粉噴樁樁間土強度提高的試驗研究

袁亦敏,柳家海，周洎錕

(1.常州市建設(shè)工程施工圖設(shè)計審查中心,江蘇常州213002；2.常州市基礎(chǔ)工程公司,江蘇常州213017)

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粉噴樁樁間土強度提高的試驗研究

袁亦敏1,柳家海2，周洎錕2

(1.常州市建設(shè)工程施工圖設(shè)計審查中心,江蘇常州213002；2.常州市基礎(chǔ)工程公司,江蘇常州213017)

摘要：根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，粉噴樁復合地基樁間土的承載力特征值可取天然地基的承載力特征值。實踐證明，對常規(guī)的粉噴樁施工工藝加以改進，其樁間土強度與天然地基相比有明顯提高，且時效性增長。因此，采用處理后的樁間土強度指標進行粉噴樁復合地基承載力的計算是可行的。

關(guān)鍵詞：粉噴樁復合地基; 樁間土強度; 時效性增長

0引言

樁體與樁間土同時直接承擔荷載是復合地基的基本特征，也是復合地基的本質(zhì)?！督ㄖ鼗幚砑夹g(shù)規(guī)范理解與應(yīng)用(按JGJ 79—2012)》中提到：“……關(guān)于混合體以外土的性狀有無改善的問題，經(jīng)測試認為，雖然固化材料可以從混合體向周圍滲透，但其反應(yīng)緩慢，滲透范圍有限，應(yīng)用中不予考慮。因此，樁間土仍采用天然地基的力學指標。至于粉噴時水泥粉吸水所產(chǎn)生的影響也忽略不計?！盵1-2]

實踐證明，用本文改進的粉噴樁工藝施工，樁間土地基承載力有很大提高。粉噴樁復合地基強度隨著時間的延長明顯增大。

1粉噴樁樁間土強度提高的案例

1.1江蘇華耐七車間工程[3]

該車間場區(qū)軟土厚度變化很大，從Q3正常沉積土(fak=240 kPa)至軟土厚度19.4 m，設(shè)計采用粉噴樁局部加固處理軟基(fak=70 kPa)。用上海探礦機械廠生產(chǎn)的功率為45 kW，可施工22 m長的粉噴樁機施工，配備2臺2.8 m3/min，0.8 MPa氣壓的空壓機，增加1 m3的儲氣罐。該工程原狀土與樁間土靜力觸探值對比見表1。探測發(fā)現(xiàn)，軟土底部3 m左右，樁間土靜力觸探值明顯提高。

表1　華耐天然土與樁間土靜力觸探值對比

1.2常州鉅苓鑄造新建車間三工程[4]

常州鉅苓鑄造新建車間天然土與粉噴樁樁間土靜力觸探曲線對比見圖1。新建車間三長130 m，寬45 m，西側(cè)為24 m×45 m的3層框架結(jié)構(gòu)，柱距8 m×9 m，地面荷載10 kN/m2,東側(cè)為單層排架結(jié)構(gòu)，高22 m。場區(qū)跨越2個工程地質(zhì)單元，即Q3正常沉積區(qū)(fak=260 kPa)和暗河塘軟土分布區(qū)(fak=65 kPa)，軟土占2/5，厚3～15.5 m不等。設(shè)計采用粉噴樁局部處理軟土，設(shè)計要求fspk=160 kPa，Ra=98 kN，m=0.3(有效樁長6.4 m以上)。當有效樁長小于6.4 m時，Ra=70 kN，m=0.4。

qc單位：MPa;fs單位：kPa;標高單位：m圖1　車間三天然土與樁間土靜探曲線對比圖

粉噴樁施工結(jié)束，在原勘察孔附近的樁間土內(nèi)做了靜探試驗，樁間軟土及樁端土靜探值提高十分明顯。從設(shè)計到竣工總計493 d，竣工時天然地基累計沉降9.71 mm，i=0.016 8 mm/d，復合地基累計沉降9.68 mm，i=0.017 8 mm/d。其實際沉降量遠小于計算沉降量，與樁間土強度的提高有關(guān)。

1.3常州武進橫山橋污水處理廠污泥系統(tǒng)改造工程[5]

該工程天然土與樁間土靜力觸探值對比見表2。該工程地基中淤質(zhì)土較厚，采用長短樁相結(jié)合布樁，短樁有效樁長9 m，保證Ra=90 kN，長樁進入軟土下相鄰下伏持力層1 m，控制沉降，樁間土上部6 m左右，qc及fs增長較大，說明該場地位于河道的陡坡帶是回填的松散土。經(jīng)粉噴樁氣壓的擠密及劈裂，水泥粉進入裂隙。淤質(zhì)土的底部及樁端持力層，樁間土靜力觸探值也明顯增加。再下鉆進預攪地基土，下沉至距孔底1.5 m左右開始噴粉，并向下鉆至要求孔深，繼續(xù)噴粉攪拌提升。樁端部0.5 MPa的氣壓使持力層壓實，使淤質(zhì)土底部軟土也被擠壓密實，且使軟土環(huán)向剪切劈裂讓水泥粉進入裂隙內(nèi)，引起強度增長。

