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摘 要:本文首先对粉喷桩的荷载传递机理的进行分析，阐述了用粉喷桩技术在建筑软土地基的施工方法，并提出了保证施工质量的几点措施,希望对建筑工程施工中，如何处理软土地基提供有效的借鉴。
关键词:粉喷桩技术；建筑工程；软土地基；加固；应用
1 粉喷桩的荷载传递机理
复合地基是指天然地基中的部分土体通过某种方式得到增强或被置换而形成的强化地基。粉喷桩复合地基是其中的一种,它是利用水泥作为固化剂,通过深层搅拌机械在软基中将软黏土和水泥强制拌和,使软弱土硬结成为桩土共同承担外部荷载的复合地基。粉喷桩的加固原理主要基于:
(1)水泥加固土的物理化学过程,即水泥与土拌和后水泥中的钙物质与土中的水发生化学反应,生成柱桩结晶而起到骨架作用。
(2)水泥的炭化反应,即水泥中大量的钙离子与土和水中的二氧化碳发生反应,生成碳酸钙沉淀,增加水泥土的强度。
(3)离子交换与团粒作用,即水泥土中大量的钙离子与钠离子、钾离子发生置换,形成大量的软土团粒和水泥团粒,使水泥土的强度得到提高。
粉喷桩自身性质通常介于刚性桩与柔性桩之间,它的刚度、抗压强度和抗侧压力作用小于刚性桩而大于柔性桩。粉喷桩的轴向应力分布是不均匀的,从桩顶而下应力逐渐减小,最大轴向力位于桩顶3～5倍桩径范围内。当施加较小荷载时,荷载通过垫层均匀地传递到桩和桩间土上,此时相应的变形也较小,桩与土的应力随荷载线性增长。随着外荷载的增加,桩与土的应力将发生变化,为满足桩和桩间土的变形协调条件,荷载将按地基材料刚度的大小不断进行分配,此时桩承担了大部分荷载,应力逐渐向桩的顶部集中。随着荷载的进一步增大,复合地基的变形速率加快,应力集中现象也越见加剧,最终桩承担的荷载达到极限,桩体首先进入局部塑性状态而不能分担增加的荷载,应力将会向桩间土转移,外加荷载的增量部分将由桩间土来承担,直至桩和桩间土共同进入塑性状态,此时所对应的荷载即为复合地基的极限荷载。
2 粉喷桩常见质量问题分析
(1)喷粉时高压气流对软土的扰动比较明显,扰动后原土结构及粒间的胶结作用被破坏,在未达到新的稳定之前,可能导致地基承载能力反而降低了。
(2)水泥粉与土不易混合,对高含水率的软土,水泥粉容易结块,再加上喷粉量不易控制,最终导致桩身搅拌不均匀和桩身水泥土的强度偏低。
(3)水泥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很低,相当于被搅动软土的强度,相对于原状土而言,强度反而降低。
(4)粉喷桩介于刚性桩与柔性桩之间,桩身压缩变形大,易受地下土质等不确定因素的影响,桩身水泥遇水后软化比较严重,导致抗震动、抗剪切能力差。
(5)由于采用水泥干粉施工,施工过程难以控制,易发生的桩体疏松、空心桩、夹层、断桩、桩径不匀,桩身移位等质量通病。
(6)粉喷桩的水泥粉是靠压缩空气携带,深度越大,阻力也越大,因此,桩底常因空压机的动力不足而出现喷粉量过少的质量问题。
3 工程地质概况
某小区几栋住宅楼,砖混结构,设计六层。场地是由浅河滩地填土而成。
①杂填土:层厚2.3～3.5m,场地内分布基本均匀。②-1淤泥:灰黑色,淤积,含有机质,饱和,流塑,分布于整个站址,厚度2.0～4.0m。②-2黏土:湿,以黄褐色为主,粘性好,局部含少量砂,分布整个场地,处于淤泥层之下,厚度1.20～2.0m。③-1粉质黏土:湿,以灰黄色为主,含少量粉细砂。局部含有机质,分布于大部分场地,厚度和埋深变化较大。
4 技术方案与施工工艺
4.1 地基处理方案
住宅采用条形基础,用粉喷桩进行地基加固处理,桩径为Φ500mm,桩长7.0m左右,桩尖深入地质报告中③层土中1～2m。每栋住宅楼设计粉喷桩296根,置换率0.264,桩的布置在平面上沿轴线对称排列,间距约900mm。设计复合地基承载力标准值为210kPa,使用425#普通硅酸盐水泥为加固料,每m喷灰量55～60kg。0.3m的桩头截除后,铺设200mm厚的碎砂石垫层,并加以夯实。
