粉噴樁施工工藝模擬及機理研究★

何運林 任錚鉞 趙夢凝

(1.廣西地大集團有限公司，廣西南寧 530000; 2.大連理工大學現代工程檢測有限公司，遼寧大連 116023; 3.大連城市建設專家事務所有限公司，遼寧大連 116023)

0 引言

粉噴樁屬于深層攪拌法加固地基方法的一種形式，它和漿體攪拌法都屬于深層攪拌法，不同之處在于，粉噴樁是在鉆孔過程中，通過使用特制的深層攪拌機械噴射粉體加固材料(水泥，石灰等)，使加固劑與深層軟弱土經攪拌混合，并發生一系列物理、化學反應，使軟土硬結成具有整體相互影響，共同作用承擔上部荷載的粉噴樁復合地基。粉噴樁最適合于加固各種成因的飽和軟粘土。

隨著國內高鈣粉煤灰排放量的逐年增加，人們對高鈣粉煤灰的性能及其應用研究越來越關注。由于純水泥加固軟土效果不是很顯著，因此將高鈣灰摻入加固材料之中，也是大連軟土加固研究的一塊新的領域。由于加固材料的變動和大連軟土地域性特征，粉噴樁施工效果會有顯著不同。將粉噴樁施工簡化成模型進行室內試驗，可以由小見大，為現場試驗奠定一定的基礎。

1 粉噴樁施工工藝

1.1 粉噴樁施工流程

粉噴樁施工流程見圖1。

圖1 粉噴樁施工流程圖

1.2 粉噴樁施工難點

1)噴粉均勻噴出控制。

要保證粉噴樁樁體強度達到設計強度，必須保證樁體直徑范圍內加固劑含量均勻足量摻入。首先要保證粉噴樁鉆機桿下的粉體噴口噴射出的氣體達到一定的壓力(此壓力不小于鉆頭所在位置的土壓力)，確保其能噴至樁體直徑處。再者是要減少壓力損失，不得隨意扳動噴灰閘閥，并保證灰罐密封嚴密，確保噴灰工作壓力。粉噴樁最大加固深度與送灰器最大壓力及地層地質條件有關，樁底最深處至少要維持與土壓力相當的空氣壓力才能保證高壓空氣攜帶水泥順利達到樁直徑處。一般儲料罐最大壓力為0.5 MPa，因此粉噴樁最大深度不應超過15 m。

2)加固劑與土體拌合效果控制。

土質太粘，干粉不易噴入，混合后形成較大土團，易形成加固樁體軟弱夾層，也容易堵塞鉆頭噴射口，使施工無法進行。根據《粉體噴攪法加固軟弱土層技術規范》施工時可采用加水措施，目前普遍采用的方法是施工時順鉆桿外側注水，經大量實踐證明由于鉆桿離心作用和噴氣、灰氣壓作用該方法對較干地層深度在0.5 m～1.0 m地區可滿足質量要求，厚度大于1.0 m，無法滿足要求。

因此需要考慮一種不受噴氣送灰影響，又能深入底層的送水方法。經過實踐證明，用鉆機在預成樁位上鉆進至地下水位以上30 cm處，不噴灰提升，將原狀土攪松后增大其滲透性，然后注水預浸［2］。

2 施工工藝模擬試驗

2.1 試驗裝置

模仿粉噴樁施工，簡化模型，進行室內試驗。主要控制兩點:加水+噴粉+旋轉;淤泥中原位養護。模擬試驗的設備主要由三部分組成:加壓系統，粉體噴槍，攪拌裝置。加壓系統采用小型空氣壓縮機，量程控制在0.05 MPa～1 MPa。攪拌葉片采用雙層帶弧度結構，大約14 cm長，裝置見圖2。

圖2 模擬試驗裝置

空壓機將空氣傳入導管，經由粉體噴射槍時，吸取粉罐中的加固劑由噴嘴噴出。

2.2 試驗過程及結果分析

在噴粉攪拌過程中，一開始由于粉量較少，攪拌較均勻。隨著噴粉量的增加，攪拌越來越困難，葉片周圍形成大塊粘土團。采用加水的方法，使加固土流動性提高。

攪拌成型后，將桶放進養護室養護28 d;取樣并切割成70.7 mm的立方體試塊。對于切割成型的試塊，進行無側限抗壓強度測試，為0.67 MPa，且呈塑性破壞。

《軟基處理水泥深層攪拌樁施工控制》規定，設計的基本參數和要求如下:

1)水泥摻入比大于12%;

2)室內配合比設計:7 d無側限抗壓強度≥0.8 MPa;28 d≥1.6 MPa;90 d≥2.4 MPa;

3)現場質量檢測:28 d取芯強度:R28≥0.8 MPa;90 d≥1.2 MPa;單樁承載力大于210 kPa;復合地基承載力大于170 kPa。

取樣強度較低，由于實驗室模擬條件限制，如空壓機控制，很難掌握精確;從試塊呈塑性破壞可知，加固劑摻量不足，原因可能是噴粉過程中，噴入淤泥中的粉量有流失;采用人工攪拌以及擾動土孔隙率比原狀土大，部分摻入的水直接經由空隙聚積到桶的底部，多加的水對拌合性作用減小，使得拌合不夠均勻。

3 施工模擬機理研究

3.1 高鈣灰對粉噴樁施工工藝的影響

為了說明摻高鈣灰的拌合軟土對拌合和易性的影響，采用砂漿稠度試驗定量分析其拌合和易性以及拌合土流動性。試驗根據JGJ/T 70-2009建筑砂漿基本性能試驗方法標準，采用砂漿稠度測定儀，讀取下沉深度。