表2　污水廠天然土與粉噴樁樁間土靜力觸探值對比

1.4常州軸承總廠車間三工程[6]

常州軸承總廠車間三天然土和樁間土靜力觸探值對比見表3。6年前，該單位在車間三場區(qū)已施工了粉噴樁，但沒有做靜載荷試驗。因生產(chǎn)發(fā)展的需要，該廠對車間三另行設(shè)計，將前后兩樁位圖按坐標重合，進行粉噴樁補樁施工。樁間土靜力觸探選擇了2 100 d以前施工的樁間土。

表3　常州軸承總廠車間三天然土及粉噴樁休止2 100 d后樁間土靜力觸探值對比

注：②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土休止2 100 d后樁間土加權(quán)平均值qc=1.8 MPa，fs=30.01 kPa。①、③、④-1、④-2土層在天然土狀態(tài)下均為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

由表3可看出，樁間土靜力觸探值的變化與樁間土的排水固結(jié)有關(guān)。該工程粉噴樁施工前后相距2 100 d左右，正常齡期的粉噴樁施工參數(shù)及靜載荷試驗結(jié)果見表4。

表4　粉噴樁施工參數(shù)及靜載荷試驗結(jié)果

從表4可看出，隨著齡期的增加，在相同的荷載條件下，沉降量減少1/2,即粉噴樁樁身強度及樁間土強度明顯增加。從粉噴樁休止2 100 d后靜載試驗的回彈率可看出，水泥土接近彈性狀態(tài)。經(jīng)取樣分析測試，粉噴樁休止2 100 d后水泥土無側(cè)限抗壓強度平均值達3.16 MPa，是90 d齡期水泥土無側(cè)限抗壓強度的1.52～1.88倍。

2機理分析

粉噴樁施工中，空壓機是關(guān)鍵設(shè)備，使用排氣量為1.6 m3/min的空壓機，最佳處理深度為8 m。近幾年的實踐中采用2臺2.8 m3/min空壓機，附加1個1 m3儲氣罐，施工時開始氣壓為0.8 MPa，最終氣壓保持在0.5～0.6 MPa，保證在施工過程中有足夠的氣壓及氣量輸送水泥粉體，并對周圍土體產(chǎn)生明顯的擠壓、剪切、劈裂效應(yīng)。

武進遙觀某軌道廠采用粉噴樁處理軟基，在車間柱基及條基施工完畢后，上部施工單位進行承臺基礎(chǔ)及條基圈梁施工。業(yè)主要求對車間內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)用粉噴樁進行加固處理。距地圈梁1.8 m處開始施工粉噴樁，施工數(shù)天后發(fā)現(xiàn)地梁變形，向外彎曲，最大變形達20 cm。又有一河道石駁岸，岸邊是堆場，業(yè)主發(fā)現(xiàn)石駁岸向外傾斜，要求用粉噴樁加固處理堆場。距石駁岸1.8 m開始施工粉噴樁。為驗證粉噴樁施工是否引起駁岸向外變形，在駁岸頂做記號，打20余根樁后，發(fā)現(xiàn)駁岸頂最大向外位移20 cm左右，停止施工。以上現(xiàn)象說明粉噴樁在施工過程中，強大的噴粉壓力作用于樁壁及樁端，使樁周及樁端土體產(chǎn)生壓實作用，通過周圍土體，將壓應(yīng)力向外傳遞，使有臨空面的條基梁與石駁岸向外變形。

某一粉噴樁復合地基加固工程A-6-7兩承臺，承臺尺寸4.8 m×3.7 m，樁數(shù)7×5根，北部5排樁11月13日施工，施工用電0.86 (kW·h)/m。南部2排樁11月22日施工，施工用電0.98 (kW·h)/m,說明11月13日施工的樁對相鄰側(cè)的土有擠壓、吸水作用，故11月22日對樁施工時施工電流增大，用電量增加。如11月13日，沉樁深度10～11 m時施工電流為5擋35 A,而11月22日沉樁深度10～11 m時，施工電流為5擋70 A。

目前，大部分粉噴樁機最大扭距僅8.6 kN·m，根本無法進入硬塑狀黏性土層，采用上海產(chǎn)GPP-5E型粉噴樁樁機施工，其最大扭距達28 kN·m,可進入硬塑狀黏性土層1～1.5 m。因扭距大，故鉆頭旋轉(zhuǎn)對孔壁產(chǎn)生的環(huán)向剪切力也大，當剪切力大于樁周土體的抗拉強度時，對樁周土體產(chǎn)生氣壓剪切劈裂作用，使樁周形成裂隙，并擴展、貫通。水泥粉隨高壓空氣通過劈裂裂隙滲入樁周土內(nèi)。若地表有水，粉噴樁施工時可見樁機周圍4～5 m地表各處有氣泡冒出，這是高壓空氣隨裂隙排出地表造成的現(xiàn)象。水泥粉隨著這些裂隙進入樁間土內(nèi)，形成線狀水泥土網(wǎng)絡(luò)(或條帶狀水泥土)。樁周土裂隙內(nèi)的水泥與土體發(fā)生反應(yīng)，使樁間土及樁端土強度明顯提高，樁間土內(nèi)的水分也通過劈裂裂隙內(nèi)的高壓空氣排出地表。樁間土內(nèi)的靜力觸探曲線呈鋸齒狀，說明樁間土內(nèi)存在條帶狀水泥土，使實測復合地基承載力遠比按文獻[1]計算的復合地基承載力高。

