粉噴攪拌樁樁機自引孔技術的研究及應用

朱雅琳，吳松華

(1.中交上航華南市政工程有限公司，廣東 珠海 519100；2.中交上海航道局有限公司，上海 200120)

1 概述

粉噴攪拌樁簡稱“粉噴樁”，別名“加固土樁”，是加固淤泥、淤泥質土、粉土和含水量較高的粘性土等軟土地基的一種方法。它以水泥、粉煤灰、石灰等干粉狀材料作為固化劑，通過專用的粉體發(fā)射機械，用壓縮空氣將粉體加固材料噴射入地基土中，再憑借鉆頭葉片的旋轉，使粉體加固材料與原位軟土充分攪拌，利用兩者相互接觸的多種物理—化學反應，形成具有水穩(wěn)性、整體性、一定強度的柱狀加固水泥土，從而提高地基強度[1]。粉噴攪拌樁具有施工設備簡單，造價低，加固效果好等優(yōu)點，適用于土層中天然含水量高、孔隙率大的淤泥質土體的改良加固，廣泛應用于入?？诘葲_擊土層的處理[2]。

由于地質情況的不均衡性，粉噴攪拌樁軟基處理區(qū)域內可能存在著大面積、大孔隙軟基和少量高密度硬土相雜和的情況。為避免或降低地基的不均勻沉降，必須采用同一種軟基處理方式[3-4]。如果打樁區(qū)域內存在高密度土層，則土體被動土壓力較大，如果仍按常規(guī)施工方法處理，輸粉管內外壓力差太小(為保證施工安全，規(guī)范限定粉噴攪拌樁輸粉管起始端最大輸粉壓力為0.8 MPa，傳至粉體輸出口壓力更會有所衰減)，將導致土體噴粉量不足，成樁質量差，且容易發(fā)引發(fā)堵管、爆管等故障。通常需要先期采用沖孔樁機進行引孔，孔內回填黏土后，再進行粉噴攪拌樁作業(yè)，該方法不經濟、工藝復雜且工期較長。如果采用攪拌樁機自引孔技術則可彌補上述缺陷[5]。劉小平[6]分析和探討了水泥攪拌樁機引孔沉樁在航道整治老護岸加固中的的應用，減小了震動對房屋的影響。蔣永輝[7]運用引孔三軸水泥攪拌樁防滲技術，截斷海堤圍護陸域地下滲流水保障了海堤防潮防滲等級。

現階段引孔技術主要用來輔助沉樁[5]，粉噴攪拌樁樁機自引孔技術的研究應用不多。依托乾務赤坎大聯(lián)圍斗門段海堤(井岸下西堤路南延段～正涌閘)百年一遇防潮洪提升工程，總結了粉噴攪拌樁樁機自引孔技術在工程中的應用經驗。

2 研究背景

某防潮洪提升工程設計采用水泥粉噴攪拌樁對3.8 km的海堤地基進行加固，樁徑為Φ800，樁長為25 m，水泥摻量為180 kg/m。海堤半幅地基(見圖1)已被緊鄰的地產項目進行排水板預壓加固，加固深度為28 m；半幅為原始地基，地基表層土為約1 m厚的雜填土，表層土以下為30～40 m厚的淤泥及淤泥質土。正常下鉆速度為0.8 m/min時，電流負荷為100 A[8]。但在施工過程中發(fā)現部分地基土層密度較大，具體表現為樁機下鉆困難，樁機滿負荷下鉆速度為0.8 m/min時，樁機電流負荷≥150 A。且在噴粉過程中容易發(fā)引發(fā)堵管，爆管等故障，提鉆維修時，鉆頭還經常纏繞排水板(見圖2)。

圖1 項目局部加固土層范圍示意

圖2 自引孔障礙物處理示意

經了解，該地基部分區(qū)域曾被臨近的房建項目先期采用排水板堆載預壓加固處理過，不僅地基土層密度大，且存在大量的排水板。施工之前必須先對排水板加固地基進行引孔處理，不僅可以攪松土層，而且可以將排水板先期攪出，避免后續(xù)噴粉攪拌過程中因鉆頭纏繞排水板而斷樁。引孔處理后，使噴粉管內外壓力差滿足噴粉量達到180 kg/m的要求，保證成樁質量。

