淺析粉噴樁加固機(jī)理及其在萬豐路工程中的應(yīng)用

陳文波

株洲市建筑設(shè)計(jì)院有限公司，湖南株洲 412000

隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)快速發(fā)展，軟基處理方式越來越多，目前最常用的有換填法、排水固結(jié)法、擠密法、砂石樁法、振沖法、強(qiáng)夯法、灌漿法、水泥土攪拌法等。我國地域遼闊，地質(zhì)條件千變?nèi)f化，各地施工機(jī)械條件、技術(shù)水平不盡相同，應(yīng)根據(jù)不同條件合理選擇處理方法。粉噴樁是水泥攪拌法中的一種，本文通過闡述粉噴樁加固機(jī)理，結(jié)合萬豐路中粉噴樁的應(yīng)用，對(duì)粉噴樁的設(shè)計(jì)、施工工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)進(jìn)行介紹，供相關(guān)人士參考。

1 粉噴樁的加固機(jī)理

1.1 定義及適用范圍

粉噴樁屬于深層攪拌法加固地基方法的一種形式，利用水泥等材料作為固化劑主劑，通過專業(yè)機(jī)械與軟土強(qiáng)制攪拌，利用固化劑與軟土之間一系列物理化學(xué)反應(yīng)，形成整體性、水穩(wěn)性較好的具有一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基，適用于加固各種成因的飽和軟粘土，常用于加固淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土和含水量較高的粘性土，目前在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，國內(nèi)陸地上的施工實(shí)例處理深度已達(dá)27m（施工機(jī)械能力為30m）。

1.2 水泥加固土的原理

粉噴樁的加固機(jī)理基本是水泥加固土的物理化學(xué)反應(yīng)過程，水泥水解和水化反應(yīng)在有一定活性的介質(zhì)土中進(jìn)行，由于水泥摻量很小，水泥土硬化速度緩慢且作用復(fù)雜，受土質(zhì)條件影響較大，其強(qiáng)度增長的過程與混凝土硬化相比較慢。

粉噴樁的粉體主要采用普通硅酸鹽水泥，由氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、三氧化硫等組成，由這些氧化物通過化學(xué)反應(yīng)生成不同的水泥礦物。在反應(yīng)中生成的氫氧化鈣、水化硅酸鈣能速溶于水中，使水泥顆粒表面重新暴露并與水反應(yīng)，周圍的水溶液就逐漸達(dá)到飽和，新生成物以細(xì)分散狀態(tài)的膠體析出，懸浮于溶液中，形成膠體。

當(dāng)水泥的各種水化物生成后，有的自身繼續(xù)硬化，形成水泥石骨架，有的則與一定活性的粘土顆粒發(fā)生離子交換、團(tuán)粒化、凝硬反應(yīng)，從而形成固結(jié)體。水泥加固土的強(qiáng)度主要來自水泥水化物的膠結(jié)作用。

2 粉噴樁在新馬EBD萬豐路中的應(yīng)用

2.1 工程概要

萬豐路位于新馬EBD的核心地帶，是新馬EBD東西向重要的城市主干路，路幅寬度32m，全長約3.0km。道路范圍原地貌為農(nóng)田，因萬豐路南側(cè)萬豐湖已完成圍湖蓄水，路基范圍部分被水淹，形成“水塘”，面積較大，且水深平均約4m。針對(duì)該路段軟基處理，建設(shè)單位組織專家對(duì)路基處理方案進(jìn)行了論證，綜合施工條件、進(jìn)度和成本考慮，最終選擇回填路基后采用粉噴樁對(duì)路基進(jìn)行處理。

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，粉噴樁處理范圍內(nèi)路基原地貌為農(nóng)田，最上層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，呈灰黑色，具腐臭味，飽和，流塑，屬松土，深度約0.7m，不能作為路堤基礎(chǔ)持力層；第二層為粉質(zhì)粘土，褐黃色，土質(zhì)較均勻單一，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，無搖震反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度及韌性中等，濕，硬塑，屬普通土，可作為路堤基礎(chǔ)持力層。

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

粉噴樁的設(shè)計(jì)主要包括處理范圍、處理深度、樁體間距、施工工藝等。

2.3.1 粉噴樁處理范圍

粉噴樁的處理范圍應(yīng)參考路基基礎(chǔ)要求，兼顧各類構(gòu)造物、管線的情況，同時(shí)考慮現(xiàn)場施工條件。萬豐路路基范圍內(nèi)水位標(biāo)高為40.8m，為便于施工，填土至水位以上0.5m作為粉噴樁施工面，以填方區(qū)邊坡1：1.5坡率計(jì)算確定粉噴樁范圍。

2.3.2 處理深度

粉噴樁加固深度為穿過軟土層，入路基持力層深度不小于0.5m，平均樁長7.0m計(jì)。

近年來流行病學(xué)和遺傳學(xué)的研究顯示， 生物鐘節(jié)律是廣泛存在于生物體中重要的內(nèi)源性調(diào)節(jié)機(jī)制，其對(duì)糖、脂肪等代謝的調(diào)控是調(diào)節(jié)能量代謝的重要途徑，同時(shí)也使能量代謝變化呈現(xiàn)出重要的特征——節(jié)律性以來適應(yīng)生理功能的需要[11]。更重要的是，時(shí)鐘基因震蕩節(jié)律的異常與糖代謝以及心血管疾病密切相關(guān)[12-13]。有研究發(fā)現(xiàn)，生物鐘晝夜節(jié)律紊亂可導(dǎo)致糖代謝障礙、胰島素抵抗和代謝綜合征等[14],同時(shí)生物鐘節(jié)律紊亂也可能是糖尿病產(chǎn)生和進(jìn)展的重要促發(fā)因素[15]。如前所述，積極探索糖尿病對(duì)心肌時(shí)鐘基因Bmal1/Per2的影響及具體形式可能為防治糖尿病心肌病提供新的治療方向。

