粉噴樁技術(shù)在鐵路便橋墩臺(tái)地基加固中的應(yīng)用

李 旭，謝在巍

(沈陽(yáng)鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，沈陽(yáng) 110013)

粉噴樁是深層攪拌樁的一種，水泥粉噴樁采用水泥、石灰作為固化劑，通過(guò)噴攪機(jī)械，用壓縮空氣將水泥粉體以霧狀噴入地基土中，與原地軟土就地強(qiáng)制拌合;利用水泥吸水和與周圍土顆粒發(fā)生水解、水化反應(yīng)并進(jìn)行陽(yáng)離子交換等一系列物理化學(xué)作用，硬化后形成整體性強(qiáng)、水穩(wěn)性好和足夠強(qiáng)度的水泥土樁體，樁體和樁周土共同形成復(fù)合地基，從而起到加固地基的目的。粉噴技術(shù)作為一種具有廣泛適用性的地基處理技術(shù)，具有很高的推廣價(jià)值和良好的發(fā)展前景。本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹粉噴的設(shè)計(jì)和施工實(shí)踐。

1 工程概況

此工程位于長(zhǎng)白線K124 km處，由于正線大修換梁，擬建一便橋臨時(shí)通行，便橋?yàn)?孔跨度16.0 m梁橋。橋墩底下為粉土層，天然承載力標(biāo)準(zhǔn)值只有80～100 kPa，無(wú)法滿足墩底設(shè)計(jì)承載力300 kPa的要求。為解決橋墩施工時(shí)地基承載力不足以及橋墩施工完畢后基礎(chǔ)沉降的問(wèn)題，擬采用粉噴樁對(duì)基礎(chǔ)持力層土進(jìn)行加固。設(shè)計(jì)中曾比較了鋼筋混凝土灌注樁和粉噴樁兩種方案，灌注樁造價(jià)過(guò)高，工期長(zhǎng);而粉噴樁不僅可以提高地基承載力，而且造價(jià)低，工期短，完全可以滿足便橋墩臺(tái)的承載力和沉降要求。

根據(jù)《工程地質(zhì)報(bào)告》，地層巖性基本特征自上而下如下述:

1)雜填土:層厚0～0.90 m;

2)粉土:灰色及灰綠色，0.90～3.50 m，軟塑，夾薄層粉砂，基本承載力標(biāo)準(zhǔn)值為100 kPa;

3)粉質(zhì)黏土:灰色及灰綠色，3.50～5.10 m，軟塑，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為80 kPa，鉆孔樁樁周摩擦力qs=5 kPa;

4)粉砂土:灰色，飽和，5.10～6.40 m，中密，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為140 kPa，鉆孔樁樁周摩擦力qs=12 kPa;

5)細(xì)砂:灰色，飽和，6.40～13.20 m，中密，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為280 kPa，鉆孔樁樁周摩擦力qs=22 kPa;

6)粉質(zhì)砂巖與泥質(zhì)頁(yè)巖互層:灰綠色及紫紅色，風(fēng)化嚴(yán)重，呈碎屑狀，13.20～18.20 m，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為 300 kPa，qs=25 kPa。

本次勘探期間，穩(wěn)定水位0.82 m(受水田及水坑影響)。

2 設(shè)計(jì)方案

1)樁體直徑確定

本工程樁體直徑初步定為0.60 m。按梅花形布置。

2)注漿材料的選擇

規(guī)范中規(guī)定水泥和石灰都可作固化劑，選用水泥時(shí)建議采用礦渣水泥。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論，礦渣水泥的前期強(qiáng)度低于普通硅酸鹽水泥，而后期強(qiáng)度則相反，所以從經(jīng)濟(jì)及后期強(qiáng)度方面考慮采用礦渣水泥。

3)水泥摻合比的確定

攪拌樁身的水泥土抗壓強(qiáng)度 fcu，k主要根據(jù)室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)確定，本工程選用32.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥，每米樁長(zhǎng)水泥噴入量為50 kg。樁身強(qiáng)度隨齡期增大而增大，以90 d齡期強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.6 MPa，28 d強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的60% ～75%。