3 粉噴攪拌樁樁機自引孔技術機理

土層密度越大，鉆進越困難，則樁機電流負荷越大[9]。土層密度越小，鉆進越容易，則樁機電流負荷越小。根據土層密度和樁機電流負荷成正比的特性(見圖3)，通過實驗找出臨界電流數值，電流大于臨界電流值時，說明土層密度過大，需要自行引孔。當施工電流小于臨界電流數值時，說明土層適合噴粉成樁。

圖3 土層松緊度對應鉆機電流負荷示意

本項目采用功率為55 kW的HL805型單軸攪拌樁機[10]，采集了19次粉噴攪拌樁在不同緊密度土層條件下自引孔的次數對應的電流負荷值數據，繪制散點圖(見圖4)。

圖4 自引孔的次數對應的電流負荷區(qū)間散點示意

由圖4可以看出：鉆進攪拌樁機電流值≤100 A時，土層緊密度合適，噴粉管內外壓力為正壓，輸粉管可以噴粉成樁，不需要引孔。鉆進時樁機電流值區(qū)間為100～150 A時，土層較緊密，噴粉管內外壓力平衡，無法噴粉，需要自引孔1次攪散土體。鉆進時樁機電流值區(qū)間為150～200 A時，土層非常緊密，噴粉管內外壓力為負壓，需要自引孔2次。引孔后鉆進電流≤100 A時，表面土層已被攪松，噴粉管內外壓力可以保證成樁質量。經現場試樁，總結了不同密度土層對應的電流負荷參數(見表1)，來判斷土層是否需要先進行自引孔及引孔次數。

表1 土層松緊度對應鉆機電流負荷

4 施工工藝

4.1 工藝流程

粉噴攪拌樁樁機自引孔技術施工工藝主要有先期引孔攪松土層(見圖5、圖6)與攪拌噴粉成樁兩個步驟，具體工序如下[11]。

圖6 自引孔時拔除的排水板雜物示意

1) 先期引孔攪松土層：場地平整、孔位放樣→粉噴攪拌樁樁機對孔內土層反復鉆進和提鉆空攪→孔內土層密度符合成樁要求。

2)攪拌噴粉成樁：孔位放樣→粉噴攪拌樁樁機就位→噴粉攪拌下沉至設計深度→噴粉攪拌提升至設計標高→成樁結束→施工記錄→施工下一根樁[12]。

4.2 工藝試自引孔與試成樁

正式施工前須進行工藝試自引孔與試成樁，試樁成功后方可正式組織施工。本工程取3組樁進行試驗[13]。

1)試自引孔：試自引孔的主要目的是為了攪散高密度土層，為下一步攪拌樁順利成樁提供保障。通過自引孔實驗獲取以下信息：① 檢測當前土層密度需要自引孔時的攪拌樁機的鉆進電流負荷；② 檢測引孔終孔的最佳土層松散程度對應攪拌樁機的鉆進電流負荷；③ 檢測自引孔專用機械對當前土層壓力；④ 統(tǒng)計自引孔的引孔時間，便于指導后續(xù)大規(guī)模的自引孔施工；⑤ 檢測自引孔成孔的深度、直徑、垂直度、孔身的穩(wěn)定連續(xù)性是否達到相關要求[14]。

通過當前樁機的電流負荷來判斷當前土層密度是否需要自引孔和是否達到成樁的最佳土層松散程度。需注意的是：自引孔臨界電流負荷數值因機器功率性能的不同而有所變化，需要根據機器的功率和性能等情況進行調整，在現場實驗中確定。

2)自引孔后試成樁：試成樁目的主要有兩個方面，一是為了論證成樁工藝的可行性，二是為了統(tǒng)計每幅樁的水泥用量，尋求樁機最佳的攪拌頻次、降鉆速度、升鉆速度、復攪深度以及輸粉壓力等參數，以指導下一階段同條件的水泥粉噴攪拌樁全面施工[15]。

5 粉噴攪拌樁樁機自引孔技術成樁效果

在齡期達到28 d后對試樁的質量進行取芯檢測，發(fā)現在高密度土層區(qū)域，未采用自引孔技術的樁體，混凝土芯樣大都呈柱狀或長柱狀、少數成短柱狀、連續(xù)完整、膠結性好，芯樣斷口基本吻合，芯樣側表面粗骨料分布基本均勻，芯樣側表面有溝槽，芯樣強度為0.6 MPa，屬于III類樁(見圖7)。采用自引孔技術的樁體，混凝土芯樣呈長柱狀、連續(xù)、完整、膠結好，芯樣斷口吻合，芯樣側表面粗骨料分布基本均勻，僅局部芯樣側表面有氣孔、蜂窩麻面[16]，芯樣強度為1.0 MPa，屬于I類樁(見圖8)。取芯芯樣表明：采用自引孔技術的樁體質量明顯優(yōu)于常規(guī)施工樁體質量[14]。

