粉喷桩及复合桩在复杂软基的应用

　　邻近长江入海口的苏北沿海地区，地下水位较高，区内分布着以海相淤泥质粉质黏土为主的软土层并有大量的暗河浜、暗沟塘及冲、回填土等软弱人工填土存在，采用粉喷桩和复合桩施工，取得了较好的效果。

　　一、工程概况

　　1.工程地质情况

　　拟建场地位于沿海长江三角洲冲积平原，成陆时间较晚，地形较平坦，主要软土为淤泥质粉质黏土层，有暗塘存在，暗河最大深度为3.80m，地下水位为地下1.0m左右，土层分布自上而下分别为：杂填土层、淤泥质粉质黏土层、粉质黏土夹粉土层、粉砂夹粉土层、粉砂夹粉土层。

　　2.几种处理方案比较

　　因拟建房屋一般为5～6层，先后采用过夯扩桩、深层搅拌桩、微型混凝土灌注桩及微型混凝土桩加砂桩(在暗塘区)等多种方案。但夯扩桩振动及噪音太大，深层搅拌桩桩体强度不均匀、沉降量大，微型灌注桩(特别在暗塘部位)有“颈缩”现象，沉降量偏大，后采用了静压管桩方案，但造价较高。经与建设方、设计单位协商，且施工方承诺在总造价不高于其他处理方案的前提下保证复合地基承载力达到150kPa，决定采用如下方案：在暗塘部位先打直径为280mm的砂桩，桩长3.80m左右，即进入暗塘底部，再间隔打直径为600mm的粉喷桩，桩长为6.0m(进入粉质黏土夹粉土层50cm以上)，掺灰量为13%～15%，桩距1.2m，而且在粉喷桩之间再间隔留有砂桩，形成水泥砂土复合搅拌桩加砂桩与桩间土构成三元复合地基。无暗河部位直接施打粉喷桩，并与桩间土组成复合地基。

　　二、工程施工

　　本工程采用PH-5型粉喷桩和微型桩机各一台，共计施打粉喷桩565根，砂桩550根，素混凝土劲芯复合桩2根。施工严格按《江苏省建安工程施工技术操作规程》，图纸要求和工程实际操作。粉喷桩机采用电子秤计量，材料由监理签收。

　　先在暗河部位施打直径为280mm、深达粉质黏土夹粉土层顶的砂桩，采用中粗砂作骨料。桩长在3.5m左右，一般在砂桩施打完后2～3天再打粉喷桩。施工中发现有大量水份在粉喷桩施工注入的大量高压气体作用下从砂桩中排出，常在地表形成较多的积水。这有利于软弱土体的快速排水、固结。而复合桩间的砂石桩还有排水作用。在暗河部位施工时，出现了粉喷桩头“陷落”30～50cm的现象。可能是土体中水体被排出，粉喷桩机上拔钻头反转时会借助重达120kN以上的机械自重压迫松软土体使水泥砂土复合体密实所致。劲芯复合桩位于场地北侧的暗河部位，＃1劲芯复合桩先施打3.5m长的砂桩后再打粉喷桩形成上部含砂的水泥砂土复合桩，又在其中心打了5m长、直径为220mm的混凝土小桩。＃2劲芯复合桩未打砂桩，直接施打粉喷桩并打混凝土劲芯。劲芯复合桩施工中要严格掌握施工时间，劲芯的打入一定要在水泥砂土体硬凝前进行(一般在粉喷桩施工后的3小时左右)。劲芯打人到地下5.0m时沉管速度减慢，粉喷桩在该部位施工时密实电流也明显增大，表明桩尖进入强度较高的粉砂夹粉土层。粉喷桩桩长为6.5m，有效桩长6.0m、直径为600mm，掺灰量15%，并全程复搅。据场地地质情况，粉喷桩进入粉砂夹粉土层深度约为1.Sm。桩的垂直度控制在0.5%-1%范围内，劲芯中心和搅拌桩中心偏差不大于2cm。

　　三、检测与观察

　　工程完工后30天左右，用1.2m×1.2m的方形板在场地的东部(暗河边缘，有砂桩和粉喷桩)、中部(无暗河及砂桩，仅有粉喷桩)、西部(有暗河、砂桩和水泥砂土复合桩)各选3个点进行单桩复合地基试验，因检测期间连降大雨，场地含水量较高，试坑的深度为0.8m，场地的有砂桩加固后的暗河部位无明显积水，而未打砂桩的非暗河部位反而有积水。在相同荷载下，有砂桩加固的暗河边缘部位和砂桩加水泥砂土复合桩加固后的暗河部位沉降量小于单纯用粉喷桩加固的非暗河部位。但在荷载加至设计荷载的两倍时各试点均未破坏，并且承载力标准值达到150kPa时的沉降量小于新规范要求的0.006，在加荷至300kPa时，累计沉降量仍然满足要求。

　　整个场地开挖后，发现复合桩桩体搅拌均匀，强度较高，特别是暗河部位含砂桩头需用风镐才能破碎。桩间土得到挤密且含水量明显降低。实测到在暗河部位施打的两根混凝土劲芯复合桩，桩径达到64cm，大于同直径钻头施工的粉喷桩或水泥砂土复合桩桩径，认为是在打入混凝土小桩时挤扩外围水泥土体所致。混凝土劲芯与水泥土体紧密裹合。水泥土体外侧有较清晰的叶片搅拌轮痕，如较粗的绳索捆绑状，在上部荷载作用下与桩周土体会产生较大的桩侧摩阻力。＃1含砂水泥搅拌桩桩体强度及均匀度要好于未打砂桩的＃2复合桩。

