同源高速公路软基处理中粉喷桩的设计与施工

宋 磊

(山西省交通科学研究院，山西太原 030006)

1 概述

同源高速公路K11+499～K11+880段位于桑干河冲积平原地貌上，地层岩性为第四系冲积粉土、粉细砂、卵石土、粉质粘土，受地表水与地下水的浸泡，粉土层较湿软，含水量较大，空隙比较大，地基土承载力较低。该段路线以路基通过，填土高度为8.1 m～10.8 m，地基承载力不满足设计要求，需对该段地基进行处理。

2 地质资料分析

通过地质勘探及相关土工实验，探明了软基的具体分布范围及层厚，地层情况为:

①层粉土:褐黄色，湿～饱和，土质均匀，含水率43.1%，重度为16.6 kN/m3，孔隙比 1.34，液限 44.6%，塑限 26%，压缩模量2.32 MPa，地基土承载力基本容许值70 kPa～130 kPa，揭露厚度2.1 m ～7.1 m。

②层粉细砂:褐黄色，湿，稍密，偶有轻微粘着感，地基土承载力基本容许值140 kPa，揭露厚度1.2 m～10.8 m。

②-1层砂卵石层:杂色，湿，中密，细砂充填，卵石磨圆度中等，含量约51%，颗粒级配不良，地基土承载力基本容许值300 kPa，揭露厚度一般为5 m。

③层粉质粘土:褐灰色，湿，土层致密，厚度较大，土质较均匀，判断为本区隔水层，地基土承载力基本容许值220 kPa，揭露厚度3 m～8 m。

工程地质纵断图见图1。

图1 工程地质纵断面图

根据地质资料分析，该段路基湿软层主要为表层粉土，深度以桩号K11+760区分，前段约7 m，后段约3 m，下层细砂层和砂卵石层工程条件满足要求，可作为软基处理后的持力层，不需特殊处理。

考虑工程造价及施工便易性，结合软弱层厚度，拟定K11+499～K11+760段采用设置粉喷桩形成复合地基处理，K11+760～K11+880段采取砂砾换填处理。

3 粉喷桩设计与计算

3.1 粉喷桩技术参数要求

粉喷桩技术参数表见表1。

表1 粉喷桩技术参数表

粉喷桩即“粉体喷射搅拌桩”，利用专用的粉喷搅拌钻机将水泥等粉体固化剂喷入软土中，并将软土和粉体强制搅拌，利用两种之间产生的一系列物理化学作用，使软土结合成具有一定强度的水泥桩体而形成复合地基［1］。

粉喷桩适用于处理厚度较大(一般可达15 m)、含水量偏高(大于30%)、地下水pH值大于4、地基强度小于80 kPa的粘性土、淤泥、淤泥质土、粉土等软土地基，具有有效减小沉降、承受较大加荷速率、抗侧向变形能力强、施工快等优点［2］。

根据该合同段施工机械及软基处理经验，结合本项目工程地质情况，设定粉喷桩技术参数见表1。

3.2 计算方法

1)单桩轴向承载力计算。

由桩侧摩阻力提供的单桩承载力:

由桩体强度提供的单桩承载力:

单桩轴向承载力取决于桩身强度和地基土两个条件，该值应通过现场荷载试验确定，初步设计时可按照式(1)，式(2)计算，取其中较小值［3］。

结合地质资料及试验资料qsi桩侧摩阻力为10 kPa，qp桩端地基土承载力为140 kPa，fcu在标准养护条件下90 d龄期标准试件(水泥掺量17%，石膏0.3%)强度按3 000 kPa取值，经过计算，桩侧摩阻力提供的单桩承载力为139.41 kN，桩体强度提供的单桩承载力为147.23 kN。取两者中较小值作为单桩承载力，为139.41 kN。

2)复合地基承载力计算。

m 为面积置换率为0.785 ×0.25/1.44=0.136 3，计算得复合地基承载力为170.21 kPa，满足设计承载力要求［2］。

3)下卧层强度验算。

由于该下卧层为细砂或砂卵石层，强度较大，能满足要求。

4)沉降变形验算。

其中，Ep为搅拌桩压缩模量，取值330 MPa;Es为桩周土压缩模量，取值为2.32 MPa;计算得复合土层压缩模量Esp=46.98 MPa。计算得 s1=0.026 m≤0.1 m，满足规范要求［2］。

3.3 设计方案

经过技术及验证，最终确定设计方案为K11+499～K11+769段设置粉喷桩，桩径50 cm，桩间距120 cm，全断面正方形布置，横向范围到坡脚线外200 cm，桩长以嵌入持力层1 m为准，分别为8 m，6 m和4 m，桩顶设置80 cm厚褥垫层，分两层施工，先铺设50 cm，便于施工机械入场，待粉喷桩施工完后再铺设30 cm，平整场地。同时为了防止桥头处桑干河水流对该段地基的冲刷，在路基边坡坡脚处设置M7.5浆砌片石拱形骨架护坡，基础埋置深度大于局部冲刷线以下1 m，边坡护砌高度大于设计洪水位50 cm。

4 粉喷桩施工工艺及质量检测

4.1 工艺流程

粉喷桩施工流程如图2所示。

图2 粉喷桩施工流程图

4.2 施工技术要求及注意事项

1)施工前必须在工程位置上进行工艺性试桩，成桩试验应达到下列要求:a.满足设计喷粉量的各种技术参数(提升速度、注浆泵出口压力等)。b.水泥的搅拌均匀程度。c.了解下钻及提升的阻力情况，选择合理的技术措施。一般工艺性试桩的桩数不得少于10根。2)施工注意事项:a.路基施工前应先铺设砂砾褥垫层50 cm，并初压至原地面标高。b.粉喷桩桩垂偏差不得超过1%，桩位偏差不得大于5 cm，桩径偏差不得大于4%。c.当喷粉口到达桩顶标高时，应停止提升，搅拌数秒后拔出，以保证桩头均匀密实。d.成桩直径和桩长不得小于设计值，施工过程中应记录地层情况，如实际地层情况发生变化，应立即停止施工，通知相关单位调整处理方案。e.粉喷桩施工90 d后方可进行路堤填土施工。3)质量检测:a.施工时随时检查施工记录，对每根桩质量进行评定，不合格桩要采取补强措施予以补救。b.成桩后7 d内用轻便触探器钻取桩身加固土样，观察搅拌均匀程度，同时根据触探击数用对比法判断桩身强度。c.成桩28 d后可在桩头取样做无侧限抗压强度试验，检查量为总桩数的2%，且不小于5根。沿桩身钻芯取样，检查成桩均匀性和沿桩长的桩身强度，一个场地不少于3根。d.应采取单桩或多桩复合地基载荷试验检验其承载力(90 d后进行)［4］。

5 结语

同源高速公路施工已经全部完成，目前进入通车阶段，本段软土地基处理完工约一年多时间，从该段路面情况看，平整度较好，路面结构未出现相关病害，行车较舒适，桥头段出现明显跳车现象。说明该段湿软地基经过粉喷桩处理后，沉降较小，满足工程运营及行车舒适性要求。

［1］陆彩红.粉喷桩技术在软基处理中的应用［J］.山西交通科技，2006(2):58-59.

［2］林宗元.岩土工程治理手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［3］GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］.

［4］刘孔杰，郑瑞君，魏正义，等.不良地基公路施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2009.