浅谈粉喷法加固软弱地基的设计与施工

1、浅谈粉喷法加固软弱地基的设计与施工    提要：粉喷法加固软弱地基是将生石灰粉、水泥粉等粉体材料通过专用机械，利用压缩空气让粉体处于气体输送状态喷入要加固的地基土中，再通过机械的强制性搅拌，让其与土充分混合并压密，从而使地基土和加固料发生物理化学反应，使软粘土硬结，并形成整体强，水稳性好和足够强度的柱体。其施工技术已基本成熟，加固效果也普遍受到公认。因此，该方法近些年来广泛应用于铁路、高速公路、市政工程、工业与民用建筑工程等软弱地基加固工程中。 关键词：粉喷桩,软弱地基,复合地基   1、引言：粉喷法最先由瑞典的克杰尔德·鲍斯（kje

2、idpaus）早在1967年提出并进行了研究，称为石灰柱法，1971年瑞典的linden-Alimak公司根据鲍斯的成果在现场制成了第一批石灰柱，1974年正式取得专利并应用于工程实践。 我国于1984年在广东省云浮硫铁矿专用铁路的涵洞软基加固工程中正式作为试验性应用并取得了成功，1985年4月铁道部对该项技术组织了鉴定，认为该法技术先进，可在铁路、公路、市政工程、港口码头及工业与民用建筑等软弱地基加固上推广应用。 粉体喷搅法加固软土技术又称干粉喷射搅和法（DJM法），它是利用压缩空气向软土输送和喷射干粉基，利用干粉与土拌和所起化学反应改善土质提高地基强度的方法，它属于化学加固方法，它是利用压

3、缩空气将粉体加固料以雾状喷入地基深部，凭借钻头叶片的旋转，使粉体加固料与原位软土搅拌并得到充分混合，从而使软土硬化而形成具有整体性、水稳性好和足够强度的地基。 2、粉体搅拌法的适用条件： 粉体搅拌法适用于淤泥质土、粘性土、粉土、素填土、杂填土、饱和黄土、中粒砂、砾砂等地基土，适用于天然含水率大于30的软土。这是因为以粉体作为主要加固料，不需向地基注入附加水分，反而能充分吸收周围软土的水分，因而加固后的地基初期强度高，所以对含水量大的软土效果显著，但是当地基土的含水率大于70，PH值小于4时不宜采用。含水率较大的软土地基采用粉体搅拌法存在以下缺陷：a、喷粉时的高压气流对软土的扰动作用明显，扰动后

4、的软土原有结构及土粒间的胶结作用被破坏，在新的稳定性结构形成前，土体的强度丧失，反而降低了地基的承载力；b、水泥粉与土体不易均匀混合，高含水率的软土，特别是淤泥扰动后，整个土体几乎成了流体，含有大量水分，水泥粉遇水后即成为团块，团块外表面水化胶结形成一个不透水的坚硬体，团块内部则粉体状态的水泥，阻止了团块内部水泥的水化作用，降低了处理效果；c、水泥粉与水结合形成水化强度是需要时间的，搅拌结束后短时间内桩体强度小，相当于被扰动软土的强度，相对于原状土而言强度反而降低。粉体搅拌法的深度一般不超过15m。 根据室内试验，水泥粉喷法对含有高岭石，多水高岭石，蒙脱石等粘土矿物的软土地基加固效果较好，而对

5、含有伊利石氯化物和水钻英石等矿物的粘性土以及有机质含量高的粘土地基，加固效果较差，水泥粉喷法降低了地基土的渗透性；石灰粉喷法适用于粘土颗粒含量大于20，粉粒及粘粒含量之和大于35，粘土塑性指数大于10，液性指数大于0.7，PH值4-8，有机质含量小于11，土的天然含水率大于30的偏酸性的软土地基。 3、粉喷桩加固软弱地基的设计与计算方法： 3·1粉喷桩的桩体特征 粉喷桩是石灰粉或水泥粉与天然地基土强制混合结硬后的产物，加固料的掺量与土层性质，尤其与含水量有关。根据国内外大量的室内外试验和实测，一般控制在土自重的10-18，含水量低、有机质含量小的略低些；反之略高些。一般掺量在15左右

6、，水泥土的初期强度较大，28天强度为7天强度的1.5-2倍，90天抗压强度可达1.6-2.0KP（无侧限抗压强度）,抗剪强度为抗压强度的1/2左右,水泥土的压缩模量为天然土的10-30倍。 粉喷桩的单桩允许承载力可达120-200kn，相应沉降为6-10，桩身极限破坏多发生在4.5倍桩径处，即受力桩顶以下2-2.5m处。粉喷桩界于柔性和刚性之间，桩体与原始土之间在同时受力时的应力比为3:14:1，因此粉喷桩加固的地基按复合地基考虑和计算。 3·2粉喷桩的设计与计算 桩的平面布置在条形基础时可采用单排或链条状双排等；筏板基础时可采用梅花型或矩形，独立基础时可采用梅花型，一般情况下，均不