4.2 粉喷桩的施工
粉喷桩的施工程序主要包括:场地平整→桩位放线→钻机就位→预搅下沉→喷粉反向提升→复搅→成孔→钻机移位。
粉喷桩的施工工艺主要包括:①定位,即安施工顺序将搅拌机就位和对中。②预搅下沉,启动搅拌机电机,使搅拌机沿导向架切土下沉。③喷浆提升,等搅拌机下沉到达最大深度后,开启粉喷机一边喷粉,一边搅拌提升,当搅拌头提升至地面下300mm时停止喷粉。④复搅和复喷,即在第1次喷粉结束后对全桩进行复搅,最后在桩顶下1.5m范围内再次进行重复喷粉和搅拌。⑤为提高桩身的均匀性,最后上下往返复搅1次。⑥施工过程中因故停止喷粉时,应将搅拌头下沉至停灰面以下1m处,待恢复喷粉后再进行搅拌。⑦钻机移位,重复上述步骤。
5 施工质量控制
(1)场地处理:对粉喷桩施工的场地进行清表处理,清除桩位处地面和地下的一切障碍。场地低洼时,应先填粘性土,然后整平。
(2)现场管理:对粉喷桩施工单位和监理单位要预先审查其资质、信誉和业绩。施工单位要签订质保责任书,经驻地监理审核,由业主批准后方可进场开展工作。
(3)材料管理:粉喷桩所用水泥不得分包,应全部由承包人负责统一提供,且必须由正规厂家供货,经监理验收合格后方可使用。
(4)配比试验:粉喷桩处理软基的效果如何,很大程度上取决于配比的选择是否适合当地的工程地质条件。求采用425#普通硅酸盐水泥做室内配比试,水泥用量的参考值如下:W≤50%时,水泥用量50kg/m；50%70%时,水泥用量为60～65kg/m。
(5)工艺技术:采用变掺量施工工艺。依据土层的含水量沿深度采用变水泥用量的方法可以有效地增强地基承载力和控制沉降量。本场地上部土层含水量较大,所以上半段桩身在施工时要增大喷粉量。为保证桩身的均匀性,在桩顶以下3.0m范围内增加复搅与复喷一次。
(6)质量控制:①每根桩施工前清理喷头,确保施工过程中喷头送粉通畅。②在粉喷机的灰罐上安装电子秤,提高送灰量的计量精度。③通常在施工时只记录一根桩的单程总送灰量,所以喷粉量是否均匀不易控制。在本工程中,要求按每m记录喷粉量,并配备专职技术人员进行现场监督。通过改变灰罐压力和桩机提升速度,确保能在每米桩段内喷粉量可达到设计要求。④施工中要求进行全孔复搅,即二喷四搅,大大提高了桩体的均匀性。
6 加固效果检测
成桩7d后,采用轻便触探仪检查桩的质量,触探点取在桩径方向1/4处,抽检频率为2%,静力触探锥尖阻力的平均值为1.5MPa,变异系数在32.5%～41.0%之间；成桩14d后,采用低应变反射波法进行桩身完整性检测,抽检频率为20%,全部为合格桩,其中类桩占89%；成桩28d后,采用抽芯取样检查粉喷桩的桩身强度和桩身长度,抽检比例为1%。对桩身土芯样进行无侧限抗压强度试验,桩身水泥土抗压强度在0.91～3.14MPa之间,均大于设计值0.8MPa。上述检测结果表明,桩的施工质量比较满意。成桩28d后,对加固后的复合地基进行荷载试验,每栋住宅楼分别对3根单桩进行静荷载试验和对3个点进行复合地基荷载板试验,单桩承载力标准值在160～196kN之间,换算后复合地基承载力标准值在220～265kPa之间,满足设计要求。该小区已竣工2年多,地基未发生明显的不均匀沉降,住宅楼的主体结构完好,表明软基的加固效果良好。
7 结束语
总而言之，粉喷桩處理软土地基是一种行之有效且广泛应用的工艺手段，与其他软基处理手段相比，具有施工方便、工期短、工后沉降小（营运质量高）等显著优点。但从其设计方法及施工质量管理来看，技术难度较大，如果掌握不好，极易出现偏差，且因其为隐蔽工程，易留下隐患。只要以科学的态度，熟悉粉喷桩发的施工流程，掌握其技术标准，严格控制施工质量，就一定能取得满意的工程质量。
参考文献