在粉噴樁設(shè)計理論中，認為成樁后樁間土的強度變化很小，故用天然地基強度代替。而在工程實踐中，水泥水化要吸收大量水分，隨著含水量降低，樁間土的強度將提高。樁體水泥水化，使含水量減少，促使樁間土水分向樁體運移。樁體水泥土由于土的團粒化，土顆粒變大，有利于毛細水的上升運移并蒸發(fā)，故隨著粉噴樁休止時間的延長，樁間土的強度也逐漸提高。一般在粉噴樁開挖，地面四周樁間土干燥后，粉噴樁頂部仍是潮濕的，這是樁周圍軟土層中的水分向樁身遷移，再通過毛細水上升運移、蒸發(fā)的結(jié)果。在粉噴樁復合地基加荷后，這一過程仍將繼續(xù)并加快。上述常州軸承總廠車間三粉噴樁施工2 100 d后，樁間土靜力觸探與天然土靜力觸探結(jié)果完全不同，就是樁間土排水固結(jié)造成的。

3結(jié)論

改進型粉噴樁工藝施工，主要是提高空壓機的壓力及風量，高壓的水泥粉及空氣對樁端及樁壁產(chǎn)生擠壓，正反旋轉(zhuǎn)使樁壁產(chǎn)生剪切力，樁間土產(chǎn)生氣壓劈裂裂隙，高壓水泥粉通過劈裂裂隙進入樁間土，形成線狀水泥土網(wǎng)絡(luò)，促進進入樁間土內(nèi)的水泥水化，造成含水量減少，從而使樁間土強度明顯提高。所有樁間土靜力觸探值均表明軟土底部及樁端持力層強度明顯提高，主要是因深度較大，孔底壓力較大(約0.5 MPa)，使壓縮空氣產(chǎn)生氣動攪拌，提高了樁端2～3 m內(nèi)樁間土強度。實踐證明，粉噴樁樁間土強度遠比按文獻[1]公式計算值大。

水泥土強度隨著齡期的增長而增大，文獻[1]認為齡期超過90 d后水泥土強度增長緩慢，通常取標準養(yǎng)護齡期90 d時的抗壓強度fcu作為計算標準。工程實際資料表明，粉噴樁休止2 100 d左右，水泥土強度是齡期90 d時水泥土強度的1.52～1.88倍。文獻[1]雖未考慮長期效應(yīng)水泥土強度的增長，但可將其當作一種安全儲備。同時，也可看出取28 d齡期的單樁承載力特征值及復合地基承載力特征值過于保守。

[參考文獻]

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范：JGJ 79—2012[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[2]滕延京.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范理解與應(yīng)用：按JGJ 79—2012[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[3]常州市基礎(chǔ)工程公司.江蘇華耐車間七粉噴樁加固處理施工質(zhì)量驗收報告[R].常州：常州市基礎(chǔ)工程公司,2011.

[4]常州市基礎(chǔ)工程公司.江蘇常州鉅苓鑄造有限公司車間三粉噴樁加固處理施工質(zhì)量驗收報告[R].常州：常州市基礎(chǔ)工程公司,2010.

[5]常州市基礎(chǔ)工程公司.江蘇常州武進橫山橋污水處理廠軟基粉噴樁加固處理樁間土靜力觸探報告[R].常州：常州市基礎(chǔ)工程公司,2013.

[6]常州市基礎(chǔ)工程公司.江蘇常州軸承總廠車間三粉噴樁樁間土靜力觸探報告[R].常州：常州市基礎(chǔ)工程公司,2012.

責任編輯：唐海燕

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.03.002

收稿日期：2016- 03- 29

作者簡介：袁亦敏(1963—)，男，碩士，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。

中圖分類號：TU472

文獻標志碼：A

文章編號：1671- 0436(2016)03- 0006- 04

Experimental Study on Increasing the Strength of the Soil Around DJM Piles

YUAN Yimin1，LIU Jiahai2，ZHOU Jikun2

(1.Changzhou Building Construction Drawing Design Review Center,Changzhou 213002；2.Changzhou Foundation Engineering Company,Changzhou 213017)

Abstract：According to Technical Code for Ground Treatment of Buildings,for composite foundation with dry jet mixing (DJM) piles,the characteristic value of bearing capacity of soil around piles are the same with that of the natural foundation.It is proven that the strength of the soil around DJM piles increases considerably and lasts longer when the improved construction process is applied.Therefore,it is feasible to take the strength of the soil around DJM piles after treatment in calculating the bearing capacity of DJM pile composite foundation.

Key words：DJM pile composite foundation;strength of the soil around piles;longer effect