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软土地基处理——粉喷桩中铁科工集团轨道交通装备有限公司技术开发部2015.1.9一、粉喷桩简介粉喷桩定义粉喷桩属于深层搅拌法加固地基方法的一种形式，也叫加固土桩。深层搅拌法是加固饱和软粘土地基的一种新颖方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械就地将软土和固化剂(浆液状和粉体状)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理一化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的优质地基。粉喷桩就是采用粉体状固化剂来进行软基搅拌处理的方法。粉喷桩最适合于加固各种成因的饱和软粘土，目前国内常用于加固淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高的粘性土。粉喷桩桩按材料喷射状态可分为湿法和干法两种。湿法以水泥浆为主，搅拌均匀，易于复搅，水泥土硬化时间较长；干法以水泥干粉为主，水泥土硬化时间较短，能提高桩间的强度。但搅拌均匀性欠佳，很难全程复搅。1.1特点1.机理科学、费用低廉（1）加固成本低。由于利用原土为原料，加入少量固化剂，一般为12-15%的土体重量。（2）桩身质量好。由于桩体粉体与土拌和，化学反应充分，桩身强度相对较高。（3）地基加固后其容量变化不大，仅比原容量增加5%，故无附加荷载，含水量略低于原土，约减少3-7%，其抗压强度一般为1.6-2.0MPa，其主要与土的种类、含水量、粉体掺入量、养护龄期以及外加等因素有关1.2.干法施工（1）施工不需水源，不需排污，故场地干净。（2）桩体强度高。此方法是从地基中吸收一定的水份，工艺效果较好，提高了地基加固效果。1.3.无侧向挤土问题该工艺与打入桩或压入桩相比，由于成桩是将原位土体作为主要原料，使地基中几乎不增加体积，故不产生侧向挤土，所以粉体喷搅法施工时，对临近环境无影响，甚至可以紧贴相邻基础施工。1.4.桩身强度可因需要加以控制该工艺可按工程需要及地质条件，以不同掺入量来控制不同的桩身强度，也可在同一地基中不同层位控制不同桩身强度，满足工程上的需要。1.5.施工机械简单、操作方便粉喷法施工专用机械由成桩钻机、空压机、供料机三大件组成。设备简单，桩身体积小，移动方便，成桩直径一般为500-700mm。桩长最深可达30m，施工效率较高，台班成桩10-15根。1.6适用范围该工艺桩位平面布置灵活，可以组成多种形状，如柱状、壁状、格栅状等，主要用于工程建设中的多种地基改良加固，尤其以淤泥质软土改良效果较好。可作为支护体系，用于防止滑坡，防止流砂及止水围护等，还可以加固地基中的某个部位，故应用广泛。在住宅基础应用中单桩承载力可达300KN，复合地基承载力可达25Kpa.水泥土搅拌桩的桩位平面布置形式水泥土搅拌桩是一种具有一定刚性的脆性材料所构成，抗压强度远大于抗拉强度。一般采用水泥土搅拌桩作围护结构以“重力式”挡墙为宜。二、粉喷桩施工准备技术准备材料准备机械准备人员准备场地准备试桩工艺准备2.1技术准备•施工场地的工程地质报告•土工试验报告•室内配合比试验报告•粉喷桩设计桩位图•原地面高程数据表•加固深度与停灰面高程2.2场地准备•场地平整，清除障碍物•如场地低洼，回填粘性土•施工场地不能满足机械行走时，需铺设砂土或碎石垫层•如地表承载力过低，应采取措施防止机械失稳2.3原材料准备•水泥：425号普通硅酸盐水泥•水泥应有产品合格证•水泥各项性能进行室内检验•严禁使用受潮、结块变质的加固料2.4机械准备钻机:主要成桩机械•粉体发送器：关键设备•空气压缩机：考虑加固工程地质条件和加固深度•搅拌钻头,计量装置,电脑记录仪等2.5试桩工艺准备•试桩数量：5根•确定钻进速度：V≤1.0m/min•确定提升速度:V≤0.8m/min•确定搅拌速度:30r/min•确定喷气压力:≥0.5MPa•确定单位时间喷粉量•确定钻进与提升时管道压力：0.1～0.2MPa(具体数值不同工地有差异)三、粉喷桩施工-工艺流程粉喷桩施工工艺分为就位、钻入、预搅下沉、喷搅提升、复搅下沉、复搅喷粉提升、成桩等过程。