粉喷桩地基处理在荆山湖进洪闸工程的实践

2011-09-11赵殿信

治淮 2011年8期

关键词：喷粉试桩壤土

赵殿信

（安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院蚌埠 233000）

粉喷桩地基处理在荆山湖进洪闸工程的实践

赵殿信

（安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院蚌埠 233000）

粉喷桩由于受到地质条件、设计参数、施工工艺、过程控制的影响，施工质量难以控制。本文就荆山湖进洪闸的施工工艺的确定、过程控制方法、地基处理效果进行阐述。

粉喷桩；复合地基；地基处理

粉体喷射搅拌法（DJM法、简称粉喷桩）是利用粉喷桩机将水泥干粉加到软弱地基土中并在原位强制搅拌，通过水泥和土的一系列复杂的物理、化学变化而形成具有整体性、水稳定性和足够强度的水泥土的一种地基处理方法，为深层搅拌桩的一种。根据上部结构的要求，可在软土地基中形成柱状、壁状和格栅状等不同形式的加固体，这些加固体与天然地基形成复合地基，共同承担建筑物的荷载。

这种地基加固新技术在铁路、公路、工业与民用建筑、市政工程、水利工程等各种软土地基处理中得到广泛的应用。但由于多方面因素，应用中尚存在一些问题。本文就该项技术应用的成功经验和失败的教训进行总结，以促进该项技术的发展和完善。

1 工程地质条件

荆山湖进洪闸工程位于淮河中游蚌埠市怀远县境内的淮河左岸，进洪闸采用开敞式水闸型式，每孔净宽10m，水闸共31孔，总宽度352m，水闸设计流量为3500 m3/s，为大（2）型水闸。水闸为荆山湖行洪区的进洪闸，闸址处为行洪区域。

闸址处地质结构自上而下依次为：

①层轻粉质壤土（Q4al～pl）（表层0.2～0.3m为2003年汛期行洪淤积），局部夹中重粉质壤土或砂壤土，黄、灰黄色，很湿～饱和，大部分软塑，局部呈流塑状。天然含水率26.1%～33.3%，孔隙比0.744～0.964，为中等压缩性土层。层厚2.2～3.0m，层底高程14.68～16.49m。

②层重粉质壤土，局部为粉质粘土（Q4al～pl），夹薄层轻粉质壤土透镜体，褐黄、棕红色，很湿～饱和，软塑～流塑。天然含水率25.7%～50.0%，孔隙比0.735～1.434，为高压缩性土层。层厚1.6～4.0m，层底高程11.35～13.79m。

③层砂壤土夹极细砂，局部夹薄层粘性土（Q4al～pl），灰黄色，下部灰色，饱和，大部分为松散状态，局部稍密。天然含水率24.5%～29.8%，孔隙比0.694～0.849，层底高程10.26～12.85m，为中等压缩性土层。

④1层淤泥质重粉质壤土（Q4al～pl），局部夹轻粉质壤土及粉土薄层，灰色，很湿～饱和，软塑～流塑。天然含水率52.3%～53.9%，孔隙比1.477～1.546，层厚0.6～2.6m，层底高程8.57～10.41m，为高压缩性土层。该层仅在左侧岸墙闸中心线两侧部分钻孔揭露。

④2层重粉质壤土、粉质粘土（Q4al～pl），局部为淤泥质，夹中～轻粉质壤土薄层，灰色，很湿～饱和，软塑，局部流塑。天然含水率25.2%～40.4%，孔隙比0.747～1.068，层厚0.9～5.9m，层底高程6.29～9.05m，为中等偏高压缩性土层。

⑤层重粉质壤土（Q3al），下部夹中～轻粉质壤土，部分钻孔含铁锰质结核，青灰夹黄色，湿～很湿，可塑，局部软塑。天然含水率22.6%～29.7%，孔隙比0.665～0.877，层厚2.4～6.2m，层底高程1.47～3.98m，为中等压缩性土层。

⑥层细砂，上部夹砂壤土，下部夹中砂，局部夹薄层粘性土（Q3al），灰黄色，局部青灰色、灰白色，饱和，中密，局部稍密。天然含水率20.4%～26.5%，孔隙比0.601～0.848，厚4.6～6.7m，层底高程－3.89～－2.15m，为低压缩性土层。

⑦层粉质粘土、重粉质壤土（Q1l），局部含钙质和铁锰质结核，暗绿灰、褐黄色，湿～稍湿，硬塑，局部坚硬。天然含水率21.9%～26.5%，孔隙比0.675～0.821，标准贯入试验平均击数19.0。

表1 粉喷桩地基处理设计参数

闸底板建基面主要坐落于第②层重粉质土层中。

2 工程地基处理设计参数

该工程的粉喷桩地基处理的设计参数见表1。

闸底板建基面高程为15.9m，设计粉喷桩应进入第⑤层土0.5～1.0m，桩长10m左右。根据水泥土的设计强度，通过试验确定粉喷桩水泥掺入比为15%，折合水泥用量为58～60kg/m，施工中水泥用量按照60 kg/m控制。

3 施工工艺参数的确定

工程施工前进行了试桩，由于第③层土含水率相对较小，复搅困难，试桩共进行3次，采用了3种施工工艺，每种工艺3根桩，共9根桩。各种试桩的工艺简述如下。

3.1 试桩工艺

第一种工艺试桩，采用预搅下沉、喷粉提升（60 kg/m）、复搅下沉、提升成桩。预搅较顺利，但是难以实现全程复搅。主要原因为上部第③层土含水率稍低。整个过程用时约30min。

