摘要 本文详细论叙了粉喷桩的工作原理、适用范围。并重点讲述了粉喷桩在武汉白沙洲大桥汉阳段引桥道路部分的软土路基处理中应用，阐述了其具体的施工工艺流程以及检测方法。
关键词 水泥土搅拌桩 轻便静力触探 钻孔取芯 静载试验
一、前言
粉体喷射搅拌桩是利用水泥、石灰以及水泥掺入20％左右的粉煤灰等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械将粉状固化剂喷入软土地基中强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理、化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体，并与桩间土共同作用组成复合地基。这种方法适用于加固软土，特别是淤泥类土。经过处理后的土体压缩性明显减小，抗侧向变形能力有所提高，经粉体喷射搅拌桩加固处理，可明显防止软土的侧向挤压作用。而且软土的固化时间较短，沉降稳定所需时间较少，适应于快速施工要求。
粉体喷射搅拌桩适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、无流动地下水的饱和松散砂土且地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土。其中当地基土的天然含水量小于30％（黄土含水量小于25％）、大于70％或地下水的PH值小于4时不宜采用干法。水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数Ip大于25的粘土、地下水具有腐蚀性时以及无工程经验的地区，必须通过现场试验确定期适用性。被处理的软土地基天然含水量在35～70％。在喷粉量相同时，其强度随土的天然含水量的降低而增大。大量试验证明，地基土的含水量在50～85％范围内变化时，含水量每降低10％，强度可提高30％以上。
粉喷桩常用的固化剂为水泥，对于有机质含量高的软土，有机质会使土层具有较大的水容量和塑性、较大的膨胀性和低渗透性，并使土层具有一定的酸性，这些都阻碍水泥水化反应的进行，从而影响水泥土强度增长。对于有机质含量较高的软粘土，用粉体喷射搅拌桩处理的软土地基的强度较低，且沉降量一般也比较大，应慎重对待。
粉体喷射搅拌桩是将水泥用机械拌入软粘土中，当水泥拌入软粘土遇到土中的水，即发水化和水解反应。水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生离子交换、团粒化作用、硬凝反应和碳酸化反应，生成新的化合物，从而提高桩土的强度，因此要求有一定的水泥喷入量。而随着土质与施工条件的差异，掺入比提高与桩土强度增加的百分比是不完全一致的。当掺入比小于5％时水泥与土的反应过弱，固化程度偏低，强度就不能满足设计要求，因而在实际工程中水泥掺入量大于5％才能取得处治的效果。粉体喷射搅拌桩所使用的机械其加固深度为15～17米，但通常的机械在15米以上时依靠空压很难将水泥压入桩体尖端，从而造成桩体尖喷粉量的不足和原状土的扰动，使软基处理与设计要求不符。还应当注意的是用粉喷桩处理软土层时，若桩未穿透软土层，会造成未处理部分软土层的沉降量增加，沉降速度变慢。因此，用粉体喷射搅拌桩处理软土地基应将整个软土层穿透。粉喷桩处理软土地基的软弱层埋深不应大于15米以上。
二、适用工程
目前的粉体喷射搅拌桩多用于以下一些类型的工程：
(1)组成水泥（或石灰）土桩复合地基，提高地基承载力、增大变形模量减少沉降量。将固化机（水泥或石灰）与软土充分搅拌后形成水泥（石灰土），其抗压强度比天然软土提高几十倍至几百倍，变形模量也增加数十到数百倍。因此由水泥（石灰土）桩和周围天然土层组成的复合地基能较大的提高承载力、减少沉降。
