陈良华

（湖南华纬水电工程公司 常德 415000）

常德市江北城市防洪工程位于西洞庭湖区沅水下游，是常德市政治、经济、文化中心地段。其地势低洼平坦，平均高程在32.00m左右，属洞庭湖冲积平原。1996年沅水常德站最高水位达42.49m，高出垸内地面近10m，遭受洪水严重威胁。按照国家发展和改革委员会和水利部批准的城市防洪规划，整个防洪圈设防标准为100年一遇。

防洪圈工程从1994年开始建设，经过连续12年的施工，完成100年一遇标准混凝土防洪墙18.6km，50年一遇标准土堤40.8km，新建中型防洪闸及交通闸11座，完成土方1550万m3，混凝土53万m3，桩基础182万延米，完成投资7.33亿元。所建混凝土防洪墙均采用粉喷桩基础、帷幕防渗，迎水面为重力式混凝土墙，背水坡填土压重并绿化。以防洪墙为载体的中国常德诗墙，全长4km，融汇了近千名书画家的1320幅作品，被誉为“三绝诗书画，一墙天地人”。

粉体喷射搅拌桩（以下简称“粉喷桩”）复合地基技术，粉喷桩是利用压缩空气将固化剂粉体材料（水泥或石灰粉体）输送到地基深层软弱地层中，通过钻头将水泥粉与软土搅拌混合，产生一系列物理、化学反应，改变原土的结构，形成坚硬并具有整体性、水稳定性好和一定强度的水泥土或石灰土体，从而提高地基土物理力学参数，达到良好地基地质条件的目的。通过对已建成的混凝土防洪墙沉降定期观测发现，沉降已经完全稳定，水泥粉喷桩复合地基完全满足常德市城市混凝土防洪堤工程对基础处理的要求，已取得了良好的经济效益和社会效益。2006年10月18日，常德市江北城区混凝土防洪墙工程荣获中国水利工程优质奖——“大禹奖”。

1 常德城市堤防地质危害的基本情况

常德市位于西洞庭湖西部，属冲积平原，地质情况较为复杂，常见的地质分布除粘性土、砂性土、膨胀性土以外，还有大量的各种成因的软弱土层（海相沉积土、湖相沉积土、河相或三角洲相沉积土），甚至还有淤泥、泥炭土等。当天然地基不能满足建筑物对地基的要求时，需要对天然地基进行处理，形成人工地基以满足建筑物对地基的要求。由于施工技术和工程造价方面的原因，传统的施工方法如挖除置换（人工挖孔桩）、桩基穿越（钻孔桩、静压桩）、人工加固（换土垫层）等措施已不能满足日益复杂的工程需要，此时最佳的处理方法应是对软土进行就地加固，最大限度地利用原状土承载力和其他力学性能。常德市混凝土防洪堤场地内土层自上而下为填土、粉质粘土、粘土、粉细砂等。该堤段堤身、堤基均由透水性强的土层组成，垂直渗透系数为（4.85～6.51）×10-3cm/s，水平渗透系数为 4.91×10-7～10-3cm/s，土质松散是汛期出现渗漏险情的主要原因。天然堤基土承载力值为75～94kPa，而堤防水工建筑物承载力标准值为110～190kPa，需进行加强处理。

2 粉喷桩施工技术的优越性

粉喷桩施工技术在软体基础加固和堤防防渗工程的实践证明：采用该技术，设备体积小，机动灵活性强，适应性广，施工工艺简单，成桩速度快，施工效率高，工程成本低，防渗效果明显，工程质量可靠。施工时无振动、无污染、无噪音，对周围环境及建筑物无不良影响。

