粉喷桩处理软基施工中质量的控制方法

2020-11-26龙建军

商品与质量 2020年14期

龙建军

湖南湘北通程有限公司湖南常德 415900

1 粉喷桩施工概述

粉喷桩运用专用的喷粉机将粉状固化材料喷入软土地基中。运用钻机的搅拌作用，使土，水形和粉体，成柱状固体，可以有效提高软土地基的稳定性与力学性能。桩身具有良好的较大的抗剪阻力与吸水效果，可以有效促使桩间土的扩大摩擦力和收缩，从而起到抑制侧向变位，增强支撑力，降低地基沉降量，防止滑动破坏，对改善软土地基的稳定性具有很好的作用。

粉喷桩的施工要严格按照现行的标准规范，法规进行施工。根据地质，气候，环境，合理配合与材料比等作为控制质量的依据。

1.1 粉喷桩的加固原理及特点

加固软土地基的一种方法是粉喷桩。软土，通常是指抗剪强度低，可压缩性高，天然水含量高，承载力低的呈流塑状态的粘性土。

粉喷桩加固技术处理软基主要是用水泥作为软基的固化剂，并用专用设备进行深层喷涂和搅拌，将粉状水泥材料喷涂到软土层的深层，使用钻头旋转钻头刀片，将粉状水泥与原位软土均匀混合并吸收软土地基中的地下水。利用产生的化学和物理反应，随着时间的流逝，会产生水稳定性好，完整性强，强度高的圆柱，就是喷粉桩，从而使软土能够硬化并结成存在一定的强度、较低渗透性以及压缩性的水泥桩体，可以有效的加固软基。将软土和水泥伴合后，存在于水泥颗粒表面的矿物质会与软土中的水迅速发生水化与水解反应，从而变成水化物。施工完成后，水化物将形成进一步的硬化，变成可吸收大量水分的水泥石骨料。有一些水泥石骨料可以与附近的活性软土颗粒发生反应。通过软土矿物外表所存在的钾离子以及钠离子等与钙离子实施离子交换。且借助离子以及施工中产生的团粒化交换作用，从而使相较小的土颗粒可以成为大的土团。在硬化反应的期间，它逐渐形成和水不相容的稳定的结晶化合物，从而逐渐增加了软土的硬度与强度。在碳酸化和离子交换的两重作用下，会在一定范围对桩周围土壤内产生硬壳层，然后产生了刚度和强度更高的水泥土混合柱。由于水泥水合物与土壤之间的物化反应以较慢的速度进行，因此随着施工完成时间的增加，水泥桩的硬度与强度将根据增强龄期而继续增强。水泥土的强度和掺入的水泥量和水泥的化学成分有关。

1.2 粉喷桩加固设计要点

喷粉桩加固的设计要点如下：①确定加固范围和桩长。加固范围根据地基底部表面的大小和软土范围确定。与此同时，根据软土层的厚度确定喷粉桩的长度。通常，桩的底部应延伸到软土地基的底部。②桩距和桩号的初步选定。根据地基承载力的要求，首先选择喷粉桩之间的距离来确定所需的桩数，并且喷粉桩通常排列成等边三角形[1]。③喷粉桩的复合地基计算。工程实践和研究表明，喷粉桩的力学性能介于刚性桩和散体材料桩之间。是半刚性桩或柔性桩。计算的关键是合理确定桩的应力比。比较国内外的试验结果，计算复合地基的承载力与沉降计算时，桩土应力比应为4-8。

2 粉喷桩施工工艺

2.1 施工准备及钻机

对施工现场进行调查，并在施工过程中注意高压线路的影响。根据喷粉桩的布置范围和间距，使用反铲并进行手动清洁和挖掘以去除表面草皮，杂草，腐殖土等，并根据木片的位置确定每个桩的位置。对于设备没有办法通过的地区，应采用铺设砾石层等办法，以确保机械通过。钻孔机安装到位后，平面定位偏差不应大于该值。对正桩位置，调整平钻机的机身，运用吊线锤的方式检测钻杆垂直，确保钻杆的垂直度，然后对计算机控制设备进行安装与调试工作，启动钻机进行钻探，当混合钻头靠近地面时，启动空气压缩机并准备钻探。

