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【摘要】本文从设计、施工与质量控制三个方面出发，浅析采用水泥粉喷桩对软土地基进行加固的各种措施，仅供参考。
【关键词】水泥粉喷桩；设计；施工；质量认定
水泥粉喷桩加固软土地基是利用水泥作固化剂，通过专用的粉体喷射施工机械，将搅拌钻头下沉到预计孔底后，用压缩空气将水泥粉体以雾状喷入加固部分的地基土，凭借钻头和叶片旋转使水泥加固料与软土原位搅拌混合，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和足够强度的水泥加固土，从而提高地基强度。这些加固体与天然地基形成复合地基，共同分担上部荷载并协调变形。
1. 水泥加固土的原理
（1）水泥与软粘土采用机械喷搅加固的基本原理，是基于水泥加固土的物理化学反应过程。它与混凝土的硬化机理有所不同，混凝土的硬化主要是水泥在粗填充料中进行水解和水化作用，所以凝结速度快。而水泥加固土中，由于水泥掺入量很小，仅占被加固土重的7%～15%，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质——土的围绕下进行，所以硬凝速度缓慢且作用复杂。水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。水泥加固软粘土主要产生水泥的水解和水化反应、离子交换和团粒化作用及硬凝反应，生成稳定的不溶于水的结晶化合物，降低了地基土的渗透性，从而提高软土强度。
（2）水泥作为固化剂是提高软土强度的主要因素，其化学成分和掺入比对水泥加固土的强度影响极大。普通硅酸盐水泥的活性高，其早期和后期强度均较好，因而其加固效果优于其他水泥品种，一般可采用325#普通硅酸盐水泥。水泥加固土的强度随水泥掺入比的增加而增加。由于软土的含水量高，因此对水泥加固土强度的增长很不利。一般认为含有高岭土、蒙脱土等粘土矿物的软土加固效果较好；而含有伊里土、氯化物等矿物的软土以及有机质含量高、酸碱度（PH值）较低的粘性土。如仅采用水泥进行加固效果较差。混凝土的强度在龄期28d基本增长规律则不同于混凝土，在龄期28d后，强度仍有明显增长，以龄期100d的强度作为水泥加固土的标准。
2. 水泥粉喷桩的设计与施工技术
（1）桩身水泥土的强度与加固时所使用的水泥强度等级、水泥用量、被加固土的含水量以及养护龄期等因素有关。土对桩的支撑力是由桩侧摩阻力和桩端承载力所组成的。水泥粉喷桩桩和软土所组成的复合地基的承载力由桩与桩间土共同承担。设计时主要确定水泥掺入比和桩长两个参数。根据有关单位的模型试验成果，水泥土复合地基基底应力分布基本符合刚性匀质地基体系的应力分布特征。在低荷载阶段基础下的接触应力为马鞍形分布；当荷载较大时，基础边缘部位的土中产生塑性变形区，边缘土应力不再增大，而中间部位土的应力继续增加；当荷载接近地基破坏荷载时，应力图进一步由抛物线形转变成中部突出的钟形。而饱和砂天然地基P-S曲线与复合地基P-S曲线变形性状基本一致，仅是复合地基承载力较高，位移场影响深度约为承台宽度的2倍。因此，复合地基有关参数的计算可参照天然地基的计算。
（2）一般水泥粉喷桩是介于刚性桩与柔性桩之间，具有一定压缩性，以摩擦桩计算为佳，受力重点部位在桩头5m段内，单桩和群桩的工作性能又有所不同。水泥粉喷桩群桩中的每根单桩一般都不能充分发挥其作用，这对摩擦型群桩而言尤其如此，因此摩擦型桩主要通过摩擦阻力把荷载传递到桩侧及桩端的土层中，而粉喷桩桩基的桩距通常都较小，必然产生应力重叠，而使群桩的承载力小于各单桩承载力之和，群桩的沉降量大于每根单桩的沉降量。
3. 影响粉喷桩复合地基质量的因素