[1] 丁劭荣，浅述粉喷桩处理软土地基施工控制[J]安徽建筑，2006.07
[2] 冯仲仁; 陈向阳; 刘沐宇，粉喷桩加固软土地基的质量控制[J] 岩土力学，2002.10
关键词:粉喷桩技术；建筑工程；软土地基；加固；应用
1 粉喷桩的荷载传递机理
复合地基是指天然地基中的部分土体通过某种方式得到增强或被置换而形成的强化地基。粉喷桩复合地基是其中的一种,它是利用水泥作为固化剂,通过深层搅拌机械在软基中将软黏土和水泥强制拌和,使软弱土硬结成为桩土共同承担外部荷载的复合地基。粉喷桩的加固原理主要基于:
(1)水泥加固土的物理化学过程,即水泥与土拌和后水泥中的钙物质与土中的水发生化学反应,生成柱桩结晶而起到骨架作用。
(2)水泥的炭化反应,即水泥中大量的钙离子与土和水中的二氧化碳发生反应,生成碳酸钙沉淀,增加水泥土的强度。
(3)离子交换与团粒作用,即水泥土中大量的钙离子与钠离子、钾离子发生置换,形成大量的软土团粒和水泥团粒,使水泥土的强度得到提高。
粉喷桩自身性质通常介于刚性桩与柔性桩之间,它的刚度、抗压强度和抗侧压力作用小于刚性桩而大于柔性桩。粉喷桩的轴向应力分布是不均匀的,从桩顶而下应力逐渐减小,最大轴向力位于桩顶3～5倍桩径范围内。当施加较小荷载时,荷载通过垫层均匀地传递到桩和桩间土上,此时相应的变形也较小,桩与土的应力随荷载线性增长。随着外荷载的增加,桩与土的应力将发生变化,为满足桩和桩间土的变形协调条件,荷载将按地基材料刚度的大小不断进行分配,此时桩承担了大部分荷载,应力逐渐向桩的顶部集中。随着荷载的进一步增大,复合地基的变形速率加快,应力集中现象也越见加剧,最终桩承担的荷载达到极限,桩体首先进入局部塑性状态而不能分担增加的荷载,应力将会向桩间土转移,外加荷载的增量部分将由桩间土来承担,直至桩和桩间土共同进入塑性状态,此时所对应的荷载即为复合地基的极限荷载。
2 粉喷桩常见质量问题分析
(1)喷粉时高压气流对软土的扰动比较明显,扰动后原土结构及粒间的胶结作用被破坏,在未达到新的稳定之前,可能导致地基承载能力反而降低了。
(2)水泥粉与土不易混合,对高含水率的软土,水泥粉容易结块,再加上喷粉量不易控制,最终导致桩身搅拌不均匀和桩身水泥土的强度偏低。
(3)水泥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很低,相当于被搅动软土的强度,相对于原状土而言,强度反而降低。
(4)粉喷桩介于刚性桩与柔性桩之间,桩身压缩变形大,易受地下土质等不确定因素的影响,桩身水泥遇水后软化比较严重,导致抗震动、抗剪切能力差。
(5)由于采用水泥干粉施工,施工过程难以控制,易发生的桩体疏松、空心桩、夹层、断桩、桩径不匀,桩身移位等质量通病。
(6)粉喷桩的水泥粉是靠压缩空气携带,深度越大,阻力也越大,因此,桩底常因空压机的动力不足而出现喷粉量过少的质量问题。
3 工程地质概况
某小区几栋住宅楼,砖混结构,设计六层。场地是由浅河滩地填土而成。
①杂填土:层厚2.3～3.5m,场地内分布基本均匀。②-1淤泥:灰黑色,淤积,含有机质,饱和,流塑,分布于整个站址,厚度2.0～4.0m。②-2黏土:湿,以黄褐色为主,粘性好,局部含少量砂,分布整个场地,处于淤泥层之下,厚度1.20～2.0m。③-1粉质黏土:湿,以灰黄色为主,含少量粉细砂。局部含有机质,分布于大部分场地,厚度和埋深变化较大。
4 技术方案与施工工艺
4.1 地基处理方案
住宅采用条形基础,用粉喷桩进行地基加固处理,桩径为Φ500mm,桩长7.0m左右,桩尖深入地质报告中③层土中1～2m。每栋住宅楼设计粉喷桩296根,置换率0.264,桩的布置在平面上沿轴线对称排列,间距约900mm。设计复合地基承载力标准值为210kPa,使用425#普通硅酸盐水泥为加固料,每m喷灰量55～60kg。0.3m的桩头截除后,铺设200mm厚的碎砂石垫层,并加以夯实。