(2)形成水泥土（石灰土）支挡结构物。在软土层中的基坑开挖、管沟开挖或河道开挖的边帮支护和防止底部管涌、隆起。
(3)形成防渗止水帷幕。由于水泥土结构致密，其渗透系数可以小于1×10-9～1×10-11m/s,因此可用于软土地基基坑开挖和其他工程的防渗帷幕。
(4)进行大面积加固后可以防止码头岸壁的滑动，减少软土中的地下构筑物的沉降和振动下沉，防止液化。
三、在实际工程中的运用
粉喷桩运用于白沙洲大桥引桥道路工程中，主要用于处理道路的软土地基，使软土形成复合地基提高软土的承载能力、增大变形模量减少沉降。工程中选用水泥为桩体的固化剂。
1.工程概况及地质资料
白沙洲大桥工程引桥道路部分为大桥两岸汉阳、武昌接线道路工程。汉阳岸起点于318国道的升官渡号0＋012.5于318国道顺接；止点于汉阳引桥落点相接，桩号4＋805，全长4793.214m。
根据已有的9个钻探孔的地质资料；K0＋640～K1＋300为北太子湖残留段，水深1.4～1.8m。土层主要为灰色粉质粘土，最深处达15m左右。下卧层为老粘土，北段中表层有1～3m左右深淤。K1＋300～K3＋620段为北太子湖湖积区段，鱼塘菜地相间，地表0.5～0.7m多为松散耕植土，地面下13m左右为淤泥质粘土层，下卧层为老粘土，层面有起伏K2＋745～K4＋810左右。地表为粉质粘土或人工填土层，层厚多在1.0～3.0m之间，其下距地面16.0m左右为灰黄色淤泥质粘土层。其中距地面6.0～9.0m左右夹有一层灰黄色粘土层、淤泥质土层以及老粘土，层面起伏。
在不同地段，不同深度，各土层物理、力学性质差异很大，各土层主要物理力学性质指标见表：
综合以上地质勘察情况，本区段有水深、水多、淤泥厚、淤泥质粘土层深、天然含水量大等特点。依据地质资料中的地质参数，结合地基处理规范，本地区设计选用水泥土搅拌桩的施工。
2.具体施工
在本次粉喷桩加固处理软地基工程中设计要求粉喷桩桩径500mm。采取梅花形布置（如图），桩距(y×x)为1.5×1.3m，1.15×1.3m，1.0×1.3m，1.25×1.3m，1.4×1. 3m，2.0×1.3m等几种形式。固化剂采用硅酸盐水泥，标号425＃，水泥掺入量为每延米50kg，桩长分别为3m到13m。
工程中主要运用的是PH-5B、PH-5两种钻机，其主要参数如下［2］：
在开钻之前要做好施工准备，首先进行围堰、排水、清除淤泥，然后填土，以使钻机能够行走，工作。准备完毕才能进入正规施工，其程序如下：
在实际操作过程中必须严格按照成型程序，严格控制各项指标要求，并做好每一项记录，以保证粉喷桩的成桩质量。
通过操作工艺可知，以电流的变化值可较好的控制钻进过程中所遇到的情况。以较小扭矩实施钻进，在一定的小扭矩钻进过程中所遇阻力小时，电流（A）值小；反之，所遇阻力大时，电流（A）值大。启动主电动机，选取合适档位，正转预搅下沉进入淤泥层后，以Ⅴ档钻进并保持不断送入高压空气，以免出灰孔堵塞。在淤泥层中钻进时，电流值一般在35～45A左右，基本平稳；进入淤泥与粘土交界层面处时，电流值跳动较大，波动幅度大于5～15A；进入粘土层后，电流值一般在50～65A左右。这时的电流跳动值钻进操作人应做好记录，确定钻入粘土后中止下沉，并原位转动1～2分钟，记录其桩长。在实际操作过程中，有时钻进到设计深度，电流值仍在45A左右波动，或没有达到设计深度，电流值已经达65A以上，这些都是因为地形起伏变化的原因。如果已经到设计桩长电流值仍没有很大变化时，继续钻进1m，看有无变化，无变化，就要请现场管理人员或监理认可后提升。如果没达到设计桩长，电流值已超过65A，就要将档调低下钻，电流如果到达80A 后可以提升，并对这些桩的下钻电流、深度作好特殊记录。
