14粉体喷射搅拌桩施工工艺080704.docx
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14粉体喷射搅拌桩施工工艺080704
粉体喷射搅拌桩施工工艺
用粉体喷射搅拌桩（简称粉喷桩）施工方法加固软基，是利用专用的喷粉搅拌钻机将水泥或生石灰粉等粉体固化剂喷入软土地基中，并将软土与固化剂强制搅拌，利用固化剂与软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土结成具有一定强度的桩体而形成复合地基的一种施工方法，从而达到提高软基承载力，减少软基沉降的目的。
由于粉喷桩能有效减少总沉降量、能承受较大的加荷速率、抗侧向变形能力强、可大大缩短施工期等优点，故在软土地基的加固中得到广泛应用。
我国于80年代初引入此项技术，现已在公路、铁路与建筑等领域的软弱土地基的处理中得到有效应用。
1工艺特点
（1）施工机具设备简单，施工作业简便，
（2）无下沉坍落，作业安全可靠。
（3）在软基中采用钻头搅拌钻孔成桩，对地基及周围建筑物扰动小，地表下沉得到控制，施工中振动小、噪声低，具有良好的社会效益。
（4）以较小的投入即可达到理想的加固效果，成本低、效益高。
施工简便。
2适用范围及条件
（1）粉喷桩加固地基主要适用于公路、铁路、工业及民用建筑、市政、道路及港口、地下挡土结构等工程的软土地基处理。
（2）其适用的土质为：
淤泥质土、饱和粘土、亚粘土、粉土、素填土、杂填土等地基加固，地基土的天然含水量在小于30％或大于70％时不宜采用。
（3）加固深度一般为20m以内，加固土强度标准值一般取90d龄期的无侧限抗压强度，一般可达到0.8～2.0MPa。
（4）当地下水有侵蚀作用或加固的地基为泥碳土时，应通过试验确定其适应性，冬季施工应注意低温对加固效果的影响。
3工艺原理及设计要求
3.1工艺原理
粉喷桩是用改制的螺旋钻机，将钻杆钻至设计要求的土层深度，钻头到达下部设计地层后，用压缩空气将水泥粉或生石灰粉经钻杆内孔输送至钻头上特制的喷嘴，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。
钻头上的叶片将其四周一定范围内的土体自下而上不断切割，使之疏松，并与水泥或生石灰粉充分搅拌混合，水泥（生石灰）与水发生水化反应形成水泥（生石灰）土的混合固化体，该固化体的强度高于原土体的强度，在土中形成了一根水泥＋土的固化体柱，此即称为粉喷桩。
粉喷桩加固软弱土层的设计主要由单桩设计、复合地基设计及工艺性设计等部分组成，根据建筑物对地基承载力和变形的要求，结合上部结构的特点，粉喷桩可采用桩状、壁状、格栅状或块状等加固型式，其布置可采用三角形或正方形。
3.2加固机理
粉喷桩加固软土地基，即以水泥或生石灰粉作为固化剂，利用深层搅拌机械将水泥与原位软土进行强制搅拌、压缩，并吸收周围水分，经过一系列物理化学作用生成一种特殊的具有较高强度、较好变形特征和水稳性的混合柱状体，从而起到提高软土地基承载能力、减少地基的沉降量及保证桥头高填土路基稳定性的作用。
水泥加固软土是基于水泥与加固土的物理化学反应，形成坚硬的水化反应产物－固结体进而提高了土体的压缩模量和强度
3.3设计要求
粉喷桩就其自身性质来说是一种介于钢性桩与柔性桩之间的一种桩型，其刚度、抗压强度和抗侧压力作用均小于刚性桩而大于柔性桩。
单桩承载力可根据室内配方试验提供的桩身强度及地质报告按下式估算
Rk=ηfcuAp
