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浅谈粉喷桩处理软基
在江苏省如港一级公路中的应用
李虎成
[摘要]本文结合江苏省如港一级公路软土处理的实践，对粉喷桩处理软基的设计与计算进行了详细论述。
关键词：粉喷桩软基加固复合地基
1、概述
如港一级公路全长33.59公里，路线所在地区在地貌上属长江三角洲冲积平原，地形平坦开阔，地层主要为第四系全新统长江三角洲冲洪积层，土层结构简单，分布比较均匀。软土主要分布于K31+090～K35+390、K36+460～K37+720、及K38+220～K39+966.760段，软土层最厚达14.0米。若不做地基处理，计算最大总沉降量达47.26cm，为保证工期、满足工后沉降量的要求，在软土较深、工后沉降较大路段采用粉喷桩处理。
2、地质概况
软土呈软塑-流塑状，局部粉质含量较高，夹有粉、细砂薄层，具层理，一般承载力40～80kPa。灵敏度0.5～5，孔隙比为0.92～1.2，分布于地表以下2～14m范围内；一般上部有硬壳1～2m，为Ⅱ级普通土。软土具有含水量高，孔隙比大，抗剪强度低，承载力低，压缩性高等特点。其主要物理力学指标如表1：
表1软土层主要物理力学指标表
项目数值范围均值/标准差项目数值范围均值/标准差
天然含水量ω（%）31.2～39.334/2.2固结快剪φg(o)18.1～37.326.8(均值)
孔隙比e0.92～1.21.02/
0.25Cg(kPa)6.6～47.212.2(均值)
塑性指数Ip（%）7.7～16.113.09/2.7快剪φ(o)8.8～37.315.4(均值)
饱和度（%）96.8～10097/7.2C(kPa)1.4～38.814.6(均值)
液限ωL（%）26.4～39.434.3/2.6压缩摸量Es(Mpa)3.41～19.87.73/4.4
天然容重(g/cm3)1.85～2.011.91/0.2压缩系数a0.1～0.2(MPa-1)0.09～0.540.31/0.13
塑限ωp（%）20.5～23.121.6/0.98无侧限制抗压强度(kPa)14.5(均值)
渗透系数K垂直(cm/s×10-5)1.79～19.63.52(均值)固结
系数Cv(cm2/s×10-3)3.2～9.9
水平(cm/s×10-4)0.168～1.951.1(均值)CH(cm2/s×10-3)2.7～13

3、粉喷桩设计与计算
3.1设计标准
3.1.1容许工后沉降与稳定
沉降控制采用标准为：一般路堤在路面设计使用年限15年内的工后沉降量不大于30cm；桥头30m范围内的工后沉降不大于10cm；桥头过渡段及涵洞等构造物处工后沉降不大于20cm。
路基稳定：选用圆弧滑动面、有效固结应力法计算，计算断面最小稳定安全系数≥1.20。
3.1.2桩身强度要求
桩身90天无侧限抗压强度不小于1.2Mpa。
3.1.3加载速率
控制标准为：路基中心地面沉降速率每昼夜不大于1.5cm，坡脚水平位移速率每昼夜不大于0.5cm，观测结果应结合沉降和位移发展趋势进行综合分析。其填筑速率应以水平位移控制为主，如超过此限制应立即停止填筑。
3.1.4预压期
预压期的确定比较复杂，一方面要考虑工后沉降技术标准，另一方面又要现实的考虑工期太长。经过综合考虑，如港一级公路粉喷桩处理软基地段采用等载预压，设计预压期为三个月。
3.1.5路面铺筑前沉降稳定的判断标准
建议结合沉降观测资料，确保路基连续两个月沉降速率小于0.5cm/月后，方可进行底基层施工，当路基沉降速率小于0.3cm/月后，方可进行基层和面层施工，同时要确保上路床填料的强度CBR＞8％及压实度＞95％。
3.2粉喷桩设计
粉喷桩桩径采用50cm，梅花形布置；对于不同的结构形式、不同的填土高度和不同的软土深度及各项物理力学指标采用1.50m和1.8m两种不同的桩间距。用于粉体喷射搅拌桩的水泥为干粉，采用32.5级（原425#）普通硅酸盐水泥或矿渣水泥。粉体喷射搅拌桩施工时必须穿透软土层进入硬层不小于0.5m。粉体喷射搅拌桩设计平均水泥掺入量为46Kg/m，粉喷桩施工时要求全桩复搅。
因如港一级公路的平均填土高度只有1.50m，为尽可能的减少软基不均匀沉降对路面结构的影响，设计时要求粉喷桩桩顶填土高度必须保证不小于2.0m，填土高度达不到以上要求路段，对原地面进行翻挖；且为改善路堤底部的受力情况，降低不均匀沉降对路面结构的影响，粉喷桩桩顶50cm范围内采用5%水泥土处理。K31+350~K32+050段为挖方路段，而且也是全线软土层最厚的一段，很难保证粉喷桩桩顶填土高度不小于2.0m的要求。为尽可能的降低桩间土不均匀沉降对路面结构层的影响，本段采用粉喷桩结合土工格珊的综合处治措施。