水泥粉喷桩加固的地基属于复合地基，其质量受设计、施工和岩土工程地质等三方面的影响。其中设计是影响水泥粉喷桩复合地基加固质量的关键，由该阶段所确定的桩端持力土层、桩距、桩土置换率、桩体直径、桩身水泥强度等因素都直接决定着水泥粉喷桩复合地基的质量。施工时桩身长度控制的准确程度、单位体积土体体内水泥掺入量、水泥旋喷速度、旋喷均匀程度、复喷遍数以及对施工现场的保护等均影响成桩质量，因此确保桩体的强度及完整性非常重要，其关键在于喷粉量的控制和搅拌是否均匀。上述因素经常导致复合地基设计承载力与实测结果不符。
4. 保证水泥粉喷桩复合地基质量的设计与施工措施
（1）设计人员应认真分析岩土工程勘察资料的基础上，设计布桩图，图中应标明桩底标高、桩顶停灰面、桩径、单位延长米最低用灰量和各层水泥应达到的标准值。
（2）施工单位施工前，应根据岩土工程报告勘测结果和设计加固深度进行分层取样，进行原状土室内试配，按照设计要求的桩土强度确定各层土中水泥掺入量。施工中应按动态管理控制水泥掺灰量。
5. 水泥粉喷桩复合地基检测
复合地基设计中应将理论计算和实际检测结果进行综合考虑。理论计算结果主要用于基础的初步设计，而最终应以检测值为准。应对以下指标进行检测值为准。应对以下指标进行检测评定：
（1）单桩承载能力基本值。
（2）复合地基承载力标准值。
（3）不同深度及土层的桩身水泥土强度值。
（4）桩体观感质量。应将静载试验和触探检验结合起来评估加固质量，两项指标均达到设计要求方能认定为合格产品。
6. 质量责任界定
6.1采用水泥粉喷桩对地基进行加固处理时，其施工操作规程和技术检测方法国家尚无统一标准。有的套用《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）中的检测方法，有的套用铁道部1996年颁布的行业标准《粉体搅拌加固软粘土层技术规范》，致使对桩基质量认定笼统、对质量责任界定不清，易引起纠纷。
6.2实测结果与设计要求不符时应认真分析原因，判断责任归属。具体可按以下步骤进行：
（1）由浅至深分层从桩体上截取原桩试件进行抗压试验。
（2）采用触探试验检测桩身是否均匀一体。
（3）采用观察、触摸敲击等方法判定桩身质量是否均匀，有无“卷饼”、空心，是否密实。
（4）根据现场记录检查钻机进尺和水泥掺入情况。
（5）利用钢尺、水准仪检测桩的平面位置和桩顶标高。
6.3若上述指标均达到规定要求，应认定施工质量合格。设计值与实测值不符的原因：一是设计中计算有误或者分析判断错误；二是岩土工程中不确定的自然因素。水泥粉喷桩加固后的地基实测值与设计要求值相比较，出现波动属于正常现象，基础设计时应以试桩实测数据为准。
6.4对于复合地基检测中被抽检桩的数量，建议静载试验取现行规范中规定的混凝土灌注桩数量的1.5倍，其中用于检测单桩承载力和复合地基承载能力的桩各占50%；建议进行触探试验的桩取现行规范中规定的混凝土灌注桩数量的2倍。
6.5上述方法已在地基加固工程中应用，实践证明，对桩基质量的认定等较符合工程实际，得到设计、建设和施工三方认可。
7. 结语
目前，我国大力进行高速公路建设，遇到软土地段，不能满足承载力要求，尤其是桥头高填土地段，路基稳定性很难保证，沉降量难以控制。对于江淮冲积平原，这些地区沉积相地层多为软土淤泥，其含水量高、压缩性大、灵敏度大、抗剪强度和承载力低、固结时间长，如采用传统的排水固结法和置换法多数不能取得理想的加固效果，还将产生软土的二次沉降（次固结沉降）。采用传统的预制桩和钻孔桩等作法又不经济。而水泥粉喷桩除具有造价低、布桩灵活、对桩尖下卧层要求不高等优点外，还具有施工中无振动、无噪声、无地面隆起和对周围建筑物无有害影响等优点，同时，桩间土的实际极限承载力一般也比天然地基的极限承载力大。因此，水泥粉喷桩在高等级公路软基处理中具有广阔的前景。