见图1。材料要求喷粉使用的粉体固化剂为425号普通水泥，要求新鲜无结块，入罐时应经筛网过滤，最大粒度不超过5mm，不得含有纸屑、塑料布、石子等杂质；石灰用磨细生石灰，最大粒径小于0.2mm，要求质地纯净无杂质，含氧化钙和氧化镁的总和应不少于85%，其中氧化钙的含量不低于80%。3.1粉喷桩施工流程粉喷桩机就位预搅下沉喷粉提升搅拌至设计桩顶标高以上50cm重复搅拌下沉重复喷粉搅拌提升至桩顶标高以上50cm关闭喷粉机械提升至孔口关闭搅拌机械1、桩体就位：移动钻机、使钻头对准桩位，分别以经纬仪、水平尺在钻杆及转盘的两个正交方向校正垂直度及水平度。2、上水泥等粉灰：打开粉喷机料罐上盖，按（设计有效桩长+余桩长）×每m用料，计算出水泥等粉灰用量，并进行过筛，加料入罐，第一罐多加50kg水泥等粉灰。3、关闭粉喷机灰路蝶阀、球阀，打开气路蝶阀。4、钻进：启动钻机和空压机，并缓慢打开气路调压阀，对钻机供气，视地质及地下障碍情况采用不同转速正转下钻，宜用慢档先试钻。5、压差控制：随钻杆下钻压力增大而调节压差，使喷粉压力(灰罐压力)管道压力(只喷空气下钻时的最大反压)大0.2MPa左右的压差。6、喷搅提升：钻头钻至设计桩长底标高，关闭气路蝶阀，并开启灰路蝶阀，反转提升，打开调速电机，视地质情况调整转速，喷灰成桩。7、钻机正转下钻复搅，反转提钻复喷。根据地质情况及余灰情况重复数次，保证桩体灰土搅拌均匀。8、钻头提升至桩顶标高下0.5m，关闭调速电机，停止供灰，充分利用管内余灰喷搅。9、原位旋转钻具2min，脱开减速箱、离合器将钻头提离地面0.2m。10、打开球阀，减压放气。打开料罐上盖，检查罐内余灰，并记录喷灰量。11、钻机移位，进入下一个成桩桩位。3.2施工机具施工机具主要由成桩钻机、配套水泥罐和贮灰罐及喷粉系统、空气压缩机三大系统组成。喷粉桩机由液压步履式底架、井架和导向加减压机构、钻机传动系统、钻具、液压系统、喷粉系统、电气系统等部分组成。目前使用的机械有：GPF-5、GPF-7、PH-5及PH-8型钻机、YP-1粉体喷射机、3N-1.6/1.0空气压缩机各1台；C-2储气罐、配电箱各一只；电缆、压力胶管、小平车若干。施工设备布置见图2。施工机械1、粉喷桩：可采用PH-5B、PH-5D系列搅拌桩机械施工搅拌桩全景输灰灌PH-5D型PH-5B型搅拌桩施工机械粉体喷射机空气压缩机湿喷用泥浆泵(右)喷粉钻头喷浆钻头喷浆后配套喷粉小灰罐喷粉后配套喷浆用水龙头3.3）施工工艺要点:（1）施工前进行场地平整，桩位放线，组装架立喷粉桩机。检查主机各部的连接，液压系统、电气系统、喷粉系统各部分安装试调情况及灰罐、管路的密封连接情况是否正常，做好必要的调整和紧固工作，排除异常情况后，进料口应加盖密封。（2）成桩时，先用喷粉桩机在桩位钻孔，至设计要求深度后，将钻头以1.0-1.2m/min速度边旋转边提升，同时通过粉喷系统将水泥（或石灰粉）通过钻杆端喷嘴定时，定量向搅动的土体喷粉，使土体和水泥（或石灰）进行充分搅拌混合。（3）桩体喷粉要求一气呵成，不得中断，每根桩装一次灰并搅喷完。喷粉深度在钻杆上标线控制，喷粉压力控制在0.5-0.8MPa。（4）单位桩长喷粉量是控制成桩质量的关键，喷粉量随桩体强度而定，一般为45-50Kg/m，工程的喷粉量应一次大体调定。喷粉先里排后外排，可由一端向另端进行。（5）当钻头提升到高于桩顶面约500mm，喷粉系统停止向孔内喷射水泥（或石灰粉）时，桩体即告完成。为保证质量，上部1.5-2.5米可复钻孔喷粉一次。（6）喷桩桩自然养护14天以上始可挖土，以免在水平力作用下造成断桩。粉喷桩施工现场粉喷桩桩机施工现场深层粉喷搅拌桩施工现场3.4操作要点1、施工前应准确测放轴线和桩位，并用竹签或钢筋标定。2、施工现场要求平整，施工前彻底清除地下一切障碍物。3、正式打桩前宜按设计要求施打工艺试桩，以确定各地层和平面区域内钻杆提升速度和喷灰速度、喷灰量等。