3 粉喷桩复合地基设计概况

常德市江北城区混凝土防洪堤工程，曾设计采取取土灌注桩，由于地基处理占投资比重大、施工速度缓慢，特别是软弱的淤泥区施工设备无法进场施工等因素，后来实施的混凝土防洪墙工程全部采用水泥土搅拌桩复合地基技术。在设计时充分考虑了水泥粉喷桩复合地基的承载力性能和防渗性能，将水泥粉喷桩复合地基用作承载和防渗处理。设计主要指标如下：

a.根据现场土质情况、土质状况不同，在7m×12m的混凝土防洪墙分缝块上设计了布桩60根、72根和84根3种方案，桩径为500mm，桩顶高出建基面50cm，并保证桩顶标高与地面至少有50cm的距离，桩身均要求进入砂砾石层50cm。

b.水泥粉喷桩复合地基加固后，要求复合地基允许承载力不小于170kPa，单桩允许承载力不小于140kN。

c.桩身采用32.5普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为12%～15%。

d.施工时粉喷桩的垂直偏差度不得超过1.5%，桩径偏差不得大于5cm。

e.对于试桩达不到承载力要求的特殊地质地段，采取加桩处理，形成长短桩复合地基。长短桩均为水泥粉喷桩，长短桩呈梅花状交错布置，短桩长度为建基面以下5m，且全程复搅。