　　四、分析与结论

　　1.粉喷工法与湿喷工法在沿海软土地基加固中的比较

　　(1)含水量
　　规范要求湿喷工法水灰比为0.4～0.6，但实际操作中水灰比要高达0.8～1.0，这相当于大量(桩体水泥硬凝过程仅耗掉其中的20%)多余的水分又注入本来含水量就高的软土中，使最需加固的软弱土层因其含水量高而无法多吸收水泥浆体，造成浆体外溢或被含水量相对较低的较硬土层吸收，造成桩体强度不均匀。粉喷桩可以调控各土层的水泥掺入量和搅拌次数，且水泥粉吸收桩周软土中的水分，桩体及桩间土强度均有较大幅度提高。现行的规范已将“干法”单列，肯定了工法在加固含水量较高的软土地基的优越作用。

　　(2)施工机械及工艺
　　粉喷桩是借助搅拌叶片旋转切削土体，使高压水泥粉体充斥叶片后空隙并被切削后的土体吸附，反转时，边搅拌边借助机械自重向下压迫土体使水泥土受压密实。正规厂家生产的粉喷桩机其叶片搅拌一周，上拔高度为1.5cm是固定的，保证土体被强制切削搅拌，充分与水泥粉均匀拌和。而湿喷工艺其搅拌头无论下沉或提升均一个方向旋转，且提升速度、喷浆压力、喷浆量，转速均不易调控。钻头上拔时，易拉松桩体，特别是接近地面时，上覆土压力小，土体与搅拌头“跟转”，难与水泥浆充分拌和而产生“富集块”现象和“空洞”现象，造成桩体强度的不均匀。

　　(3)粉喷桩密实电流可控制加固效果
　　粉喷桩施工时密实电流是控制粉喷桩质量的一个重要参数，它与水泥掺灰量、桩径和被加固的土质有关。据设计要求，地质报告和施工经验确定出一个确保桩体强度和均匀性的控制值(特别是在软弱部位的复搅时的密实电流)，对整个地基加固效果是十分重要的。

　　(4)早期强度不同
　　粉喷桩早期强度较高，实际工程检测中，无论轻便触探、静荷载试验或波速测试，在其他条件相同时或相近时粉喷桩的强度指标均高于湿喷桩。因而在实际测试时，可适当调整测试时间。如：轻便触探时间可比湿喷法提前1～3天，静荷试验可提前1～2周时间，大大缩短了检测间隔时间。

　　2.水泥砂土复合桩中砂桩的作用

　　一是挤密置换作用。砂桩的打入会挤密原地基的软弱部位，如果是饱和软黏土地基则有置换作用，提高土体的密度和强度。

　　二是排水固结通道作用。打入软土中的砂桩，在粉喷桩施工时因有高压气体的作用会有大量水从砂桩中排出，有利于高含水量的软土快速排水固结。

　　三是改善土体结构，增强复合桩体强度和刚度。在砂桩中心再施打水泥搅拌桩，相当于在水泥土体中又增加了20%～30%的中粗砂骨料，且与水泥、原土体更均匀地拌和，不易发生水泥或土体“富集”现象，因而水泥复合体强度和刚度有大幅度提高。

　　四是构筑复合地基。如果复合桩间还有砂桩存在则与桩间土共同构成复合地基。砂桩也可作为排水通道在上部建筑施工和使用后长期存在，有利于软土固结。

　　五是简化施工程序。对较复杂软基，采用水泥砂土复合桩进行加固可免去一般开挖、回填再加固处理的繁琐工序，缩短工期，减少工程费用。

　　3.劲芯复合桩中劲芯的作用

　　一是挤密作用。劲芯的打入能挤密水泥土体，能消除粉喷桩中心软芯现象，并挤扩水泥土体，使之与桩周土体的侧摩阻力大幅度提高。同时软弱土体中粉喷桩先行施工会改变土体的软弱状态，水泥土体会在劲芯打入时起到护壁作用，素混凝土劲芯一般不会发生“缩径”现象。

　　二是改善荷载传递途径及深度。水泥搅拌桩主要受力范围一般在桩顶下5～7倍桩径范围，而复合桩中由于劲芯的刚度和强度较高，在上部荷载作用下，应力会集中在劲芯部位，再由劲芯传递到其侧壁和桩端的水泥土体，成倍地增大了荷载作用于水泥土体的面积。

　　三是劲芯水泥复合桩承载力介于钻灌桩和各种预制桩之间，而造价仅为其一半左右；施工速度快，工期可大大缩短。如苏北沿海地区长一般为8m(即桩尖进入相对硬层2m左右)，桩径为60cm左右，单桩承载力标准值可达400～600kN，可部分替代钻孔桩、夯扩桩和静压桩，也可作刚性桩复合地基。　■

参考文献：

1 叶观宝，叶书麟.地基加固新技术.北京：机械工业出版社，1999
2 董平等.混凝土芯水泥土搅拌桩在软土地基中的应用.岩土工程学报，2002. 128

(作者单位：江苏省如东县水利电力建筑工程有限公司)
责任编辑 岳梦华