2.2 成桩施工

（1）钻进。当钻头靠近地面时，将启动空气压缩机，并可以根据土壤的硬度确定钻进速度。当钻机向前旋转并垂直钻探至设计桩底高度时，必须在提升钻机之前对其进行预喷涂一段时间。在第一次提钻和喷粉过程中，在桩的底部停留30s，然后研磨桩端。将余粉提钻过程中全部喷入桩体，且在桩顶进行磨桩头，停留时间为30s。如果在钻到桩底后立即提起并喷洒粉末，则桩底的粉末会减少，从而影响整个桩的质量并增加沉降。

（2）提钻，喷粉，搅拌。钻机反向旋转以抬起钻头并启动送粉器。将粉末送入粉末注入口（约1 分钟）后，在提升的同时，粉末传送器（控制输灰管的长度）将粉末喷洒到土壤中，同时继续搅拌。在喷涂，搅拌，提升和压实的同时，根据电子称重设备显示的粉末喷涂量调整电动机的速度，并严格控制喷涂粉末时的钻机速度。当将其提高到设计的停灰水平时，应将其保持在原位并缓慢搅拌1 ∽2min。如果由于意外事故而停止喷涂粉末，并且影响了桩身的质量，则应在12 小时内重新填充喷涂材料。补喷桩体的重叠长度应≥1米，否则应重新打桩。新的桩体应距报废桩的距离不能大于桩体距的15%（废桩要准确标记），并填写施工记录以备将来参考。起吊时，管道压力不应太大，以防止钻井泥浆挤压而在孔壁周围形成孔。将钻机提升到高于设计桩顶高度约50cm 时，停止喷粉并关闭送粉阀，但是仍然需要搅拌。为了有效防止粉末渗出并产生浪费，应快速调整钻机以重复搅拌向下钻。

（3）复拌。复拌是确保粉末，水和土均匀混合的必要措施。为了保证混合均匀，应将整个桩再复拌一次，并在桩体上部1/3 的桩长范围内复搅两次，复喷一次。加固范围内的任何土点均应搅拌20 次以上。通过充分复拌，使粉末，水和土可以更完整地作用，并促进桩体的成形。如果桩长且土壤含水量高，则应采用“多喷和多搅拌”的方法，即“钻进至桩底后慢档提升、喷粉、搅拌至停灰面→钻进、复搅复喷至桩底→提升、搅拌至停灰面→移位。反复搅拌后，关闭空气压缩机，打开阀门，减压并放气，将钻机提升至停灰板表面的顶部旋转1 分钟，将钻头抬起至地面20cm 处，钻机的主电机停止运转，桩的形成结束[2]。

（4）机械位移。在完成桩的构造之后，驱动液压步履装置以将桩机移动到下一桩的位置，并重复下一根桩的施工。

3 粉喷桩处理软基施工中质量的控制方法

3.1 粉喷桩施工的质量控制措施

设计控制。加固粉喷桩通常以规则的三角形形状布置。桩长是指卸下软桩头后的有效长度。通常，将40 到60 厘米渐变的优质砾石垫层且要宽出最外侧桩1.0 米（碎石的最大粒径≤3 厘米）。桩体的水泥参量应为14%，在桩头下方3 米处搅拌，并添加2%的水泥参量。成桩直径为0.5 米。粉喷桩处理后的单桩承载力机动车道须大于125KN，非机动车道须大于105KN。

（2）加强工程机械设备检查。①每个桩机必须配备一个记录仪，该记录仪可以控制每米桩身的喷粉量，并且不能使用记录仪上的任何可操作开关与按钮来设置和操作时间，深度，喷粉重量，桩位置诸如序列号，重新混合深度和重新混合次数之类的参数，以有效预防伪造的施工建设记录。②桩机上的转速表，电流表，气压标和电子秤必须校准，更换不合格的仪表。③每个桩机的钻台相互垂直，每侧设置两个0.5Kg 重的吊锤，并画垂直线。④在每台桩机的钻架上标写醒目的深度，画上钻进刻度线。⑤钻头的磨损直径不应超过1cm。

（3）加强原材料检验。①喷粉桩中使用的水泥必须经过实验室检查，以符合规格要求。尽量不要使用质量不稳定，产量低的小型水泥厂生产的水泥。②水泥的码放应符合防潮、防雨的标准，严禁应用潮湿，变质，过期，结块的水泥。