4 施工工艺及质量控制

4.1 施工设备

粉体喷射搅拌采用下列施工设备：

a.粉喷桩搅拌机。GPP—5型搅拌机，液压步履结构，自行移动对位，链条传动给进，正转钻进，反转喷粉成桩。此外还有PH—5A型搅拌机等。

b.空气压缩机。额定压力0.7MPa，风量3m3/min，动力13kW。

c.粉体发生器。YP—I型，容量1.3m3，额定压力0.6MPa，动力 2.6kW。

d.电缆。3×25mm2。

e.压力胶管。2英寸，额定压力0.7MPa。

f.钻杆。114mm×114mm型。

g.钻头。双头，短螺距，直径500mm。

h.电焊机。15kW。

4.2 施工工艺流程

4.2.1 工艺参数

粉体喷射搅拌法的工艺参数主要包括提升速度、单位时间喷粉量和喷粉压力等。一般应根据试桩结果，确定各土层和各平面区域内搅拌提升速度和喷灰量等。

4.2.2 施工工艺

a.根据地质资料和试桩情况，结合设计要求，选择最佳水泥掺入比，确定单位时间内的喷粉量。喷粉压力一般控制在0.25～0.40MPa之间。

b.施工前应准备测放轴线和桩位，并用竹签或钢筋做标记。

c.桩机对位，误差不应大于50mm。调节钻机支腿油缸，使导向架和搅拌轴垂直度偏差度不超过1%。

d.将水泥过筛入罐，用压缩空气送至水泥罐称重。罐内水泥量不能小于单桩使用量。

e.关闭粉喷机灰路阀门，打开气路阀门。

f.开动钻机，启动空压机并缓缓打开气路阀，对钻机供气，钻机逐渐加速，正转预搅下沉，钻至接近设计深度时，应用低速慢钻，钻机原位转动1～2min。

g.提升喷粉搅拌。确认粉料已喷到孔底时，一般以0.5m/min左右的速度反转提升；当提升到设计停灰标高后，应慢速原地搅拌1～2min。

h.重复搅拌。为保证粉体材料与地基土搅拌均匀，可采用复喷与复搅。

i.当提升喷粉距地面0.5m时，应立即停止喷粉，利用管道内余灰量喷入土中，防止粉尘污染环境。同时要求在孔口加设喷粉防护装置。

j.原位移动1～2min后，将钻头提离地面约0.2m，减压放气，打开灰罐上盖，检查罐内灰余量。

k.当施工过程中出现停喷现象时，必须在停喷以下1.5m处重新喷粉搅拌。

l.施工结束后，桩机移位对孔，施工下一根桩。

4.2.3 施工要点

a.施工场地要求平整，并挖除含砖、瓦、碎石等杂物的表面杂土，回填素土。清除地下障碍物，对无法清除的障碍物应探明其准确位置。

b.桩体喷粉要求一气完成，不得中断。

c.施工时，为避免钻机移动和管路过长，施工次序宜先中轴后边轴、先里排后外排。钻机移动最长距离不超过50m。

d.施工中应经常测量电压，检查钻具、流量计、水气分离器、送粉阀门、空压机和胶管灰路工作情况。

e.施工中要注意防止因管内水泥结块造成堵管，遇堵管时宜拆洗管路或向上提升再打。第二次复打时要保证至少重复1.0m以上，以防止发生断桩。

f.设计要求搭接的桩体，必须连续施工。一般相邻桩的施工间隔不超过8h。

g.送灰过程中，如发现压力突然下降、灰罐加不上压力等现象，应停止提升，原地搅拌，及时查明原因。如由灰罐内水泥粉体已喷完成或容器、管道漏气所致，应重新加灰重打，并保证1.0m以上的重叠。

h.控制好单桩的喷粉量，每米实际喷粉量与设计要求误差不超过5kg。

4.2.4 施工中常见问题与处理方法

a.喷粉堵塞。应防止水泥受潮，并过筛；操作喷粉阀门，反复开关。

b.桩体疏松。搅拌时可适当注水或改用喷浆法施工，增加喷搅次数。

c.夹层断桩。施工中经常检查气压，堵塞时应将钻头提出并在原位复喷，控制喷粉与提升速度，应先喷1～2min,再提升搅拌。

4.3 固化剂

粉喷桩施工采用的固化剂主要是水泥，而水泥本身质量、掺入量及水泥品种决定了桩体质量的优劣。

4.3.1 水泥质量

水泥质量主要体现在水泥强度和安定性两个方面。安定性不合格水泥构成的水泥土易疏松开裂；强度不够的水泥构成的水泥土桩体强度达不到设计要求。水泥品种和标号应满足设计要求，不同品种水泥不得混用。水泥品种、标号及其附加剂的选择，应先做室内和现场试验，得出合理参数后再确定。

4.3.2 水泥掺入量

水泥掺入量决定着水泥土强度的高低。从理论上讲，水泥土应该和被加固土的桩周摩擦力和桩端承载力相近才经济。应先取被加固土，在室内对所选水泥品种进行不同掺入比的水泥土试验，测试出不同掺入比的抗压强度及其有关其他指标，选择较为接近但大于经济掺入比的水泥掺入量，作为设计掺入量。实际应用中掺入比往往大于经济掺入比。实践表明：水泥掺入量小于12%（按湿土比重计，下同）时，质量较差，且强度离散性大；掺入比大于15%则不够经济。因此，水泥掺入比一般取12%～15%。但对于淤泥及孔隙比较大的软土则除外。

5 水泥粉喷桩复合地基的检测

质量检测是检验采用粉喷桩施工技术后的复合地基是否能达到设计质量要求，这是决定能否进行下一道工序施工的一个关键环节。根据工程重要性与复杂程度，可选择下列1～3种方法进行质量检验。

5.1 抽水试验

对起防渗作用的粉喷桩基础来说，一般采用全孔综合抽水，为多孔完整井稳定流抽水试验，连续3次降深，降深顺序由小到大，定时同步观测涌水量和降深，求出渗透系数。

5.2 取样检验

检验不同龄期水泥土试块，测定其无侧限抗压强度。

5.3 动测检测

当搅拌桩达到28天龄期后，宜采用动测方法随机抽查10%的桩数，确定是否出现断裂、蜂窝状结构及夹泥等缺陷。具体方法是在一定龄期后水泥土搅拌桩具有介于弹性体至散体之间的力学性质，但对于桩周土（软粘土、淤泥等）来说，在施加较小外力的情况下，可视为弹性体。由于水泥土搅拌桩在形态上其长度远大于桩径，因此可将桩视为一维弹性杆件，同时桩身的强度达到一定强度时其阻抗明显大于桩周土及桩底阻抗，这符合低应变动态检测法的理论假设。低应变动态检测法是以弹性体内的应力波传播理论为依据，在桩顶中心用尼龙棒等垂直施加一冲击力，使桩质点受迫振动并产生弹性波，沿桩身下传播。在桩身存在松散、夹泥、搅拌不均匀等缺陷时会造成密度、截面或波速发生变化，这必然引起波阻抗的差异，从而产生波的反射和叠加。该振动信号被置于桩顶的加速度传感器接收，传至桩身完整性检测仪，经检测仪将采集到的信号进行放大、滤波处理和初步分析，数据采集结束后再用专门软件在计算机上作详细分析，综合时域曲线和频谱图形，评价桩身质量（即桩身的完整性、搅拌的均匀性、连续性等和桩身水泥土抗压强度）。