4、粉体喷射机灰罐应按理论计算量投一次料，打一根桩，以确保成桩质量。5、喷射机内压力要保持稳定，压力要足够。6、钻机提升速度控制于0.45-0.8m/min。7、钻机预搅下沉，应尽量不用冲水下钻，当遇较硬土层太慢时，方可适量冲水。3.5施工注意事项1、每一根桩开钻后必须连续施工，严格控制喷灰及停灰时间，不得间断。严禁在尚未喷灰的情况下进行钻杆提升作用，以确保粉喷桩质量和长度。2、如遇停电，机械故障等原因而喷粉中断，应及时记录中断深度，待恢复正常后进行复打，复打重叠段不应小于1m。3、钻杆下沉前，应用经纬仪检查或垂线量测钻杆的倾斜度，使倾斜度值不大于1.5%。4、深层搅拌机喷灰提升至原地面以下50cm时，应关闭空压机，防止固化剂喷入大气层。5、在桩径变更时应对直径进行复核，对使用过的钻头须随时检查，且磨损量不得大于1cm。3.6技术经济比较大量工程实践证明，水泥粉喷桩工艺具有施工快、建筑材料省、造价低、强度高等优点。（1）施工周期短，每台班可完成300-400m左右。（2）加固体强度相当于浆液搅拌法的2倍。（3）材料成本低，每延长米仅10元左右，工程造价比浆液搅拌低1/3。3.7水泥湿喷搅拌工艺•合适的配方还需采用合适的机具和工艺流程才能保证水泥土达到设计强度。如果机具和工艺不适用，或重心不稳，或搅拌的功率和喷浆力不足，常常造成只搅拌不喷浆，只转动不搅拌，土体呈同心圆转动或摆动，其后果是泥浆、泥块、水泥浆分离，拌和不匀，上下不均一，强度差异悬殊，总强度很低。因此，对不同土类、不同深度的加固体应分别采用不同的机具和工艺流程，包括：搅拌机的功率，搅拌头的类型，喷浆的压力和搅拌的流程等。•对于打入深度在8～12m的搅拌桩，搅拌机的功率可用35～45kW和轴杆直径mm的单轴和双轴搅拌头。对于深度超过20m的搅拌桩，搅拌机的功率应增大至55～60kW，搅拌头的直径，喷射压力也相应增大。一般采用的工艺流程如图所示如打入深度较大的搅拌体，应采取自上而下，或自下而上分段搅拌，先贯入下沉喷浆搅拌第一段，再下沉提升搅拌第二段，这样有利于搅拌均匀。其中要注意控制提升的速度和转速，一般每分钟提升0.6～1.0m，每分钟转速为20～40转。四、粉喷桩施工控制要点(1)加强对施工机械设备的检验•桩机配置可以控制桩身每米喷粉量的记录器;•桩机上的气压表、转速表、电流表、电子称必须经过标定,不合格的仪表必须更换;•桩机钻架相互垂直两面上分别设置两个0.5kg重的吊线锤,并画上垂直线•在桩机的钻架上画上钻进刻度线,标写醒目的深度;•钻头直径的磨损量不得大于1cm。(2)加强对原材料的检验。•粉喷桩所用材料必须经过检验,满足规范、设计的要求。•粉体固化剂入罐时必须过筛,以保证入罐固化剂粒径符合要求,没有纸屑、石块等杂物。(3)施工前进行工艺试桩•工艺性试桩,试桩数量不少于5根。•试桩的目的:提供满足设计喷粉量的各种操作参数(如管道压力、灰罐压力、钻机提升速度、钻进速度、搅拌速度等);验证搅拌均匀程度及成桩直径;确定符合质量要求的合理掺灰量和合理的工艺流程;确定进入持力层的判别方法。(4)严格计算桩孔间距,做好桩机对中、调平工作。•机身调平以钻杆是否垂直为依据,钻杆垂直度应严格控制,采用先进的控制办法进行控制,必要时可在机身设置激光对中仪进行控制。(5)控制喷粉工艺•a.喷粉直接关系着成桩的质量,要求迅速连贯,一气呵成。•b.钻头钻至设计深度,应有一定的滞留时间,以保证粉料到达桩底。一般在开工前通过观察确定滞留时间。•c.提升过程一定要保证边喷粉、边提升连续作业。在空气湿度大、粉体流动性差、喷气压力大、单位桩长喷粉量大时,应对粉料进行加压。喷粉过程应随时观察粉体计量的变化,以保证各段(通常以1m为一个单位)喷粉均匀。如出现断粉,应及时补喷,补喷重叠长度不得小于0.5m。d.桩顶设计标高与地面标高接近时,地面以下1m范围内喷粉、搅拌、提升宜用慢速,当喷粉即将出地面时,宜停止提升,搅拌数秒钟,以保证桩头均匀密实。e.做好粉体的计量和钻机深度相结合的计量,掌握钻进深度、相对应每延米的喷粉量、总灰