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）；
η——桩身强度折减系数，可取0.3～0.4；
Ap——桩的面积（m2）。
由于粉喷桩桩身强度较刚性桩低，在垂直荷载作用下有一定的压缩变形，在桩身压缩变形的同时，其周围的软土也分担一部分荷载，形成了柔性复合地基。
粉喷桩复合地基的承载力标准值可按下式计算
fck=mRk/Ap+β（1-m）fs
式中fck——复合地基承载力标准值（kPa）；
m——桩土面积置换率；
fs——桩间土天然承载力标准值（kPa）；
Rk——单桩竖向承载力标准值（kN）；
Ap——桩的面积（m2）；
β——桩间土承载力折减系数，当桩端为软土时，可取0.5～1.0；当桩端土为硬土时，可取0.1～0.4；当不能考虑桩间软土的作用时，可取零。
当地质资料确定时，粉喷桩复合地基的承载力标准值跟粉喷桩单桩承载力及设计的置换率有关。
当桩体强度及置换率一定时，复合地基承载力由单桩承载力确定，单桩承载力越大，复合地基的承载力就越高；当桩体强度及桩长一定时，复合地基承载力由置换率确定，置换率越高，复合地基承载力越高。
4施工工艺流程
粉喷桩施工工艺流程如图1所示。
5操作要点
5.1施工准备
（1）粉喷桩施工前准备好下列施工技术资料：
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，粉喷桩设计桩位图，原地面高程数据表，加固深度与停灰面高程以及测量资料等。
室内配合比确定水泥用量，由于水泥加固土桩体的质量与天然地基土的性质有关，因此当地基加固工程决定采用粉喷桩时，水泥掺入量的确定很关键，首先在施工前至少28天，要在室内标准条件下，制配不同配比的水泥土试件，进行不同龄期的强度试验。
室内配合比取5个掺入比（一般为12%～16%）进行试验，现场采集具有代表性要加固的土样及施工用的固化剂送至实验室，按拟定的配合比和操作程序制作试块，试块成形后1～2d拆模，称重后送入养护室进行各龄期养护，达到规定龄期后，称重，作无侧限抗压强度试验，选定最优灰比。
（2）平整场地，清除障碍。
对场地低洼和地表过软处，回填粘性土或铺设砂、碎石垫层找平，使施工场地满足机械行走要求，并采取防止机械失稳的措施。
（3）施工机具准备，进行机械组装和试运转。
（4）粉喷桩的施工工艺根据设计要求的配比和实测的各项施工参数通过试桩来确定。
试桩不得少于2根，一般为5根，通过试桩来确定钻进速度、提升速度、搅拌速度、喷气压力、单位时间喷粉量等。
5.2施工工艺
（1）桩基就位。
根据设计，放线确定钻机位置的基础，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，直至设计深度。
（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。
提升速度有I、II、III三个挡位，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50cm时，喷粉器停止向孔内喷射粉料，成桩结束。
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，直至设计深度的1/3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，复拌的深度一般是设计桩长的1/3，复拌是保证成桩均匀和提高桩体强度的有效措施。
（6）移位。
准备打下一根桩。
5.3施工操作要点