（4）在桩体施工之前必须要进行工艺试桩。一个地区有一个地区的地质条件，都不相同。为了克服盲目性并确保由粉喷桩加固的基础获得预期的效果，必须要在粉喷桩建设施工之前进行工艺测试桩。试验桩的数量不少于5 个。试验桩的目的是：①要满足喷粉量设计要求的各个工作参数。例如钻机钻井速度，搅拌速度，提升速度，管道压力，灰罐压力等。②验证成桩直径及搅拌均匀程度。③确保合理掺灰量的质量要求符合地质条件。④确定进入持力层的判别方法[3]。

3.2 粉喷桩施工过程中的质量控制措施

①在粉喷桩施工建设期间，应按成桩测试确定的工艺参数进行，施工人员应记录喷粉量，压力，钻进速度，提升速度和其它相关参数变化。②要严格把控喷粉与停粉的标高。不要中断粉喷以确保桩长，严禁在不喷粉的情况下进行提升。③当将钻头提起到离地面不到50 厘米的位置时，应停止粉体发送器喷灰并用回填粘土手动将其压实。④根据设计要求，必须在一定深度即桩长以下不少于5m 的地面1/2-1/3 处反复搅拌桩身，使固化物和基础土均匀混合。⑤在具体的施工建设过程中，如果发现粉喷量不足，应重新挖掘整个桩。重新拍打的粉末量应不少于设计量。如果由于机械故障，停电等原因导致粉末喷涂中断，则必须复打，复打的重叠孔段应大于1.0m。⑥施工建设期间，粉体输送器必须要配备粉体计量装置，并记录水泥的瞬时注入量与累计注入量。禁止在无粉注入计量装置的情况下使用粉体输送器。⑦储灰罐的容量不应少于一根桩的灰分消耗量再加50 千克。当存储容量不足时，不得再钻下一桩。

3.3 复搅控制

水泥和土搅拌的均匀性与粉喷桩硬度、强度有关的关键要素。应当在桩体顶3m 内重复搅拌一次，高度应至少大于3.0m。众多的施工建设实践已充分表明，粉喷桩的不复搅和复搅的质量有很大不同。复拌的作用是通过充分的搅拌使水与粉体和土完全作用，并促进桩体形式。为了保证搅拌的均匀性，在施工过程中应严格控制钻机的起升速度和搅拌叶片的转速，并应尽可能采用整桩搅拌，以确保整体质量。

3.4 完工后检测阶段的质量控制措施

粉喷桩施工建设完成后，应按规定频率进行取芯，取芯的位置应为桩直径的1/2，而不应是桩体的中心。因为粉喷桩的中心是由钻杆占据的空间，所以桩体形成后桩的中心强度低，容易出现桩体强度偏小的假象。取芯时一定要注意保持钻机的平衡，以免因为钻杆的倾斜而造成倾斜孔，从而导致芯失效。芯的长度应比桩长约50 厘米，以检查桩底层。

在建造每个喷粉桩的过程中，应使用吊锤以规定的频率随机检查钻杆的倾斜度，对于7d 喷粉桩，以规定的频率随机挖掘桩头，然后使用卷尺检查桩距和桩径。具体做法如下：①打破桩头0.3m左右的表层破碎水泥，从而进行外观检查，主要是检查水泥土搅拌是否均匀，桩身外观是否圆整。②用便携式测头检查挖掘的桩头的强度，并根据N10 穿透10 厘米的锤击次数或N10 持续穿透30 厘米的锤击次数判断桩头的强度。③对于28d 喷粉桩，以规定的频率或可疑桩随机抽样取芯，主要有以下两个方面。a.检查桩粉喷涂是否均匀，桩内是否有破损，桩长是否符合设计要求。b.对粉喷桩的核心样品进行处理，将其研磨成高轮廓的试样，以产生无限制的抗压强度，并在核心样品块的上，中，下部分别研磨三个样品，并使用三个试样的代表值评估强度。根据以上测试结果确定单桩的质量等级。④检查复合地基和单桩的承载能力。如果对场地的施工质量有疑问，可以使用静载荷测试来检查复合单桩或地基的承载力。每个场地的静载荷测试不得少于三点。测试的代表值检查其是否符合设计标准、要求。⑤无破损检测。主要在试验路段上，用小型应变仪与地质雷达对桩基础进行了完整性测试，并与取芯比较，发现由于喷粉量少，粉喷桩的主体固结是软土，桩基差异大，无损检测的灵敏度低，强度值低，难以有效的准确的判断粉喷桩的施工建设质量。所以主要还是根据取芯检测来进行评定桩体的强度与完整性[4]。