7、考虑护桩，桩的深度可按现在设备最大深度12.5m以内按地基结构确定，桩距常以置换率控制（即加固区内总桩面积与加固区面积之比）一般在10-18，因粉喷法加固软弱地基，目前多以水泥粉为粉体材料，现就以水泥粉喷桩为例来看粉喷桩的计算。 3·2·1、水泥粘土桩单桩承载力计算 当水泥粘土的强度标准值大于500KP时，它的单桩承载力标准值可按下式计算：PK=fcuAp   PK=qsupL+Apqp 式中：fcu-与工程搅拌桩的水泥粘土配方相同的室内加固土试块，在标准养护条件下90d龄期的无侧限抗压强度平均值（KPa），试块可用70.7边长的立方体,也可用50边长的

8、立方体或土工无侧限标准体  桩身强度折减系数，粉喷水泥粘土桩取0.2-0.33，浆喷水泥粘土桩取0.25-0.33  up-桩的周长（m）  qs正常固结粘土中桩周界面的平均摩阻力，对于淤泥可取用4-7KPa，对淤泥质土可用6-12KPa，对于一般粘性土可用10-15KPa  L桩的长度m  qp桩端天然地基土的承载力标准值，（KPa），可按现行国家标准建筑地基基础设计规范（GBJ7-89）的有关规定来确定。  桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0-0.5  悬在淤泥中的水泥粉喷桩的承载力很低，尤其高含水量低强度的淤泥，它

9、的桩周和桩底的摩阻力较小，并受各种因素影响，设计者使用务必谨慎；而桩端搁置在硬土层上的水泥粉喷桩计算结果与荷载试验结果较接近。  3·2·2、水泥粘土桩复合地基承载力计算 水泥粘土桩复合地基的承载力一般是通过复合地基荷载试验来确定，水泥粘土桩复合地基承载力也可通过承载力计算式进行计算，它们还是采用力的平衡方程，即桩上的力加土上的力等于复合地基的力，计算式为：  fsp，k=mRk/Ap+（1-m）fs，k 式中：fspk-复合地基承载力标准值kpa  m桩土面积置换率  fs，k桩间土承载力标准值kpa  桩间土强度发挥系数

10、，一般碎石桩取1.0，由水泥粉煤灰碎石组成的CFG桩则取0.9  在水泥粘土桩加固的复合地基中，当桩端土承载力大于桩侧土承载力时，B取0.1-0.4，差值大时取低值；当桩端土的承载力小于或等于桩侧土的承载力时，B取0.5-1.0，若两者承载力差值大或桩顶端设有垫层时，则取高值。  式中的B值是反映桩间土力学性能发挥程度的一个参数，它与设计和施工有密切关系，是反映设计和施工水平的一个系数，实际是一个能否充分发挥桩间土承载力的技术水平的问题，所以又可称它为桩间土承载力折减系数。  转换率和桩数的计算：  依据设计要求的复合地基承载力标准值和单桩竖向承载力标准

11、值可以计算水泥粘土桩的置换率m和桩数n  m=（fsp，k-fs，k）/（Rk/Ap-fs，k，）n=mA/Ap  式中：A地基被加固的面积  Ap水泥粘土桩单桩截面积  在得到n值后，根据上部结构的特点和地基土质的变化，可以作适当的调整。  3·2·3、水泥粘土桩复合地基沉降计算 目前，复合地基的沉降计算尚没有理想的公式，一般采用沉降折减系数法，所谓沉降折减系数，就是原有地基分成两个部分，上部为加固区，下部为下卧区。下卧区一般按国家标准建筑地基基础设计规范（GBJ7-89）有关规定确定，上部加固区按加固前的状态用分层总和法

12、计算沉降，然后乘上沉降折减系数。 3·2·4、水泥粘土桩复合地基稳定分析 稳定性分析比较困难，由于复合体的强度指标无法确定，造成计算困难，粉喷桩复合地基分析应以总应力法计算为宜，这里略。 4、粉喷桩的的施工 我国的施工机械起初为由冶金部建筑总院和交通部水运规划设计院合作研制的SJB-1型机械，它为双头式，装设专门的送浆管，为喷浆机械，由江阴振冲器厂定点生产。不久，天津机械施工公司利用进口钻机改装成一台单轴搅拌，叶片喷浆的搅拌机，命名为GIB-600型搅拌机，后来又研制成粉体喷射搅拌法：主要有两种机械：一种是GPP-5型由步履式移位机架，电动机、卷扬机、液压泵、转盘、变速箱等