（1）机身调平以钻杆是否垂直为依据，实际操作时可用铅锤吊线，必要时可在机身设置激光对中仪进行控制。
（2）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，将钻头提升至地面，切断空压机电源，停止送气。
查明堵塞原因，予以排除。
（3）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。
一般在开工前通过观察确定滞留时间。
当用30m送料管时，滞留时间为2～4分钟。
（4）整个制桩过程一定要保证边喷粉、边提升连续作业。
在空气湿度大、粉体流动性差、喷气压力大、单位桩长喷粉量大时，应开通灰罐进气球阀，以对罐料加压。
如出现断粉，应及时补喷。
补喷重叠长度不得小于0.5m。
（5）粉喷桩搅拌下沉时尽量不用水冲下沉。
当遇较硬土层下沉太慢时，方可适量冲水。
采用水冲下沉时，喷粉提升前必须将喷粉管内的水排净，同时，还应考虑冲水成桩时对桩强度的影响（土层含水量增加10%，水泥土的强度降低10%～15%）。
（6）桩顶设计标高与地面标高接近时，地面以下1m范围内喷粉、搅拌、提升宜用慢速，当喷粉即将出地面时，宜停止提升，搅拌数秒钟，以保证桩头均匀密实。
（7）喷粉开始时，应将电子秤显示屏置零，使喷粉过程在电子计量显示下进行。
喷粉搅拌时，记录人员应随时观察电子秤的变化显示，以保证各段（通常以1m为一个单位）喷粉均匀。
（8）粉体固化剂入罐时必须过筛，以保证入罐固化剂粒径最大不超过0.5cm，没有纸屑、石块等杂物。
水泥可采用不同品种水泥，标号一般采用PO32.5或PO42.5，掺入比为12%～16%，水泥标号每提高100号，水泥土的无侧限抗压强度qu约增加20%～30%。
5.4施工注意事项
为了确保施工质量，在工程施工过程中，应重点注意以下事项：
（1）控制钻机下钻深度、喷粉高程及停灰面，确保粉喷桩长度。
严禁没有粉体计量装置的喷粉机投入使用。
同时，注意定时检查粉喷桩的成桩直径及搅拌均匀程度。
对使用的钻头定期复核检查，其直径磨耗量不得大于2cm。
（2）当钻头提升至地面以下0.5ｍ时，喷粉机应停止喷粉。
当喷粉成桩过程中遇有故障而停止喷粉，在第二次喷粉接桩时，其喷粉重叠长度不得小于1ｍ。
在粉喷桩施工时，泵送水泥必须连续，固化材料的用量以及泵送固化材料的时间应有专人记录，其用量误差应控制在±1％以内。
为保证搅拌机的垂直度，应检查起吊设备的平整度和导向架对地面的垂直度，每工作班检查不少于2次，使垂直度偏差不超过1％。
（3）严格搅拌机操作规程。
喷粉提升的速度和次数必须符合预定的施工工艺要求，搅拌机每次下沉或提升的时间应有专人记录，深度应达到设计要求，时间误差不得大于5秒，施工前丈量钻杆长度，并标上明显标志，以便掌握钻入深度，复搅深度。
施工中出现问题应及时处理、做好记录。
储灰罐容量应不小于一根桩的用灰量加50kg，如储量不足时，不得对下一根桩开钻施工。
粉喷桩必须根据试验确定的技术参数进行施工，操作人员应如实记录压力、喷粉量、钻进速度、提升速度、钻入深度及每根桩的钻进时间等。
6主要施工设备
主要施工机械如下：
（1）50kW以上发电机一台，向系统提供动力。
（2）粉体发送器一台，向钻机提供气粉混合物。
（3）空气压缩机一台，作为风源。
（4）GPP-5型搅拌机一台（由步履式移位机架、电动机、卷扬机、液压泵、转盘、变速箱等组成，成桩直径50cm）通过搅拌叶片的机械搅拌作用，使灰土混合。
7劳动力组织
每台钻机由8～10人组成：