3.3粉喷桩计算
3.3.1沉降计算
软土地基在荷载作用下沉降变形的主要部分为主固结沉降，此外还包括瞬时沉降与次固结沉降。主固结沉降一般采用分层综合法计算，压缩试验资料可用e-p曲线、压缩膜量Es或e-lgp曲线。本次设计采用压缩模量计算主固结沉降。
3.3.2单桩承载力计算
确定单桩承载力的方法很多，对粉喷桩的设计而言，通常采用的方法为公式计算法，其单桩承载力的计算公式也很多。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）中推荐的单桩承载力标准值计算公式为：
Rk=η•quc•Ap………………………………………………………………（1）
Rk=￣s•L•S+α•Ap•fk………………………………………………………（2）
式中：Rk—单桩竖向承载力标准值；
Ap—桩的截面积；
quc—与桩体加固土的配合比相同的标准试块90d龄期无侧限抗压强度平均值；
￣s—桩周土的平均摩擦力，由地质资料获得；当无地质资料时，可采用以下数值：对淤泥可取5~8kPa，对淤泥土可取8~12kPa，对于粘性土可取12~15kPa；
fk—桩端土天然承载力标准值，由地质资料获得。当无资料时，可根据经验或其他类似工程资料选用；
η—强度折减系数，可取0.35~0.5；
α—桩端土天然承载力折减系数，可取0.4~0.6；
L—桩身有效长（按永久桩计）；
S—桩周长度。
计算时，用两个公式同时进行计算，并取其中较小的值作为单桩承载力标准值。根据以上两个计算公式不难看出，当设计桩体强度及地质资料一定时，必定存在一临界桩长。当实际桩长大于此临界桩长时，单桩承载力由桩体强度控制；当实际桩长小于此临界桩长时，单桩承载力由桩长控制。因此，为充分发挥桩体强度，粉喷桩设计桩长宜大于此临界桩长。相反，粉喷桩设计桩长小于此临界桩长时，无法充分发挥桩体强度。因此，若软土层不厚且无特殊情况时，不宜采用粉喷桩处理，应优先考虑采用其它软土处理措施。
3.2.3复合地基承载力计算
由于粉喷桩桩身强度较刚性桩低，在垂直荷栽作用下有一定的压缩变形，在桩身压缩变形的同时，其周围的软土也分担一部分荷载，形成了柔性复合地基。粉喷桩复合地基的承载力标准值可按下式计算：
fck=m•Rk/Ap+(1-m)•fs………………………………………………………（3）
式中：fck—复合地基承载力标准值；
m—面积置换率；
fs—桩间土天然承载力标准值；
Rk—单桩竖向承载力标准值；
Ap—桩的截面积；
β—桩间土承载力折减系数，当桩端为软土时，可取0.5~1.0；当桩端土为硬土时，可取0.1~0.4；当不能考虑桩间软土的作用时，可取零。
无疑，地质资料确定时，粉喷桩复合地基的承载力标准值跟粉喷桩单桩承载力及面积置换率有关。当桩体强度及面积置换率一定时，复合地基承载力由单桩承载力确定，单桩承载力越大，复合地基的承载力就越高；当桩体强度及桩长一定时，复合地基承载力由面积置换率确定，面积置换率越高，符合地基承载力越高。因此，在确定桩长及面积置换率时应进行综合考虑，在确保能充分发挥桩体强度的同时确定合理的面积置换率，以保证在满足工程要求的前提下，尽可能减少工程投资。
4、地基土含水量对粉喷桩质量的影响
粉喷桩的质量的优劣主要反映在粉喷桩的强度指标上，这不仅与掺入粉体的质量，施工工艺，土基的性质有关，其中尤以含水量的关系密切，土中的含水量过低时，土中的水分不足以粉体进行充分的水化作用，成桩效果很差，严重影响粉喷桩的质量。如港一级公路K35+680~K35+900段为高填土，设计采用粉喷桩处理，施工时由于施工季节的影响，地下水位显著下降，造成桩顶2.0m范围内地基土含水量降低，天然含水量在22%左右，粉喷桩施工后，成桩效果很差，严重影响了粉喷桩的质量，施工中采取了在施工过程中加入适当水分的处理措施，收到了良好的效果。因此，根据江苏省处理软土地基的经验，选用粉喷桩处理软基时，土层的含水量不宜小于30%是很有道理的。
5、结束语
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。粉喷桩就其自身性质来说是一种介于钢性桩与柔性桩之间的一种桩型，其刚度、抗压强度和抗侧压力作用均小于刚性桩而大于柔性桩。粉喷桩可以完全改变软土的性质，它与桩间土形成的复合地基，可以大大的提高承载力，减少沉降。粉喷桩处理软基是一种行之有效的工艺手段，与其他软基处理手段相比，具有施工方便，工期短，工后沉降小等显著优点。但从其设计方法及施工质量管理来看，技术难度比较大，而且造价相对较高。因此在选择这种处理措施时，因充分考虑其适用条件，以确保最终的处理措施经济、合理、可行。