4)樁長(zhǎng)的設(shè)計(jì)

粉噴樁與柔性碎石樁、砂樁和剛性的混凝土樁相比，屬于一種過(guò)渡性質(zhì)的樁體，兼有剛?cè)嵯酀?jì)的雙重性。從經(jīng)濟(jì)技術(shù)的角度考慮，在樁徑不變的條件下，提高復(fù)合地基承載力的合理途徑應(yīng)是提高水泥標(biāo)號(hào)和置換率，增加復(fù)合地基的抗壓強(qiáng)度。

按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ 7—89第三章第二節(jié)的有關(guān)規(guī)定計(jì)算。

考慮到粉噴樁端部噴粉量較小，且原狀土已被擾動(dòng)，故一般不計(jì)粉噴樁端部的支承力，但對(duì)長(zhǎng)度<10 m的樁(本工程)，則應(yīng)計(jì)及粉噴樁端部的支承力。

單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值 (取較小者)

sppp0.196×280=181 kN

則m=0.46

0#臺(tái):墩底面積6.9 m×4.7 m，樁長(zhǎng)7 m。

1#墩:墩底面積6.0 m×4.8 m，樁長(zhǎng)6.5 m。

2#墩:墩底面積4.7 m×4.7 m，樁長(zhǎng)9.0 m。

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ 7—89的有關(guān)規(guī)定，樁長(zhǎng)以穿透粉砂土層，進(jìn)入細(xì)砂層0.5 m為原則，計(jì)算得出樁長(zhǎng)6.5～9.0 m，現(xiàn)場(chǎng)布置樁間距0.7 m，0#臺(tái)下鉆孔 77 根，1#墩下鉆孔 72 根，2#墩下鉆孔53根。共計(jì)202根樁，1 484延長(zhǎng)米。粉噴樁裝置如圖1。

圖1 粉噴樁布置立面(單位:cm)

3 施工方法

3.1 主要機(jī)械人員配備

XJ-100型樁機(jī)3臺(tái);工長(zhǎng)1人，電機(jī)操作員2人，鉆桿工3人，上料員2人，試驗(yàn)員1人，機(jī)修工1人，共10人。

3.2 施工前準(zhǔn)備

組織人員對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地踏勘，收集有關(guān)通信、信號(hào)等各種地下管線埋設(shè)情況的資料;現(xiàn)場(chǎng)做到三通一平。

施工前應(yīng)當(dāng)在施工現(xiàn)場(chǎng)選擇適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行鉆探并提取原狀土樣及水樣，在室內(nèi)做土工實(shí)驗(yàn)，確定持力層土天然承載力等各種物理力學(xué)指標(biāo)。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行成樁試驗(yàn)，數(shù)量≥5根，以確定該地段的成樁工藝及各項(xiàng)技術(shù)參數(shù);成樁7 d后進(jìn)行開挖檢查樁體成形情況、攪拌均勻程度等。最后確定本工程的技術(shù)參數(shù)為:鉆進(jìn)速度不大于1.5 m/min，提升速度不大于0.8 m/min，管道壓力非噴灰時(shí)介于0.1～0.2 MPa之間，噴灰時(shí)介于0.25～0.40 MPa之間。

根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)或者基準(zhǔn)軸測(cè)放橋梁墩臺(tái)軸線及輪廓線，并根據(jù)事先設(shè)計(jì)的加固處理方案圖測(cè)放各注漿孔位置，并在以后的施工中經(jīng)常復(fù)測(cè)樁位標(biāo)志的準(zhǔn)確性。

3.3 粉噴樁施工

1)鉆機(jī)就位:在進(jìn)行鉆孔施工前技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)二次復(fù)查放線孔位是否準(zhǔn)確，鉆孔施工必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)的位置、角度、次序進(jìn)行。吊鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)位后，使鉆桿垂直，傾斜度<1%，樁位偏差<5 cm。