下钻后就开始送灰，由喷灰操作手下达指令给钻机手开始反转提升，提升速度始用Ⅲ档，当在淤泥质粘土层中，喷灰时达不到48kg（设计者50kg）或在粘土层中喷灰时达不到25kg时可用Ⅱ档，喷灰操作手应控制电子称所显示喷灰量以达到设计要求。要严密监视气压表使喷灰时胶管内的气压控制在0.3～0.35MPa，灰罐的气压为0.32～0.4MPa之间。喷灰过程中有时会发生气压很小，但是只要一开控制水泥的阀门，水泥就大量进入淤泥，很难控制，这是因为此处淤泥的含水量高，空隙比大，遇此情况可以加快钻杆提升速度；另一种情况是水泥罐的气压已经很大了，但是喷灰量很小，这可能是因为钻头正处在硬质土中水泥很难进入土体，遇到这种情况可以相应放慢提升速度以保证喷出灰量；还有一种情况是水泥罐的气压已经大大超过正常喷灰时气压，但喷灰量却无明显增加，这种情况很危险，很大可能是由于水泥中有结块，或有杂物发生的堵管现象，必须立刻泄压，并迅速提升钻头检查，解决问题后继续下钻。下钻到刚才停灰面以下1m处开始喷灰，喷灰过程到离地面还有50cm时停止，喷灰完成后为了使水泥和淤泥能均匀混合，必须进行重复搅拌。喷灰后，钻头在钻进和提升过程中对水泥土体有很大的压密作用，这样使重复搅拌时钻进和提升过程中的阻力增大，但是为保证工程质量，力争实现全桩长的重复搅拌，确保实现在地面以下1/2～1/3桩长并不小于5m的范围内必须进行重复搅拌。复搅时一般以Ⅳ档下沉，当电流值超过60A应换入下一级速档后继续下沉，一般情况下不用Ⅰ档下沉，下沉时扭矩用得太大，钻头就很困难提起。当用Ⅱ档下沉时电流值若已超过75A、下沉深度已超过1/2桩长且大于5m就可以提升钻头。在重复搅拌和提升过程中宜连续输送压缩空气，以保证钻头不堵塞。当钻头提升到施工地面以下50cm处时应暂停提升，指令喷灰手减小气压，钻机应慢速原位搅拌压实1～2分钟完毕后可进行下一次施工。
四、桩体的检测
检测内容包括桩头的外观、直径和桩位之间的间距、成桩质量及强度检测、桩基承载力检测等。检测方法有拉尺、轻便静力触探、桩身取芯和单桩及单桩复合地基测试等。现分别说明如下：
1.轻便静力触探测试
静力触探法是在成桩近期内，通过在桩身及桩周土的不同深度进行静力触探试验，画出桩身及原始地基的触探P-S曲线。对比两者的P-S曲线形态即可直观地反映出水泥土搅拌桩桩身的均匀性，并根据桩身的P-S值提高程度来分析桩身强度。这种方法宜在成桩后近期内进行，否则随着龄期的增长、桩身强度的提高使实施难度加大。
轻便静力触探系统是利用手摇链条传动装置将一个内装有电阻应变片和传感器的金属探头通过触探杆匀速压入土中。标准贯入速度为1.2±0.3m/min，探头贯入阻力随土层软硬而变化，传感器将阻力转变为电讯号并通过仪器记录下来，从而取得贯入值（Ps）；通过分析Ps值随深度的变化曲线就可以了解土层（或桩）的强度及均匀性随深度的变化情况。本次检测桩身龄期一般为1～2天，个别桩为3天。抽检数量为总桩数的1％。触探点位置选在桩径方向的1/4处，贯入深度3～4m（地表下）。个别桩的桩身强度较高，贯入困难，当Ps值大于12MPa时即终孔。通过静力触探测试后发现：桩头以下0.5～1.0m内的Ps值较大，一般都在6～8MPa，有个别情况最低只有2MPa，最高有20MPa，在桩头2.0m以下Ps值只有0.5MPa左右，这说明，经过两天的硬化，桩头部分已经有强度，而2m以下水泥还未硬化。右图是其中一个有代表性的点。
2.钻孔取芯