常德市江北城区混凝土防洪堤2005年度工程共抽检918根（盐关至马家吉堤段368根、丹洲隔堤500根、盐关段50根），其中桩身连续性好、桩身规则、喷粉均匀、无缺陷存在的有823根，占抽测总桩数的89.65%；桩身连续性尚好，但存在有桩头破损、桩头强度偏低、局部喷粉不均等缺陷的有95根，占抽测总桩数的10.35%。

5.4 静载荷试验

对工程地质条件复杂、重点地段或大中型工程基础，宜采用单桩或多桩复合地基静载荷试验及单桩竖向载荷试验方法。载荷试验应在28天龄期后进行，检验点数每个场地不得少于3个，如试验值不符合设计要求，应增加检验孔的数量。混凝土防洪堤2005年度工程分三段进行了检测，其中，盐关至马家吉堤段共进行了4组静载试验，丹洲隔堤进行了7组静载试验，盐关段进行了1组检测，均能满足设计要求。

5.5 开挖检验

根据设计要求，选择一定数量的桩体进行开挖，检查加固柱体的外观质量、搭接质量和整体性等，用打击物冲击检查坚实程度,发现出现搭接不好的情况后及时进行加桩处理。

6 工程实施过程中遇到的问题探讨

a.由于工程沿线较长，地质条件千变万化，对于布桩的形式确定，特别是长短桩复合地基实施，完全依靠施工单位技术人员和监理工程师的直觉判断，随意性较强，对工程质量和投资控制较为不利。

b.由于原状土在各个堤段及各个高程均不一致，又无法每处都做实验配比，水泥的掺入量无法准确得出，在施工时往往靠经验加以判断，从整个实施过程来看，水泥浪费较为严重。

c.复合地基检测。由于南方防洪工程受季节限制，一般每年10月1日以后才能动工，次年的4月1日前防洪堤需合拢，只有短短的5个月施工时间。而桩身检测强度是以90天龄期为其强度标准值的，该工程静载试验一般仅取28天左右龄期强度作为推算90天龄期强度的依据，且试验点偏少，导致检测结果有一定的偶然性。

d.水泥土搅拌桩复合地基承载力和水泥土搅拌桩单桩承载力的关系。水泥土搅拌桩地基的平均允许承载力经验公式为

式中[p复合]——复合地基的平均允许承载力；

m——置换率；

[p桩]——搅拌桩的允许承载力；

[p土]——天然地基土的允许承载力。

根据以上经验公式，桩的强度将直接影响复合地基的强度，假设桩的强度不断增加而土的强度依然不变，按照以上公式计算，复合地基的强度也会不断增加，然而实际情况并非如此。因为粉喷桩属摩擦桩类，当土的强度不变、而且饱和软粘土的强度很低时，即使不断增加桩的强度，总的复合地基强度也不会随之增加，类似于钢筋插在浆糊里的情况。只有当天然土的强度也增强时，整个复合地基的强度才会增加，所以桩的强度应和天然土的强度相互匹配。

7 结语

从完成的防洪墙工程来看，粉喷桩施工工艺简单，机械化程度高，无污染，无噪音，进度快，质量好，其复合地基完全能满足常德市江北城区混凝土防洪堤工程对地基处理的要求。由于粉喷桩不需要进行构造物基底以下的基础土方开挖，具有施工方便、工期短、完工后沉降小等显著优点，可以大大节约工程投资，具有很好的经济效益和社会效益，具有较大的推广应用价值。❋