水泥粉喷桩加固大型水闸地基的实践和体会

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简介： 通过水泥粉喷桩加固技术成功运用于大型水闸的实践，对设计与施工作用简要论述，并结合工程实践介绍了设计应注意事项及施工工艺以及保证质量的组织技术措施。
关键字：水泥粉喷桩 搅拌 工艺试桩 轻便触探 承载力 静载试验

1.概述

粉体喷射搅拌法是近二十年来大规模发展起来的地基加固处理技术。该法由瑞典人Kield Paus提出设想，1974年在瑞典首都斯德哥尔摩以南约十公里处的Hudding首次用石灰粉体喷射搅拌法作为路堤和深基坑边坡稳定措施，并取得成功。我国铁道部于1984年首次成功运用于广东省云浮硫铁矿铁路专用线软基加固。水泥粉喷法是利用喷粉桩机，将水泥干粉喷入软弱基土中，并在原位进行强制搅拌，通过水泥和土的一系列复杂的物理化学作用形成水泥土桩体，与基土共同作用形成复合地基，达到提高承载力和减少沉降的目的。该技术成本低、工效快，曾大量运用于铁路、建筑工程地基加固，但大型水利工程的运用较为鲜见。何巷闸将该技术成功运用于地基加固，开辟了一条新路。

2.工程设计

2.1工程概况

   何巷闸是治淮战略骨干工程怀洪新河的进口控制工程，位于安徽省怀远县境内淮北大堤涡河圈堤上，属Ⅰ等1级建筑物，该闸以分洪为主，设计分洪流量2000m³/s，并兼有蓄水和引水作用，单孔净宽8m，共分14孔，闸室为钢筋砼胸墙式结构，底槛高程15.37m，胸墙底高程21.37m，闸室高10.5m，顺水流向长20m，闸室上游采用半径为20m的圆弧型翼墙，下游采用缓变曲线型翼墙，翼墙挡土高度10.5m，采用钢筋砼格仓式结构。

2.2地质条件

   工程位于淮河、涡河冲积平原上，揭露的地层均为淮河、涡河的冲积、淤积层，具有较为典型的河流相冲淤积地层特征（即颗粒质结构大致辞上细下粗），从钻探资料所揭示的地层来看，闸室底板以下地层分布如下：

第一层：灰黄色淤质重粉质壤土，淤质粉质粘土，流塑~软塑状，饱和、高压缩性，含水量42.8%，干重度12.7KN/m³，孔隙比1.293，液性指数1.22，天然地基承载能力70Kpa。层底高程10.6~10.8m，厚约4~4.5m；

第二层：黄、棕色重粉质壤土，粉质粘土，硬塑状，中偏低压缩性，含水量22.4%，干重度16.6KN/m³，孔隙比0.642，液性指数0.27，天然地基承载能力200Kpa，该层层厚约3m，层底高程7.5~8.5m；

第三层：极细砂、细砂，黄色、中密状，顶部约1m厚为砂壤土，下部夹有较厚的粉质壤土透镜体，本层已揭露厚度大于16m，天然地基承载能力200Kpa。

场地地下水有两种类型，①~②层地下水为潜水，水位高低主要受大气降水、河水位影响，雨季稍高，约18~19.2m；③层以下地下水具有承压性，第二层重粉质壤土为完整的隔水层，据大范围地质钻孔资料分析，该层含水与涡河河槽不直接连通，地下水位主要受潜水越流补给，地下水位约17.5~18.5m。

2.3地基处理设计

2.3.1确定方案

    何巷闸闸室、岸墙及上游翼墙均座落于第一屋淤质土层上，天然地基承载能力仅70Kpa，而它们的基底压力则分别达到了100Kpa、190Kpa和200Kpa，显然需采取加固措施。设计中曾考虑了钢筋砼灌注桩、碎石振冲桩和水泥粉喷桩等方案，认为采用灌注桩需钻穿第三层隔水层，引起该区域水文地质条件变化，给以后的管理运行带来复杂的不定因素；采用碎石振冲桩虽可解决承载力问题，但其抗渗性能差，易产生渗透变形，而本闸防洪期持水水头差又较大，水泥粉喷桩水仅可以提高地基承载力，抗渗性能好，而且造价低，只要严格按设计要求控制进尺，喷粉量，采用全程复搅使桩身均匀，同时解决好桩底水泥土与下卧硬土层的结合问题，该方案完全可以满足本闸的承载力和沉降要求。

2.3.2设计计算

根据搅拌桩的作用机理可知，所形成的水泥土桩体与桩周土组成复合地基共同承担建筑物荷载，由于二者刚度相差较大，桩体与桩间土如何分担建筑物荷载是较为复杂的问题，目前，可按下列经验公式计算。

f_sp.k=R_k.m/A_p+β(1-m)f_sk

E_sp.k=[1+m(n-1)]E_sk

式中：f_sp.k ----------复合地基承载力标准值  (kpa)

      f_sk -----------桩间土承载力标准值  (kpa)

      m -----------桩土置换率

      A_p ----------水泥土桩体横截面积  (m²)

      β-----------桩间土承载力拆减系数，桩间为硬土可取0.1~0.4

      R_k ----------单桩竖向承载力  (KN)

      E_sp.k --------复合地基压缩模量  (Mpa)

      E_sk ----------桩间土压缩模量  (Mpa)

      n ------------桩土应力比

通过计算，闸室底板、岸墙及上游翼墙桩土置换率分别为0.196、0.348和0.40，均采用正方形布置，桩径0.5m，桩距依次为1.0、0.75和0.70m。考虑到水闸岸墙及引堤超载影响，为减少岸墙后引堤超载引起的后仰沉降量，岸墙后另布置三排护桩，其他结构底板轮廓外布置一排护桩。