2)鉆進(jìn):啟動(dòng)鉆機(jī)，鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，噴入壓縮空氣而不噴入粉體。

3)停鉆:當(dāng)鉆進(jìn)到達(dá)設(shè)計(jì)高程后停鉆。

4)提升:啟動(dòng)鉆機(jī)，鉆頭反向邊旋轉(zhuǎn)邊提升，同時(shí)通過(guò)粉體發(fā)送器將水泥噴入土中，使土體與粉體進(jìn)行拌合。

5)停噴:當(dāng)鉆頭升至距原地面50 cm時(shí)停止噴料。

6)復(fù)攪:重復(fù)攪拌至樁長(zhǎng)三分之一提升鉆頭，攪拌至第一次停噴的位置，成樁結(jié)束。大量的施工實(shí)踐已充分證明復(fù)攪對(duì)樁體質(zhì)量影響很大。鉆頭噴出的粉體往往呈脈沖狀，若不充分?jǐn)嚢瑁垠w在樁中呈現(xiàn)層狀，形成一種“夾生”，這樣的樁即使水泥摻入量再多也沒有強(qiáng)度。復(fù)攪的作用在于通過(guò)充分的攪拌使粉體與土、水得到比較完全的接觸與作用，促使樁體的形成。為了確保攪拌的均勻性，施工時(shí)要嚴(yán)格掌握好鉆機(jī)提升速度、攪拌葉旋轉(zhuǎn)速度等，并應(yīng)盡量采用全樁復(fù)攪以保證質(zhì)量。

3.4 工程質(zhì)量檢測(cè)

1)隨機(jī)取樣，水泥土試塊90 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，平均強(qiáng)度最小的一組試塊為2.0 MPa，大于設(shè)計(jì)值1.6 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

2)成樁28 d后在樁體上部(樁頂以下0.5 m、1.0 m、1.5 m)截取三段樁體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)足尺樁身無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3)在取得粉噴樁材料與波速關(guān)系的前提下，可采用小應(yīng)變動(dòng)測(cè)法進(jìn)行樁長(zhǎng)及樁身完整性的定性檢查。

4)對(duì)于重要工程或者對(duì)沉降要求較高的工程應(yīng)做樁及復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。本工程復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值340 kPa，大于要求達(dá)到的復(fù)合地基容許承載力標(biāo)準(zhǔn)值300 kPa，說(shuō)明水泥土凝固效果好，成樁工藝滿足設(shè)計(jì)要求。

4 工程體會(huì)

綜合本工程實(shí)踐，總結(jié)粉噴樁有如下優(yōu)勢(shì):

1)設(shè)備簡(jiǎn)單、容易操作，機(jī)械化程度高。而鉆孔灌注樁存在鋼護(hù)筒制作與安樁、泥漿制備、鋼筋籠綁扎與吊裝、超聲波監(jiān)測(cè)等復(fù)雜工藝，且施工難度大，還存在坍孔與斷樁等危險(xiǎn)因素。

2)勞動(dòng)強(qiáng)度低、投入勞力少，施工進(jìn)度快，施工場(chǎng)地不受限制，工期短。

3)采用粉噴樁對(duì)地基加固，從工程造價(jià)上較鉆孔灌注樁節(jié)省投資約20% ～30%，較預(yù)制樁節(jié)省約30%～40%。因此在地基加固中采用粉噴樁實(shí)為一種效果好、成本低的地基處理方法。

橋梁通車后，對(duì)橋梁的使用情況和橋梁基礎(chǔ)的跟蹤調(diào)查結(jié)果表明，地基最終沉降量滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，使用效果良好，保證了便橋過(guò)渡的作用，證明了粉噴樁應(yīng)用于小型橋涵的地基工程中是成功的。

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ79—2002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[2] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[3] 地基處理手冊(cè)編寫委員會(huì).地基處理手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[4] 施愛華.深層攪拌樁加固高速鐵路軟土地基的試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2007(8):52-55.