揭阳市榕江大围堤防工程中粉喷桩在软基处理中的应用

揭阳市榕江大围堤防工程中粉喷桩在软基处理中的应用

冯建镖

冯建镖广东水电二局股份有限公司510545

摘要：粉喷桩处理软基的一般设计模式、施工技术要点及应用效果,粉喷桩处理高含水量、高塑性的软弱地基,由于其作为一种复合地基,能较好地与堤基土层相协调,适应防洪堤的构造要求。

关键词:粉喷桩;软基;应用

1、工程概况

广东省揭阳市榕江大围位于揭阳市境内，榕江南、北河从揭阳市区穿境而过，形成“两河四岸”的城市分布格局，并将市区分成东山曲溪、磐岭、榕城渔湖和梅仙四片，是揭阳市重点的城乡水利防灾减灾工程项目。由于该堤段均为新建堤段,由于该堤段地质情况较为复杂,地层变化大,堤基存在较厚的软弱淤泥层,而软土地基作为一种常见的不良地基,它给堤防工程建筑物造成极大的危害,因此,该堤段采用了水利工程中较为常见的粉体喷射搅拌法(简称粉喷法)加固软土技术处理堤基,以达到提高堤基承载力及满足堤身的变形要求,从而保证堤防工程的安全。

2、工艺原理与流程

粉喷桩施工是用改制的螺旋钻机,将钻杆钻至设计要求土层深度。钻头到达下部持力层后,用庄缩空气将水泥粉经钻杆内孔输送到钻头上特制的喷嘴,随同钻头旋转向四周土体喷射;同时钻杆以一定的速度提升,钻头的叶片将四周一定范围内的土体自上而下不断切割,使土体与水泥搅拌混合胶结,硬化后即可形成一定直径的强度高于土层的固结体。水泥加固软土是基于水泥与加固土的物理化学反应。水泥颗粒表面矿物很快与土体中的水发生水解和水化反应,生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化侣酸钙、水化铁酸钙。水泥的各种水化物生成后,有的自身继续硬化,形成水泥石骨架,有的与周围具有活性的粘土颗粒发生反应,形成水泥土的团粒结构,土颗粒周围充满水泥凝胶体,一个月后,填充到颗粒间的空隙中,形成网状结构物,五个月时,纤维状结晶辐射向外伸展,产生分叉,并相互连接形成空间网状结构增加土体的强度。

粉喷桩的施工程序如下图：

3、软基处理方法分析

粉喷桩是粉体喷射搅拌加固软土技术的总称。定名为DryjetMaxingmeh0d(简称DJM)。粉喷桩是利用专门设备,借助压缩空气,将粉体加固材料(如水泥)喷射,并在加固的深层软土地基中强制原位搅拌压缩,并吸收周围水份,产生一系列物理化学反应,形成具有一定强度的水泥土桩体,并与桩间土共同作用组成复合地基。此方法工艺简单,施工方便,对周围环境、建筑物影响较少,处理后的复合地基承载力可达160一180kg以上,比天然土基容许承载力提高1.0一1.5倍;并且土体压缩性明显减少,可以有效的减少地基沉降量;抗侧向变形能力有所提高,加地基强度形成,具有良好的技术经济效益。其不足是用粉喷桩处理软土层时,若桩未穿透软土层会造成未处理部分软土层的沉降量增加,沉降速度变慢。因此,用粉喷桩处理软基时应将整个软土层穿透。同时由于受机械设备影响,一般设备粉喷桩处治的软土最大深度不能超过22米（特殊设备不超过26米）。

4、地基处理设计方案的确定与设计

设计方案的确定根据对该堤段堤型设计断面的初步分析和多方案比较后,选定采用钢筋混凝土防洪墙结合墙后填土的复合堤型结构,考虑到堤基土层的地质条件,根据确定的堤型断面,新建堤身防洪墙高度及填土高度较大(大部分超过3.0m),作用于防洪墙的基底应力也较大,其相应要求的地基允许承载力为90～110kPa(随防洪墙的高度而变化),均大于浅层地基土承载力标准值85kPa,并大大超过下卧淤泥层的承载力标准值<40kPa。此外,由于城市堤防工程对堤身的沉降变形和地基的防渗要求较高,故采用较为简单的去土换砂的方法难以满足设计要求,而根据本地区及邻近地区类似工程的经验,经对采用钻孔灌注桩、打入式预制桩及粉喷桩处理堤基的方案进行技术经济等的综合比较。经比较,认为粉喷桩具有工程造价低、施工噪声低、振动干扰小、无弃土弃渣污染环境等优点,并能适合类似该堤防工程对地基要求不太高的条件。