4.2 粉喷桩的施工
粉喷桩的施工程序主要包括:场地平整→桩位放线→钻机就位→预搅下沉→喷粉反向提升→复搅→成孔→钻机移位。
粉喷桩的施工工艺主要包括:①定位,即安施工顺序将搅拌机就位和对中。②预搅下沉,启动搅拌机电机,使搅拌机沿导向架切土下沉。③喷浆提升,等搅拌机下沉到达最大深度后,开启粉喷机一边喷粉,一边搅拌提升,当搅拌头提升至地面下300mm时停止喷粉。④复搅和复喷,即在第1次喷粉结束后对全桩进行复搅,最后在桩顶下1.5m范围内再次进行重复喷粉和搅拌。⑤为提高桩身的均匀性,最后上下往返复搅1次。⑥施工过程中因故停止喷粉时,应将搅拌头下沉至停灰面以下1m处,待恢复喷粉后再进行搅拌。⑦钻机移位,重复上述步骤。
5 施工质量控制
(1)场地处理:对粉喷桩施工的场地进行清表处理,清除桩位处地面和地下的一切障碍。场地低洼时,应先填粘性土,然后整平。
(2)现场管理:对粉喷桩施工单位和监理单位要预先审查其资质、信誉和业绩。施工单位要签订质保责任书,经驻地监理审核,由业主批准后方可进场开展工作。
(3)材料管理:粉喷桩所用水泥不得分包,应全部由承包人负责统一提供,且必须由正规厂家供货,经监理验收合格后方可使用。
(4)配比试验:粉喷桩处理软基的效果如何,很大程度上取决于配比的选择是否适合当地的工程地质条件。求采用425#普通硅酸盐水泥做室内配比试,水泥用量的参考值如下:W≤50%时,水泥用量50kg/m；50%
(5)工艺技术:采用变掺量施工工艺。依据土层的含水量沿深度采用变水泥用量的方法可以有效地增强地基承载力和控制沉降量。本场地上部土层含水量较大,所以上半段桩身在施工时要增大喷粉量。为保证桩身的均匀性,在桩顶以下3.0m范围内增加复搅与复喷一次。
(6)质量控制:①每根桩施工前清理喷头,确保施工过程中喷头送粉通畅。②在粉喷机的灰罐上安装电子秤,提高送灰量的计量精度。③通常在施工时只记录一根桩的单程总送灰量,所以喷粉量是否均匀不易控制。在本工程中,要求按每m记录喷粉量,并配备专职技术人员进行现场监督。通过改变灰罐压力和桩机提升速度,确保能在每米桩段内喷粉量可达到设计要求。④施工中要求进行全孔复搅,即二喷四搅,大大提高了桩体的均匀性。
6 加固效果检测
成桩7d后,采用轻便触探仪检查桩的质量,触探点取在桩径方向1/4处,抽检频率为2%,静力触探锥尖阻力的平均值为1.5MPa,变异系数在32.5%～41.0%之间；成桩14d后,采用低应变反射波法进行桩身完整性检测,抽检频率为20%,全部为合格桩,其中类桩占89%；成桩28d后,采用抽芯取样检查粉喷桩的桩身强度和桩身长度,抽检比例为1%。对桩身土芯样进行无侧限抗压强度试验,桩身水泥土抗压强度在0.91～3.14MPa之间,均大于设计值0.8MPa。上述检测结果表明,桩的施工质量比较满意。成桩28d后,对加固后的复合地基进行荷载试验,每栋住宅楼分别对3根单桩进行静荷载试验和对3个点进行复合地基荷载板试验,单桩承载力标准值在160～196kN之间,换算后复合地基承载力标准值在220～265kPa之间,满足设计要求。该小区已竣工2年多,地基未发生明显的不均匀沉降,住宅楼的主体结构完好,表明软基的加固效果良好。
7 结束语
总而言之，粉喷桩處理软土地基是一种行之有效且广泛应用的工艺手段，与其他软基处理手段相比，具有施工方便、工期短、工后沉降小（营运质量高）等显著优点。但从其设计方法及施工质量管理来看，技术难度较大，如果掌握不好，极易出现偏差，且因其为隐蔽工程，易留下隐患。只要以科学的态度，熟悉粉喷桩发的施工流程，掌握其技术标准，严格控制施工质量，就一定能取得满意的工程质量。
参考文献
[1] 丁劭荣，浅述粉喷桩处理软土地基施工控制[J]安徽建筑，2006.07
[2] 冯仲仁; 陈向阳; 刘沐宇，粉喷桩加固软土地基的质量控制[J] 岩土力学，2002.10