第二种工艺试桩，为了避免第③层土的复搅困难，采用先预搅下沉，喷粉（60 kg/m）提升到桩长的一半、复搅下沉到桩底、提升到原停灰面以下0.5m时喷粉（60 kg/m）提升到桩顶、复搅下沉、提升到桩顶。施工过程中下部3根桩均可以复搅到底，上段勉强可以复搅到底。施工用时与第一种工艺类似。

第三种工艺试桩，预搅下沉、喷粉（30kg/m）提升到桩顶、复搅下沉到桩底、喷粉（30 kg/m）提升、再复搅下沉、提升成桩。整个过程用时42～45min。3根试桩第一次复搅均可以复搅到底，但是第二次喷粉后复搅的深度难以到达桩底。

3.2 施工工艺评述

第一种施工工艺具有简便、效率高的优点，不足的是未能全程复搅；第二种施工工艺可以全程复搅，但是不足是第一次和第二次喷粉的接头难以控制，容易产生隐患；第三种施工工艺喷粉连续，两次喷粉虽有可能强强弱弱叠加，但是也有可能强弱叠加，不足是施工效率较低。

3.3 试桩检验

为了了解第一种工艺上部复搅和下部未复搅的粉喷桩的性状，对第一种施工工艺进行了取芯和标贯检验，为了比较，同时对桩周土也进行了标准贯入。此时粉喷桩的龄期为10d左右。

取样表明整个桩体芯样完整，均匀度上部稍好于下部。标贯结果见表2。

从试验结果看，无论桩体的上部还是下部，相对原状土体，强度明显提高。

3.4 专家评审

为了慎重起见，在工艺试桩完成后随即组织了省内外有关专家对该工程的粉喷桩施工工艺进行评审。与会专家认为本工程地基处理的关键是解决沉降问题，尤其是解决不均匀沉降问题，应重点控制荷载较大（如岸墙、翼墙等）和地质条件较差部位的粉喷桩施工质量。

3.5 施工工艺的确定

根据工程的试桩结果和专家评审意见，最终确定的施工工艺为：岸墙、上下游翼墙和左侧8个闸室采用预搅下沉到桩底、喷粉提升到桩顶（喷粉量约30kg/m）、复搅下沉到设计桩底、再次喷粉提升到桩顶（喷粉量约30kg/m）、再复搅到难以搅拌、提升成桩；其他23个闸室采用预搅下沉到设计桩底、喷粉提升（喷粉量60kg/m）至桩顶、复搅下沉到难以复搅（高程不低于12.0m）。

4 施工过程控制

影响粉喷桩施工质量的因素很多，主要为机械设备、人员、处理的深度、水泥掺入量、水泥均匀性、桩径和垂直度等。

4.1 施工机械

本工程使用的机械主要为武汉产的PH-5A型粉喷桩机械和上海产的GH-5机械，均可自动检测、显示每0.1m深度的喷粉量，自动检测、记录每1.0m深度的喷粉量，记录预搅深度、复搅深度及每根桩的水泥总量。没有准确的计量装置就没有可靠的工程质量，开工之前，请计量部门对所有的计量设备进行计量检定，合格后方投入使用。在每台机械机架正交方向挂设垂球检测桩的垂直度。同时每台机械施工前，在工程桩以外进行适应性工艺试验，待掌握工程的施工工艺和地质条件后再施工。难以适应本工程地质条件及工艺的机械撤离工地。

表2 第一种施工工艺标贯试验结果

表3 提升速度-切割次数-每米工作时间的关系表

表4 单桩及复合地基承载力检测结果

表5 工程最大沉降

4.2 粉喷桩机械的操作人员

工程开始前，对操作人员进行培训，指出工程的施工要点、注意事项，每个粉喷桩机械正式施工前，再次重申工程的注意要点。施工过程中发现问题及时指出，若问题比较多且为通病时及时召开有关人员的会议，提出问题并改进。

4.3 粉喷桩的原材料

用于粉喷桩的水泥具有出厂合格证，经过复检合格后用于工程。工程所用水泥为PO32.5袋装水泥。

4.4 桩底高程的确定

按照设计要求，粉喷桩的桩底应进入第⑤层土0.5～1.0m，为准确确定第⑤层土在各闸室的分布，地质勘探部门对闸轴线进行详细勘探，提出了轴线处的地层分布，根据地质报告参照施工过程的条件确定每一块底板的粉喷桩桩底高程。

4.5 提升速度的确定

我国的粉喷桩机以上海及武汉生产的GPP型和PH型为代表。其设备性能大同小异，以PH-5A为例，提升速度及其性能[1]如表3。

由表3可以看出，无论何种挡位，每米的切割次数是相近的，不同的是每米的工作时间。每米的工作时间长，喷灰的时间也长，有利于灰量控制，可以使灰量均匀，但工作效率低。挡位高时，每米的工作时间短，喷灰量难以控制，但效率高。此外复搅拌提升速度快时钻头反压土体的时间也短，不利于工程质量，因此对于施工速度，下沉时可以不受限制，只同钻机的功率及地层的软硬有关，但提升时不能太快。本工程采用以Ⅱ～Ⅲ挡作为提升速度。