通过观察钻孔取出芯样来判断粉喷桩桩身各部位搅拌的均匀性及状态；通过对芯样进行水泥滴定试验来检查桩身各段的水泥含量情况；通过对桩身各段水泥土原状土样的室内无侧限抗压强度试验及取芯过程各段配合用的标准贯入试验的标贯击数，可以可靠准确地判定桩身各段的桩身强度，同时也可测定出桩身土样的变形指标；通过在取芯过程中水泥土样的变化情况，可判定桩体的连续性并可确定桩长。
钻孔取芯法是检测水泥粉喷桩直观、可靠、有效的方法，但由于粉喷桩横断面方向有搅拌轴部位的喷灰盲区、水泥土强度不是很高且桩体千层饼状的特点，因此在采用钻孔取芯法做单桩试验时应特别注意：
(1)孔位应避开喷灰盲区，宜定在离桩中心1/4桩径处；
(2)在整个钻进取芯过程中，钻杆必须始终保持规定的垂直精度；
(3)在原状水泥土取样过程中注意尽量避免对水泥土样的扰动，特别小心试样破碎。
本工程中采用衡阳－100型钻机进行钻孔取芯时桩的龄期均已经大于30天。钻孔位置在桩径方向的1/4处，采用单筒岩芯管（91mm）带水回转钻进法，钻进深度5.0～13.0m将桩身分成三等分，于每等分的中部取试样进行室内单轴抗压强度测试分30天及90天两种龄期。从现场取芯结果可以看出，桩体在龄期满30天后呈坚硬状态，结构致密，部分桩体有蜂窝为搅拌不均所致。（如图）
由于粉喷桩最终的控制参数是复合地基的整体承载力，静载试验法是在桩体达到一定龄期后，对单桩或复合地基通过具有一定刚度的压板加载来测试地基承载力的方法，是最能贴近地基受力的实际情况，最能准确、直接测出单桩或复合地基承载力的最标准的方法，包括单桩静载试验和复合地基静载试验。
在桩基静力载荷试验前，首先暴露出桩头，并使桩体周围具有足够大的试坑。将桩头清理平整后铺设5～10cm厚的中粗砂，并校平，在砂层上放置足够刚度的传力板（本处单桩测试为
地基沉降变形量测系统是由对称分布的两块大量程百分表及基准梁组成的。百分表用磁性表座固定于基准梁之上。试验前设备均经过计量部门的标定。
加荷方式采用慢速维持加荷法。逐级加载，加载级数为8～10级，正式加荷前先预压一级，稳定后卸载，再开始加载过程。每级荷载施加后即读一次百分表读数，以后每30分钟测读一次。当间隔一小时的变形不超过0.1mm时，即认为变形已稳定。再施加下一级荷载，直到施加到最大荷载。卸载按加荷载的二级为一级逐级进行，测读沉降方法同荷，一小时卸荷一级，直至卸至零。下图是其中一点。
五、总结
粉喷桩处理软土地基是一种行之有效且广泛应用的工艺手段，与其它软基处理手段相比，具有施工方便、工期短、工后沉降小（营运质量高）等显著优点。本工程中粉喷桩施工历时10个月，完成总桩长75万延米。通过粉喷桩处理，在原软土地基中形成强度刚度较大的柱体，同时也使桩周围土体性质得到改善，桩体与桩间土体形成复合地基共同承担外荷载，因此，经粉喷桩处理的地基，承载力大大提高，沉降量大大减少。由于桩体作用，地基抗剪强度增强，提高了地基的稳定性，路基填土可以不受速度的限制，大大加快施工进度。且路基沉降可在较短时间内完成，施工后一般沉降很少。而常用的排水固结法和铺土工布法，通过以往的施工实践，处理后的地基后期沉降仍很大，固结时间长，易产生塌方滑坡等剪切破坏，因此填土速度受到限制，工期长；往往通车一段时间后(2～3年)，由于路基变形需要整修，因此，虽然粉喷桩处理软基费用较其它处理方法高，但省却工后整修的二次费用，相比之下还是经济的。
参考文献：
《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2002），中国建筑工业出版社，2002；
欧阳志强，汪石山，龚学文，吴连生，应忠卿 SJ4一500型深搅钻机研制西部探矿工程，2003，（1）：119～120；
刘建华，胡晓东 水泥深层搅拌桩在高速公路软基处理中的应用 . 湖南交通科技，2003，29（1）：17～18；