圖7 未采用自引孔技術的成樁質量示意

圖8 采用自引孔技術后的成樁質量示意

6 粉噴攪拌樁樁機自引孔技術成樁質量控制

6.1 質量參數

樁機自引孔技術成樁質量控制參數見表2。

表2 粉噴攪拌樁樁機自引孔技術成樁質量控制參數

6.2 質量控制要點

1)孔位放樣：粉噴攪拌樁施工的孔位放樣主要有3個階段，為溝槽開挖放樣、先期引孔放樣、攪拌噴粉放樣[16]，通過專業(yè)測量團隊采用全站儀等測繪儀器進行放樣，根據設計施工圖紙、測量控制點對現場粉噴攪拌樁樁位進行精準放線，樁位點用小木樁掛紅線條標記，以便于現場施工樁位確定。尤其注意施工前需要復核樁位。

2)硬化劑：粉噴攪拌樁成樁主要材料為水泥、粉煤灰、石灰，選用的材料需要質檢合格，具有合格證書，施工中需采用智能電子秤全程計量材料用料，并記錄，歸檔，便于后續(xù)材料節(jié)超統(tǒng)計分析。

3)設備：粉噴攪拌樁樁機的移位、降鉆應有專人指揮，由當班組長負責最優(yōu)，降鉆前需檢查機械定位的準確性，偏差在規(guī)范要求的范圍內。噴粉前采用閉氣實驗檢驗供粉泵、送氣(粉)管路、管路接頭和閥門的密封性，一方面保證成樁質量，另一方面便于材料統(tǒng)計及成本控制。送氣(粉)管路的長度應≤60 m。樁機應具有瞬時檢測、記錄粉體量、攪拌深度的功能，且經國家計量單位認可[17]。

4)過程控制：攪拌噴粉前應將軟土預攪切碎，控制降鉆和提鉆速度(攪拌頭的旋轉高差變化不得超過15 mm/周)，有助于軟土同硬化劑充分攪拌均勻，保證成樁強度，提高成樁效果；施工中，攪拌頭與設計樁底距離在1.5 m以上時，立即啟動噴粉機提前噴粉，攪拌頭距原地面0.5 m時，立即停止噴粉機噴粉，當噴粉機因故停止時，應將攪拌頭調至?；颐嬉韵? m[17]。

6.3 適用范圍

粉噴攪拌樁樁機自引孔技術與沖孔灌注樁引孔技術相比，共同點主要有：① 均為地基處理的加固方式；② 需先自引孔，再成樁；③ 前期均需試成孔、試成樁。

不同點主要有：① 粉噴攪拌樁為干噴，沖孔灌注樁為濕噴；② 沖孔灌注樁成樁前需埋設護筒，埋設護筒前后均需測量樁位中心線，且偏差不大于50 mm[18]；③ 沖孔灌注樁成樁過程需要用水，過程控制影響因素比粉噴樁多了水灰比、水泥漿制備量、天氣等。

粉噴攪拌樁樁機自引孔技術適用于含有機雜質或局部突變的高密度土層進行作業(yè)，其引孔效果非常好，而對于含有大孤石的雜填土或含巖土層，由于其硬度較大、引孔效率低且容易磨損鉆頭，此時應采用沖孔樁機引孔回填黏土的處理方式。

7 結語

在含有機雜質或局部突變的高密度土層，采用粉噴攪拌樁樁機自引孔技術，有效解決了土體噴粉量不足、堵管、爆管等問題，成樁質量優(yōu)于常規(guī)施工方式。

1)通過現場試驗，根據對應的電流負荷值，確定了不同土層條件下自引孔的次數。

2)進行相應次數的攪拌樁機自引孔，需對土層中有機雜質預拔除、對高密度土層進行攪松，增加土層的孔隙，減少土層的密度和被動土壓力，保證輸粉管內外合適的壓力差。

3)相比采用沖孔樁機引孔回填黏土的引孔方式，粉噴攪拌樁樁機自引孔技術具有引孔速度快、施工簡單、孔內無需回填黏土、經濟環(huán)保等優(yōu)勢。