥的堆放应符合防潮要求，严禁使用过期、受潮、结块和变质的水泥。

深层搅拌机是施工的关键，粉喷桩施工设备应选用定型产品，并配有全自动电脑记录仪的设备，严禁使用没有管道压力表和计量装置的设备。计量装置须经计量部门认定，合格后方可用于施工。

4.2.2 配合比试验和工艺试桩的控制

施工前进行拟处理土的室内配合比试验，以检验加固该种软土的适用性和不同掺灰量下的桩身强度情况。试验过程，要求监理人员进行全程旁站监督，以保证试验结果准确可靠。

根据室内配合比试验结果，进行现场工艺性试桩，以验证室内配合比，确定适合该场地的各种操作技术参数并以此掌握该场地条件下的成桩经验。本工程经试桩确定的主要施工技术参数为：喷粉管道压力0.6Mpa，钻进速度1.0m/min，提升速度0.7m/min，12%水泥掺入量平均水泥用量为51.2kg/m。

4.3 施工阶段的控制

4.3.1 喷粉量不足或不均匀的处理措施

粉喷桩施工的关键是确保均匀和足够的喷粉量，以保证桩身的强度。施工过程发现喷粉质量不足时，应及时采取复喷或补喷等措施，补喷重叠不小于1m；施工中遇到土的密实度对喷粉量影响较大时，应及时调整送粉器的转速。同时，为确保过程质量，要求施工管理人员和旁站监理随时对喷粉量进行检查，并做好记录，以便进行对比分析。

4.3.2 钻进困难的处理措施

钻进困难一般发生在密实度较高和含水率较低的土层中，易使钻头叶片变形，无法喷粉。可采取钻进时沿钻杆外缘浇水的方法，或更换高强度叶片钻头，如仍无法钻进，就须更换大扭矩大功率钻机。钻进困难也可能是地下存在尚未清除的孤石等其他障碍物，应及時停机移位，排除障碍物后重新复位开机，当障碍物较深又难以排除时，及时与设计相关单位沟通结合实际情况协商处理措施。

4.3.3 桩径变小的处理措施

桩径变小，单桩承载力下降，出现这一问题的原因有：空压机压力太小；桩周土质密实，粉体颗粒所受阻力过大；钻头磨损使喷嘴变大，压力下降。因此，施工过程中应随时检查粉喷桩的成桩直径，对使用的钻头须定期复核检查，其直径磨耗量不得大于20mm，否则就要更换或加固焊接。

4.3.4 断粉或短桩的处理措施

若在桩体局部没有喷粉现象，造成断粉或桩长小于设计值，即短桩，使桩体不能正常传递荷载，直接影响复合地基承载力。造成这一现象的原因有：水泥有结块、纸屑等杂物；切土下沉时没有送气，使喷嘴被泥土堵塞，操作配合不当，钻机提升过早，拔管速度过快。施工中须严格控制钻机下钻深度、喷粉高程及停灰面，确保粉喷长度，严禁未达到设计加固深度及尚未喷灰的情况下进行钻机提升。

4.3.5 异常情况的处理措施

在送粉过程中如发现压力突然下降、灰罐加不上压力等异常情况时，应立即停止提升，原地搅拌，及时判明原因。若由于灰罐内水泥粉体已喷完或容器、管道漏气所致，应将钻具下沉到一定深度后，重新加粉复打，以保证成桩质量。检查故障时，应尽可能不停止送风。

5、质量检测

5.1 外观检查鉴定

采用开挖检查的方法，目测桩身成形情况，桩体是否圆匀，有无缩颈和凹陷现象；搅拌均匀程度，桩身有无水泥结块，桩身松散或硬结程度；群桩桩顶平齐情况，间距均匀性。

5.2 动力触探检验

一般在施工完成后3天内进行轻便动力触探（N10）检测桩身的强度。根据贯入30cm的锤击数来判定桩上部强度是否合格。同时可检验搅拌均匀性：用轻便触探器中附带的勺钻，在搅拌桩身中心钻孔，取出桩芯，观察其颜色是否一致，是否存在水泥富集的“结核”或未被搅匀的土团。

轻便触探有效检验深度为4 m。但是，这种检验方法存在一定局限性及操作可行性欠佳，其检验结果只能作为参考，需结合其它检测方法所得结果作进一步对比分析。

5.3 桩身抽芯取样检验

成桩龄期28 d后取桩身样品检验，检查其桩身强度、桩土搅拌均匀程度、桩底持力层岩土性状及桩的施工长度。

本工程设计取芯检验数量为不少于施工总桩数的0.5%且不少于6根。取芯后留下的空间应采用同等强度的水泥砂浆回灌密实。

钻芯检验的缺点是试验速度慢，费用较高，且取芯时对芯样的扰动较大，不宜作大面积普查。

5.4 载荷试验

载荷试验在成桩28 d龄期后进行。一种为单桩静载荷试验，另一种为复合地基静载荷试验（可做单根、2根和4根桩的复合地基），按试验操作规程进行，一般要求每个场地的静载荷试验点不少于施工总桩数的1%且不少于3组。

单桩载荷试验一般做桩帽，将桩顶开挖后修理平整；复合地基试验时承压板必须在同一平面上。

加载反力装置采用压重平台反力装置，试验荷载由安装在桩顶或承压板的油压千斤顶进行逐级加荷，千斤顶所需的反力由混凝土预制块提供，试验加荷方式为慢速维持荷载法。所以载荷试验是比较直观，相对比较权威的检测方法。

结束语

水泥粉喷桩是与软土形成复合地基，具有抗压强度高，连续性好，承载力明显提高，耐久性好，造价低等优点，适合沿海地区的软土地质。对沿海地区小型水利项目的软土地基加固处理很适用。

但由于深层搅拌桩施工速度快，且属隐蔽性施工，施工质量不易把握，出现问题不易发现，即便发现也很难补救。同时个别施工单位还存在偷工减料，致使桩长不够等现象。质量问题对复合地基承载力有较大影响。因此，在施工深层水泥粉喷桩时，应根据其工艺流程制定各工序质量控制关键点，层层把关，加强施工自检和监理旁站，确保工程质量。

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