3.施工控制

    粉喷桩地基加固技术成本低、工效快，曾大量运用于工民建工程，后因其喷粉量、搅拌均匀性等不易控制，一般重要建筑物特别是水平荷载较大的水利工程均不再推荐采用，何巷闸为大型Ⅰ级水闸，如何保证施工质量是该闸地基加固处理的关键所在。

3.1工艺性试桩

为保证工程桩的成桩质量，在正式实施粉喷桩之前，均应按设计确定的初步施工工艺打设工艺试验桩。何巷闸工程共布置了10根工艺性试桩，两根为一组，分别以进入硬土层0.5m和1.0m，半程复搅和全程复搅。不同的钻进速度和提升速度、喷灰时间、钻机电流等参数成桩，试桩7天内，在搅拌桩d/4位置钻孔取芯，重点观察桩底与硬土层结合面、桩进入硬土层质量、桩身的均匀性，最后确定了详细的成桩工艺：①桩身进入下卧硬土层0.5m，此时钻机电流约65A；②钻进和提升速度不大于1米/分钟；③成桩采用全程复搅；④钻头到桩底时原地旋转1分钟，开启灰罐，再间隔10秒后，钻杆提升。工艺性试桩所确定的参数，为施工、监理单位提供了操作性很强的量比指标，为保证工程质量提供了可靠的依据。

3.2工程桩施工

粉喷桩的质量除科学的设计作为保证之外，关键还在于施工质量，何巷闸为淮北大堤上的Ⅰ级建筑物工程，保证工程质量是建设、设计、监理的共同目标，各参建单位领导也高度重视，在整个实施过程中，施工单位成立了以项目经理为组长的地基处理领导小组，监理单位全程旁站监理，设计单位长驻工地配合，严格按照工艺桩所确定的各种参数有序施工，克服雨雪天气，在一个月时间内顺利完成了4875根粉喷桩施工，经对101根桩的抽样轻便触探试验和静载试验，施工质量满足设计要求，达到了预期目的。

3.3.1轻便触探

按照有关规范，对不少于2%桩数进行抽样检验，根据轻便触探击数(N₁₀)与水泥土强度对比关系来看，当桩身24h龄期30cm是入度的击数N₁₀大于15击时，可以认为强度已能满足设计要求，由于桩身较短(<4.0m)，要求进行全程锤击，在总共101根桩试验中，其锤击数N₁₀均在16~24击之间，满足规定要求。

3.3.2静载试验

为更加直观的检验粉喷桩的加固效果，在闸底板范围内抽样进行了单桩复合地基、四桩复合地基垂直承载力静探试验，同时进行了桩间土垂直承载力试验。单桩复合地基承台板面积为1.0x1.0m，四桩复合地基承台板面积2.0x2.0m，均与设计置换率相同，加载方法为均匀堆载。试验结果为：单桩复合地基垂直承载力标准值f_k≥138kpa,沉降s=4mm；四桩复合地基f_k≥120kpa, s=8mm,桩间土f_k=72kpa，s=4mm。试验结果表明，由于群桩效应，四桩复全地基承载力小于单桩复合地基，但均已满足闸室上覆荷载100kpa的要求。

4.加固效果

何巷闸天然地基承载力仅为70kpa（试验值为72kpa），而闸室、岸墙及上游翼墙基底压力分别达100kpa、190kpa和200kpa，尽管基础下卧压缩层不厚，但天然地基沉降量理论计算值分别达到了30mm、141.2mm和155mm，闸室与岸墙沉降差高达110mm，将严重影响闸门的开启和封水效果。何巷闸完工近三年，采用粉喷桩加固后，经沉降观测，闸室最大沉降量为13mm，岸墙为18mm，闸室与岸墙沉降差仅为5mm，且从沉降曲线分析，已趋于稳定，超预期达到了加固效果。

5．结语与体会

粉喷桩是一种高效、经济和安全的地基处理技术，不仅可用于一般工民建和交通工程，也可用于大型水利工程，设计和施工中应注意以下几点：

5.1适当地层条件

拟加固的软土地层厚度一般应小于10m，且下卧硬土层天然地基承载能力以大于150kpa为宜，桩底进入硬土层的深度应视硬土层含水量、强度、通过工艺桩取样试验确定，务必保证硬土层内桩体搅拌均匀、固结良好和桩尖与硬土层的良好接触，绝非进入硬土层越深越佳，避免因硬土层内含水量过小，固结差而导致削弱桩体强度。

5.2桩身均匀控制

一般操作规程规定，粉喷桩复搅深度为1/2桩长或1/3桩长，从工艺桩取芯结果看，一次喷粉提升成桩桩体水泥土搅拌均匀性差，“干层”现象严重，影响了桩身强度，为保证桩身均匀性应采用全程复搅工艺成桩。

5.3钻杆提升时间

为保证桩尖成桩质量，钻至桩底后，钻机应在原地旋转1~2分钟，打开灰罐后，应使粉体水泥从喷咀喷粉后才能提升，水泥干粉从钻口到喷咀的时间与连接两者的皮管长度和空气压力有关，应由试验确定。

5.4护桩

粉喷桩为复合地基，其加固范围不能局限于基础轮廓线范围以内，周围均应布置护桩。特别对于由引堤与岸墙连接的布置形式，岸墙后引堤基础适当范围内也需加固，其范围应由计算确定，以引堤荷载引起的沉降曲线不影响岸墙为宜，避免水闸岸墙后仰变形。

5.5精心施工

    粉喷桩为隐蔽工程，成桩质量不易认定，极易造成喷粉量不足，进尺不够，搅拌不均匀等质量事故。因此，必须要有一支高度责任感和高素质的施工队伍，监理单位应全程旁站，逐一记录，严格按设计和工艺试桩参数施工。