5、工艺性试桩

粉喷桩正式施工前要先进行成桩试验，水泥掺入粉喷桩施工前应做好加固土室内试验，根据设计要求的无侧限抗压强度，按7天龄期的试验成果求出合适的掺入比，7天龄期抗压强度不小于1100KPa.以确定：①要穿过软土层的实际深度；②了解各软土的阻力，以确定钻进及提升速度和喷粉量。在实际工作中根据其抽芯质量情况发现，对含水量较大的软土，提升速度要慢，风量要大才能保证成桩质量；对砂层，特别是粗砂层，提升速度应较淤泥层快，风量应较淤泥层的小。（3）各主要工序的质量控制要点。

①桩基就位：根据设计，确定加固放置机体位置的基础（即加垫砂层），使搅拌桩机机轴保持垂直，以防打斜桩，影响桩基承载力。

②下钻：启动搅拌桩机，钻头边旋转边钻进。为不致于堵塞喷射口，此时并不喷射加固材料，而是喷射压缩空气，可使钻进顺利，减小负载扭距。随着钻进，准备被加固的土体在原位受到搅动。

③提升钻头并反转：在提升过程喷粉搅拌，通过粉体发送器将水泥粉喷射入搅拌的土体中，使土体和水泥沿深度方向充分拌和。要根据地质情况，决定提升速度，以得到较均匀的水泥土桩，提升速度根据试桩参数确定。

④提升结束：当钻头提升到距地面30～50cm时，发送器停止向孔内喷射粉料，成桩结束。这时由于装置的回路是封闭的，粉体不会向空中喷射和飞散。在向土体喷射过程中的最后阶段，在搅拌钻头距地面30cm处停止喷粉，粉粒不会溢出地面。一般在设计桩顶预加50cm桩长作为破除桩头用。

⑤复拌：停止喷粉，钻头边旋转边钻进，直至设计深度处，再边提升边反向旋转，使土体和粉体充分拌和，土体被充分粉碎，水泥粉被均匀地分散在桩土中，复拌是保证成桩均匀和提高桩体强度的有效措施。

6、施工技术要点

由于本堤段堤基为软弱淤泥土层,具有含水量高、孔隙比大、压缩性高及承载力低等特点。在收集场地内详细的工程地质、水文地质等资料的基础上,综合了解堤址地形、地貌等现状特征,在粉喷桩施工前应准备施工场地的工程地质报告、土工试验报告、室内配合比试验报告及粉喷桩设计主要尺寸资料,并注意以下施工技术要点:

1)为有利于粉喷桩桩机的正常施工与操作,施工场地需先进行平整,清除地表一切障碍物,然后回填中砂填筑桩机平台,以满足桩设计停灰面标高以上覆土层厚不少于50cm的要求。

2)施工前,应在现场取原状土作配合比试验,为现场施工和抽检提供依据。

3)施工前,施工人员根据设计所要求的每根桩均粉喷桩的施工匀喷粉的喷粉量,按采用“两喷四搅”的施工工艺流程进行操作准备。

4)喷粉或喷气时,当气压达到0.45MPa时,管路可能堵塞,此时应停止喷粉和钻进,查明堵塞原因,及时排除。

5)钻头钻至设计深度,应有一定的滞留时间,以保证加固粉料到达桩底。施工采用长约30m送料管时,滞留时间为2～3min。

6)整个制桩过程因故出现断粉,应及时补喷,补喷重叠长度不得小于0.5m。

7)粉喷桩施工接近地面标高时,地面以下1m范围内喷粉、搅拌、提升应用慢速,当喷粉即将出地面时,宜停止提升,搅拌数秒钟,以保证桩头搅拌均匀和密实。

8)粉喷桩施工完成28d后,才能进行上部结构施工。

7、施工质量检测与工程观测

1)粉喷桩按规范在成桩后7d内抽取2%桩数采用轻便触探(N10)检查桩的质量,触探点在桩径方向1/4处。共检测400根桩,检查结果为:当贯入100mm,N10击数均超过规范要求的10击,其中7d最大可达62击,达到设计要求。

2)对成桩28d后的粉喷桩进行抽芯取样检测,抽检比例约为2‰(每5个单元堤段5×16m取1根桩),共检测40根桩,检查结果为:桩体抗压强度在2653～3536kPa之间,超过设计桩身强度值2100kPa,并大于桩身允许承载力1200kPa(强度折减系数0.57),符合设计要求。

8、结语

在城市防洪工程的软基处理中,由于城市堤岸沿线原有建(构)筑物分布密集,部分堤段还由于施工场地条件差、堤基处理施工线长和工程量大,在此施工条件下采用深层搅拌钻孔成桩技术,对地基及周围建筑物扰动小,施工中振动小、噪声低,无污染环境,有良好的社会效益。施工作业安全可靠,施工操作工艺简单,机械设备要求较低,工程造价低,有着显著的经济效益。