13、组成，加固深度为12.5m，成桩直径50；另一种为YP-1型，它的成桩直径为50-70，这里主要介绍GPP-5型。 4·1施工机械 GPP-5型粉体喷射搅拌机：它由几部分组成，第一部分为步履式钻机：由电动机、钻架、卷扬机、液压泵、转盘、钻杆、传动链条、变速箱等机件组成；第二部分为固定在场地上的粉体输送设备，由空气压缩机、节流阀、流量计、分离器、安全阀、灰罐等组成，技术指标如下：加固深度12.5m，成桩直径500，转速28r/min、50r/min、92r/min、扭矩4.9kN·M、提升速度0.48r/min、0.8r/min、1.47r/min，井架高度14m，液压步履纵

14、向单步步矩1.2m，横向单步步距0.5m，接地压力34KPa，主机重量9233。 4·2施工顺序： 放样定位，将搅拌机移动至施工桩位处后定位，孔位误差不得大于50；调平钻机平台，使用4个支腿调整平台，使钻机钻杆垂直度误差不大于1；开机搅拌：以1、2、3档逐级加速，将钻头顺转钻进至设计深度，如遇硬土难以钻进时可以降档钻进，放慢进度在钻进时始终保持连续送压缩空气，以保证喷灰口不被堵塞，钻杆内不进水，保证下一道工序送灰时顺利通畅；提升钻杆喷粉搅拌，用反转法边搅拌边提升边喷粉，按0.5m/min速度提升，提升到设计停灰面时，应慢速原地搅拌2-3min；重复搅拌，为保证充分将粉体搅拌均匀，须将

15、搅拌头再次下沉搅拌到原设计深度再提升搅拌，速度控制在0.5-0.8m/min；防止施工污染环境：在喷粉提升至距地面0.5m处时应停止喷粉，在通管路时，应在孔口设置防灰保护装置；粉喷桩施工机具应有专门的自动计量装置，该装置能自动记录沿深度的喷粉量和时间记录等；当一根桩施工完毕后移机接着重复上述方法逐根施工。 5粉喷桩施工的质量控制 5·1做好场地的“三通一平”工作，做好测量记录工作，熟悉施工设计图及说明；工程桩施工前，应先做1-2根工艺性试桩，确定制桩技术参数，并经设计、质检部门签证后作为工程桩施工依据；严格进行原材料质量监控，所用粉体加固料必须保证质量，不能使用过期、受潮变质材料。譬

16、如：水泥的质量对软土加固效果至关重要，所以施工中所用水泥的品种和标号应符合设计要求，一般最好使用国有大中型水泥厂产品，严禁使用过期、受潮、结块、变质的劣质水泥，施工单位拟购水泥必经具有厂家保质单和出厂试验报告，对于所购进的水泥施工单位要进行复核检验，监理实验室也要随机分批对使用的水泥材料进行抽验，确保水泥材料质量；认真做好室内试验，在水泥粉喷桩施工前要进行软土的物理性质，含水量、有机质含量和水泥强度试验，以检验软土的适用性和设计的水泥掺入量情况下水泥土强度能否达到设计要求，从而使水泥用量更加合理；严把测量校样关，为保证水泥粉喷桩加固软土工程质量要严格按设计要求布点定位；施工单位要严格掌握钻井深

17、度，确保桩体长度，严禁尚未达到设计桩长及尚未喷灰的情况下，进行钻机提升作业，在施工过程中有专人定时检查粉喷桩的成桩直径及搅拌均匀程度，严格按预定的喷入量喷灰，对于喷灰量小于设计用量，中间发生停喷或少料等意外情况及设计要求的需要进行复喷施工，施工中发现水泥喷入量不足时应及时进行复喷，如遇停电，机械故障等原因中断喷灰时，应将钻机下引至停灰点以下0.5m，待恢复供灰时再喷粉提升，应特别注意桩顶的施工质量。 5·2、随时抽检钻机的水平度和垂直度，钻机的钻进深度，钻机的喷灰深度，停灰标高，重复搅拌深度以及喷灰机的管道压力，灰罐压力等各项操作参数，抽检灰罐内的水泥加入量，剩余水泥量，检查施工原始记录及施工的安全性及文明施工措施的执行情况，认真填写粉喷桩施工原始记录表，记录内容必经实事求是，逐根记录。 6、结语：粉喷桩的优越性：无噪音，无污染对周围的土体无侧向挤压作用，对邻近建筑物无影响