（1）班长1名。
负责施工指挥、质量进度协调各工序之间的工序衔接。
（2）司机工1名。
正确操纵搅拌钻机的定位、下钻、提升喷化粉体等工序观察检查机械运转情况和维修保养。
（3）司泵工1名。
负责空压机、电子秤以及泵送管道的正常运转和设备的保养。
（4）记录员1名。
记录施工中的各类数据。
（5）送灰工1名。
负责喷粉机的操作保养，掌握正确喷粉。
（6）送料工2名。
保证灰罐中固化粉体充足。
（7）电工1名。
维护全部电器设备的运转、保证正常照明。
（8）机械工1名。
整套机械设备的运转和维修。
8质量检测及控制要点
8.1质量检测
（1）粉喷桩施工质量允许偏差应符合表1规定。
表1粉体桩施工质量允许偏差表
序号
项目
单位
允许偏差
检查方法或频率
1
桩轴线偏移（纵横）
mm
100
用经纬仪检查（或钢尺丈量）
2
钻杆倾斜度
%
1
用经纬仪检查
3
桩长
不小于设计规定
喷粉前检查钻杆长度
4
单桩喷粉量
%
8
计量仪或其它计量装置
5
桩体无侧限抗压强度
不小于设计规定
桩头或桩身取样，2%
（2）质量检测方法。
粉喷桩主要有以下几种质量检测方法：
1）挖桩检查法是目前软基设计规范规定的方法，要求按桩总数2%的取样频率挖桩检查桩的成型情况，然后分别在桩顶以下50cm、100cm、150cm等部位砍取足尺桩头，进行无侧限抗压强度试验，检查频率为2‰且每一工点不少于2根。
该方法对于粉喷桩易于出问题的下部则无法检测，不仅挖桩、砍桩头工程量大，而且破坏了天然地层，回填困难。
据此，该方法弊大利小，不应作为规范推荐的方法。
2）轻便触探仪触探法也是规范规定的方法。
轻便触探需在早期进行，一般龄期不能超过5～7天，且轻便触探探测深度一般不超过4m，故对粉喷桩深层质量无法测定，与第一种方法一样，测定结果无代表性。
3）钻孔取芯法采用地质钻机对粉喷桩进行全程钻孔取芯样（龄期一般为28天），这是目前粉喷桩质量检测中常用的方法，测定结果能较好地反映粉喷桩的整体质量，检查频率为1‰且每一工点不少于2根。
该方法也存在检测时间长、钻孔费用高，钻孔取芯时间一般需在28天以后，难以对粉喷桩质量实施动态控制等问题。
4）静载试验法能根据桩承载力的大小定性地确定桩体质量，但由于测试费用较高，每个工程只能抽检很少数量，故测试结果也无代表性。
5）动测法主要是指低应变动测法，它是基于一维波动理论，利用弹性波的传播规律来分析桩身完整性。
检测速度快，测试简单，但国内大量资料表明，粉喷桩桩体强度与波速之间关系离散，桩端阻抗与周围介质没有明显变化，桩底反射不明显，因而难以用动测法评价桩身质量。
8.2质量控制要点
粉喷桩是介于刚性桩与柔性桩之间具有一定压缩性的桩，采用水泥干粉施工,受地下土质、地下水等不确定因素的影响，施工质量难以控制，桩身压缩变形大、抗震动、抗剪切能力较差。
如何采取有效措施，确保复杂地质情况粉喷桩成桩质量成了施工质量控制的关键。
粉喷桩属于地下隐蔽工程，易受施工用材料、机械、工艺、施工人员的责任心等多种因素的影响，因而其质量控制要贯穿于施工的全过程，必须坚持全方位的施工控制。
施工过程中必须随时检查加固料用量、桩长、复搅长度及施工中有无异常情况，并记录其处理方法及措施。
为了确保粉喷桩桩体的质量，施工过程中还应对影响粉喷质量的以下几个问题加以分析，并做好过程控制，保证施工质量。
（1）针对地基含水量变化大的特点，做好质量控制。
粉喷桩质量的优劣主要反映在粉喷桩的强度指标上，这不仅与掺入粉体的质量、施工工艺、地基土的性质有关，其中尤以含水量的关系甚为密切。