試樣制備:稱取0.9 kg風干土，加水至含水量40%，按加固劑(水泥、高鈣灰)摻入比20%分別拌合。試驗設備以及過程如圖3所示。

圖3 砂漿稠度儀以及試驗過程

試驗結果見表1。

表1 試驗結果(稠度和強度)

由拌合土稠度試驗可知，水泥拌合土流動性大于高鈣灰拌合土。高鈣灰拌合土稠度很大，究其原因:

1)它的比表面積比水泥大，需水量自然就大;

2)高鈣粉煤灰中的游離氧化鈣吸收軟粘土中含有的水分，體積膨脹，不僅可以降低軟粘土的含水率，而且對軟基起到膨脹擠密的效果;

3)高鈣灰含有不少水硬性礦物，且自身f-CaO遇水水化硬化，所以具有一定的自硬性。雖然高鈣灰活性玻璃體很多，可以起到一定的潤滑作用，但是只起到次要作用。

3.2 淤泥結構性和結合水層對施工的影響

室內施工模擬與室內配合比試驗最大的區別，就是用于試驗的土樣不同。模擬試驗用的是普灣新區地下淤泥質原狀土，而室內配合比試驗用的是風干土加水拌合成的重塑土。因此接下來要研究原狀土與重塑土對施工工藝的影響，可以從淤泥土的結構性和淤泥土中的水狀態兩部分來分析。

1)淤泥土的結構性。

土的結構性實質是一種土物理狀態的顯示，是土生成條件、環境的自然歷史產物。淤泥質土具有一定的結構性，原狀淤泥質土在沉積過程中形成了一定的結構聯結強度。以低活動性的高嶺石為主的礦物組合形成的微結構類型多是穩定型的，其結構強度相對較強;反之，以高活動性的蒙脫石為主的礦物組合形成的微結構類型多是較不穩定型的，其結構強度相對較弱。當軸向壓力逐漸增大，直至應力超過其屈服強度，結構聯結強度遭到完全破壞呈變形不可恢復的塑性狀態，再加水拌合，稱為重塑土。完全重塑土體結構性完全喪失，沒有彈性變形階段。原狀淤泥質土其土顆粒間的聯結強度(結構強度)往往因長期的壓密作用和膠結作用而得到加強，一般應大于重塑土的強度［3］。

準備原狀土樣和重塑土樣(風干后按含水率加水)，用鏟子攪拌，很明顯原狀土更粘稠。也可以通過透射電鏡圖像觀察，原狀樣含有大量絮凝狀凝膠，而重塑樣較少。

謝定義等人［4］用釋放結構勢的方法得到結構性的定量化指標，以壓縮試驗為基礎對原狀土試樣(欲研究其結構性的土)、它的飽和土試樣以及它的擾動重塑土試樣(濕密狀態不變)分別在壓縮儀上作出壓縮曲線。

2)淤泥土中的水［5］。

粘性土中粘粒含量較高，他們具有膠體或準膠體的性質。因此，粘土礦物由于同晶替代，或與水相互作用后具有選擇性吸附，或本身解離，使粘粒表面吸附離子而帶電，帶電粘粒在溶液中會吸附與之電性相反的離子形成反離子層，也會吸附極性水分子在其周圍形成水化膜。

從離子角度分析，反離子層又分為離粘粒較近的固定層和離之較遠的擴散層，稱為雙電層結構(見圖4)。從作為主體的水分子看，稱為結合水層。

圖4 雙電層（結合水層）示意圖

由于風干土在加水之后，結合水層沒有原狀土厚，因此在含水量相同的情況下，重塑土顯得更“稀”。而原狀土不易拌合，因為其結合水較多，不易釋放出來。因此在采用原狀土試驗時，拌合過程中要加入一定的水來緩解拌合困難的現象。

4 結語

以粉噴樁施工工藝理論為基礎，抽象并簡化施工模型，設計并完成了室內模擬粉噴樁施工試驗。在試驗的基礎上，對粉噴樁加固機理進行分析研究，其一通過軟土單摻高鈣粉煤灰和水泥的稠度測試試驗，說明拌合過程中高鈣灰吸水量明顯大于水泥，加固土和易性較差;另一方面，基于軟土地域性特點，說明大連普灣新區軟土存在很強的結構性和較厚的雙水層，加之高鈣灰吸水量大，導致粉煤灰施工過程中拌合困難，用于加固劑水化反應的含水量不足，影響粉噴樁質量。因此在確定最佳配合比的前提下，為了滿足粉噴樁施工工藝要求，使得葉片更易于攪拌軟土，就要保證有加入足夠的拌合水。模擬試驗充分表明了粉噴樁噴粉攪拌同時加水在實際場地上施工的可行性，為以后的現場試驗奠定了一定的基礎。

［1］ 趙永軍.粉噴樁處理軟土路基計算及應用研究［D］.大連：大連理工大學，2007.

［2］ 孫滿利，龍正未.粉噴樁施工中加水方法探討［J］.陜西水利，2002(30)：68-69.

［3］ 黃志全，劉 婭.結構性對淤泥質土強度影響試驗研究［J］.人民黃河，2010，32(11)：98-99.

［4］ 謝定義，齊吉琳.土結構性及其定量化參數研究的新途徑［J］.巖土工程學報，1999，21(6)：651-656.

［5］ 房后國，于立新，劉娉慧.結構性淤泥土固結機理及模型研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2008.