2.3.3 樁體間距

根據(jù)株洲地區(qū)粉噴樁的應(yīng)用情況，樁徑一般采用500mm，水泥滲入比為12%時(shí)，樁身強(qiáng)度一般為1.0～1.2Mpa。根據(jù)樁身斷面尺寸、每層土的側(cè)阻力特征值及厚度計(jì)算單樁承載力。公式為：

根據(jù)道路路基設(shè)計(jì)要求，地基承載力要求為150kpa以上，據(jù)此計(jì)算置換率，公式為：

由置換率計(jì)算總樁數(shù)，公式為：

粉噴樁呈梅花樁布置，根據(jù)總樁數(shù)及處理面積可以計(jì)算得出樁間距。本工程粉噴樁間距為1.2m，如圖1。

圖1 粉噴樁平面布置圖

通過粉噴樁設(shè)計(jì)可知，粉噴樁間距、樁長主要受軟土層厚度、樁間土的側(cè)阻力及樁端天然路基土的承載力影響較大，因此，進(jìn)行粉噴樁路基處理設(shè)計(jì)前，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)軟土路基勘探，獲取與現(xiàn)場情況相符的地質(zhì)參數(shù)。

2.3.4 其他設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）水泥：采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

（2）碎石墊層：采用未篩分碎石，最大粒徑不超過30mm。

2.3.4.2 施工技術(shù)要求

（1）粉噴樁噴灰量每延米不小于55kg，水泥土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1200kpa，正式施工前須進(jìn)行試打，以確定最終每延米噴灰量及樁長，并打入路基持力層以下0.5m。

（2）施工前應(yīng)先進(jìn)行工藝試樁，以檢驗(yàn)機(jī)具性能及單位樁長噴粉量、工作壓力、鉆進(jìn)和提升速度等技術(shù)參數(shù)，每個(gè)作業(yè)點(diǎn)工藝試驗(yàn)樁不少于5根。

（3）粉噴樁施工嚴(yán)格按工藝試樁試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行。鉆桿提升作業(yè)時(shí)應(yīng)控制攪拌速度，邊噴粉邊攪拌邊提升，鉆頭提升至設(shè)計(jì)?；颐妫ǚ蹏姌稑俄敇?biāo)高以上0.5m）時(shí)，停止噴粉，并慢速原地?cái)嚢?～3min。

（4）設(shè)備就位后必須平整，確保施工過程中不發(fā)生傾斜和移動(dòng)，機(jī)架和鉆桿的垂直度偏差不大于1.0%，施工中加強(qiáng)對(duì)鉆桿垂直度的觀測，如發(fā)現(xiàn)偏差較大應(yīng)及時(shí)調(diào)整。

（5）施工前進(jìn)行樁孔定位，鉆機(jī)與樁位對(duì)中偏差不得大于20mm。

（6）嚴(yán)格控制噴粉標(biāo)高和停粉標(biāo)高，不得中斷噴粉，嚴(yán)禁在尚未噴粉的情況下進(jìn)行提鉆作業(yè)。

（7）施工中若出現(xiàn)噴粉量不足，應(yīng)整樁復(fù)打，復(fù)打噴粉量應(yīng)不小于設(shè)計(jì)用量。

（8）攪拌頭預(yù)拌下沉?xí)r電機(jī)的工作電流在試樁時(shí)應(yīng)結(jié)合地勘報(bào)告，依據(jù)電流變化情況，得到判斷進(jìn)入持力層的依據(jù)，不得超鉆。

2.4 施工工藝

施工前應(yīng)做好施工準(zhǔn)備和實(shí)施組織設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工藝性試樁。施工順序如圖2。

圖2 粉噴樁施工順序

2.5 質(zhì)量控制及檢驗(yàn)

成樁28d還應(yīng)采用復(fù)合地基荷載試驗(yàn)檢驗(yàn)承載力，復(fù)合地基承載力要求不得低于150kPa，檢驗(yàn)數(shù)量必須大于樁總數(shù)的1%，且單項(xiàng)工程不應(yīng)少于3根。該工程檢測流程如下：將設(shè)計(jì)承載力作為控制標(biāo)準(zhǔn)，最大承載力為400kN，是設(shè)計(jì)承載力的2倍，加載分為8個(gè)層次，加載一級(jí)后間隔一定的周期觀測一次，時(shí)間間隔分別為5、10、15、30min，詳細(xì)記錄觀測信息。卸載按照等量法分為四級(jí)，每級(jí)持續(xù)時(shí)間為1h，卸載后觀測一段時(shí)間，時(shí)間間隔分別為5、10、15、30min，卸載至0時(shí)，觀測樁頂殘余沉降量。該項(xiàng)目抽檢質(zhì)量與設(shè)計(jì)要求相符[3]。

3 結(jié)語

軟土地基的存在會(huì)對(duì)道路基層性能造成影響，為保證道路建設(shè)質(zhì)量，需做好軟基處理工作。粉噴樁法作為軟土路基處理方法之一，其具有處理效果佳、施工便捷等優(yōu)勢。如何做好路基處理中的粉噴樁應(yīng)用，應(yīng)從設(shè)計(jì)階段著手深入研究，施工階段加強(qiáng)管控和檢驗(yàn)，以期達(dá)到好的建設(shè)成效。