规范规定，地基土的天然含水量在小于30％或大于70％时不宜采用。
因为当土的含水量小于30％时，土中的水份不足以使粉体进行水化作用，成桩效果很差，严重影响粉喷桩的质量；当含水量大于70％时，含水量过高的土壤往往孔隙比大，若按常规掺入粉体数量，由于水分过多形成不了足够强度的水泥土桩体，将严重影响粉喷桩的强度，在这种情况下必须增加粉体的掺入量和采用复搅的施工工艺。
对于含水量高于70%、大孔隙比和粘粒含量多的地段，根据地基土周边的束缚力极低，当钻头反转提升喷灰时，产生一个垂直向下挤压力和一个径向水平推力，由于土呈流塑状，束缚力极低，桩体在成形过程中向下及向四周水平向排水，影响形成竖向桩体，通常形成所谓“掉桩”或“下沉”，常为地表下1～2m。
当发生“掉桩”或“下沉”时，只要当时采取立即回填土并重新复喷复搅，就能克服这种现象，如果不作处理将会造成过大的路基沉降。
在施工过程中对含水量接近或超过70%的软土地段可采用增加水泥用量5kg/m的措施进行控制,并在施工过程中加强观察，对偶然出现的“掉桩”或“下沉”现象采取了立即回填土并重新复喷复搅。
2）桩土置换率及粉体掺入量对复合地基强度的影响。
在实际设计运算时往往提供所要求达到的复合地基强度、拟定的粉喷桩强度及天然地基土的强度来求桩土的置换率，计算出桩数，然后布置桩位，再作有关的验算。
实践证明若置换率过低，如小于10％往往达不到设计要求，甚至前功尽弃。
作为复合地基的桩土置换率必须大于一定值，否则起不到复合地基的作用，所以在规范中定为10％～20％。
同样粉体的掺入量也需控制在一定值，规范定为10％～15％。
如前所述，当软土中含水量大于70％，必须加大粉体掺入量，否则将形成不了桩体或形成强度达不到要求的桩体，不能满足设计要求。
因此，在施工中确保粉喷桩桩体强度、桩长进入持力层是确保粉喷桩施工质量，确保复合地基承载力，减少路基沉降的关键。
但也必须切实核对地基土的性质是否跟实际相符，确定桩土的面积置换率是否达到设计要求，桩的布置数量是否得当，确保复合地基强度。
（3）复搅和转速对桩强度的影响。
大量的施工实践已充分证明复搅与不复搅的质量相差甚大。
复搅的作用在于通过充分的搅拌使粉体与粘土及水得到比较完全的接触和作用，促使桩体的充分形成。
同时，钻头喷出的粉体一般呈脉冲状，若不充分进行搅拌，粉体在桩中往往呈层状，形成一种“夹生”，对桩的强度不利。
如承受水平推力作用的话，应进行全程复搅，若作为路基加固只承受垂直向力作用，也可以只复搅上部1/3的桩体。
为了提高工效，粉喷钻机下钻时可以提高转速，但是当反转提升喷粉搅拌时切莫快速旋转和提升；否则将会严重影响搅拌的均匀性和足够粉量的掺入。
针对本项目软土地基淤泥层深厚，有机质及含水率差异大等特点，施工中切实按工艺流程进行复搅，并控制好反转提升喷粉搅拌时的速度。
（4）粉体喷入的计量控制。
桩的质量与粉体掺入量的多少有直接关系，如何计量粉体便成为关键。
从理论上讲，气体和固体双相流的计量具有很大难度，但又非常重要，目前使用的灰罐体积测量法、电子秤称重法、弹簧秤称重法等均不是很理想的计量方法。
最近某些单位通过对粉喷桩新型计量装置的研制，提出了气固双相流称量计量，它可以较大程度地克服现有计量装置所产生误差，同时也提出了改进目前电子秤称重法的方案，从而使得粉喷桩施工工艺更趋完善，质量更加可靠。
一般从以下方面控制：
要保证喷粉的均匀性，关键是掌握好钻头的提升速度。
因水泥喷入为人工控制，必须避免出现为满足每米喷粉量的要求，施工人员根据记录器显示凑数字，而认为导致的喷粉不均匀现象；从开始喷灰到钻头处出灰有一定时间，钻机钻至桩底后，必须预喷停留一段时间，方可提钻。
停留时间由管道长度等确定。
喷灰时，水泥在管道内的输送速度大约为1m/s，如管道长40m，钻至桩底后即喷粉提钻，则桩底实际少灰长度接近1m，反而搅动破坏了桩底原状软土，使沉降量加大。
（5）当粉喷桩打穿软土层进入较硬的持力层沉降很少；若未打穿软土层，成为悬浮式时沉降就大。
地基的过大沉降，说明桩尖下卧软土层的沉降还相当大，而且持续时间较长，将不得不重新进行处理甚至报废。
粉喷桩宜尽量打至持力层上（一般控制为qc=800kPa），并且进入持力层50cm左右。
在施工过程中，桩底设计标高往往与持力层并不一致，施工单位容易出现桩长以设计标高控制的现象，如在桩尖下尚留几米软土，根据科研成果，则会有较大的工后沉降量，由于排水不畅，预压很长时间也很难稳定。
故粉喷桩实际施工桩长应按进入持力层控制。
判别是否进入持力层的方法可由钻机钻到最深时的下钻速度和电流表的读数来判定，这两个参数是在工艺试桩时确定，一般是下钻速度0.5m/min，电流值是额定电流值的125%以上。
9安全及环保措施
9.1施工安全
（1）严格执行安全操作规程，安全员负责安全教育和检查，严禁不合要求的施工操作
（2）机械设备运行时，特别是在制桩过程中，岗上人员必须坚守岗位，夜间作业应充分照明，登高作业要系安全带。
（3）施工时地面的承载力应满足钻机重量要求，钻机放置应平衡、垂直。
（4）当钻机入土切削和搅拌负荷太大时，应减速；一旦发生卡钻、停钻等现象，应立即切断电源，将钻机强制提起。
（5）建立机械设备的定期检查、保养制度。
（6）及时排除空气储气罐内的积水。
9.2环境保护
（1）水泥、石灰细颗粒散体材料，应遮盖存放；运输时必须封闭覆盖，不得沿途撒落。
（2）制定洒水防尘措施，指定专人负责现场洒水降尘。
（3）采取有效降噪措施。
（4）施工中溢出的浆液不得随意排放，防止污染环境。
10应用实例
水泥粉喷桩在苍郁高速公路中的应用：
苍郁高速公路位于桂东粤西丘陵峡谷山区，沿线软土地基路段较多，土质为粘土、亚粘土、砂土夹泥炭层，呈软～可塑状，其中夹有透镜体砂层。
大部分软土天然含水量在36%～57%之间，容重在17.5～19.1kN/m3，孔隙比在1.32～1.05。
软土最深可达7m，对于软土深度在3米以上的地段，采用水泥粉喷桩进行处理。
粉喷桩设计桩径为50cm，桩长3.0m～7.0m，按三角形梅花桩布置，按喷粉量50kg/m进行，设计要求水泥土90天无侧限抗压强度≥2.0MPa。
本工程粉喷桩22750根共计12万延米，由业主委托有资质的质检部门进行检测。
桩距、桩径、桩长、竖直度、单桩喷粉量都符合设计及规范要求；采用低应变反射波法进行桩长及成桩均匀性的定性检测，检测桩的频率为5%共1138根，桩身都比较完整；28天龄期无侧限抗压强度试件157个（2.3‰＞2‰），强度值在1.9～4.4MPa之间，经质检部门推算提供90天龄期强度为2.5～5.8MPa，达到了设计和规范要求。
苍郁高速公路完成通车已一年多，在有水泥粉喷桩处理软基的地段，未出现路基异样沉陷情况，也未见有由于路基原因影响而引起路面面层开裂的现象，证明采用水泥粉喷桩处理软基在本工程中的应用是成功的，既节约了投资，又保证了工程质量，达到了设计的预期效果。
施工照片见图2～图6。
图5粉喷桩桩头外观
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