[文章编号]1006-7619（2013）04-18-372
【关键词】水泥粉喷桩；设计；施工；质量认定
水泥粉喷桩加固软土地基是利用水泥作固化剂，通过专用的粉体喷射施工机械，将搅拌钻头下沉到预计孔底后，用压缩空气将水泥粉体以雾状喷入加固部分的地基土，凭借钻头和叶片旋转使水泥加固料与软土原位搅拌混合，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和足够强度的水泥加固土，从而提高地基强度。这些加固体与天然地基形成复合地基，共同分担上部荷载并协调变形。
1. 水泥加固土的原理
（1）水泥与软粘土采用机械喷搅加固的基本原理，是基于水泥加固土的物理化学反应过程。它与混凝土的硬化机理有所不同，混凝土的硬化主要是水泥在粗填充料中进行水解和水化作用，所以凝结速度快。而水泥加固土中，由于水泥掺入量很小，仅占被加固土重的7%～15%，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质——土的围绕下进行，所以硬凝速度缓慢且作用复杂。水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。水泥加固软粘土主要产生水泥的水解和水化反应、离子交换和团粒化作用及硬凝反应，生成稳定的不溶于水的结晶化合物，降低了地基土的渗透性，从而提高软土强度。
（2）水泥作为固化剂是提高软土强度的主要因素，其化学成分和掺入比对水泥加固土的强度影响极大。普通硅酸盐水泥的活性高，其早期和后期强度均较好，因而其加固效果优于其他水泥品种，一般可采用325#普通硅酸盐水泥。水泥加固土的强度随水泥掺入比的增加而增加。由于软土的含水量高，因此对水泥加固土强度的增长很不利。一般认为含有高岭土、蒙脱土等粘土矿物的软土加固效果较好；而含有伊里土、氯化物等矿物的软土以及有机质含量高、酸碱度（PH值）较低的粘性土。如仅采用水泥进行加固效果较差。混凝土的强度在龄期28d基本增长规律则不同于混凝土，在龄期28d后，强度仍有明显增长，以龄期100d的强度作为水泥加固土的标准。
2. 水泥粉喷桩的设计与施工技术
（1）桩身水泥土的强度与加固时所使用的水泥强度等级、水泥用量、被加固土的含水量以及养护龄期等因素有关。土对桩的支撑力是由桩侧摩阻力和桩端承载力所组成的。水泥粉喷桩桩和软土所组成的复合地基的承载力由桩与桩间土共同承担。设计时主要确定水泥掺入比和桩长两个参数。根据有关单位的模型试验成果，水泥土复合地基基底应力分布基本符合刚性匀质地基体系的应力分布特征。在低荷载阶段基础下的接触应力为马鞍形分布；当荷载较大时，基础边缘部位的土中产生塑性变形区，边缘土应力不再增大，而中间部位土的应力继续增加；当荷载接近地基破坏荷载时，应力图进一步由抛物线形转变成中部突出的钟形。而饱和砂天然地基P-S曲线与复合地基P-S曲线变形性状基本一致，仅是复合地基承载力较高，位移场影响深度约为承台宽度的2倍。因此，复合地基有关参数的计算可参照天然地基的计算。
（2）一般水泥粉喷桩是介于刚性桩与柔性桩之间，具有一定压缩性，以摩擦桩计算为佳，受力重点部位在桩头5m段内，单桩和群桩的工作性能又有所不同。水泥粉喷桩群桩中的每根单桩一般都不能充分发挥其作用，这对摩擦型群桩而言尤其如此，因此摩擦型桩主要通过摩擦阻力把荷载传递到桩侧及桩端的土层中，而粉喷桩桩基的桩距通常都较小，必然产生应力重叠，而使群桩的承载力小于各单桩承载力之和，群桩的沉降量大于每根单桩的沉降量。
3. 影响粉喷桩复合地基质量的因素
水泥粉喷桩加固的地基属于复合地基，其质量受设计、施工和岩土工程地质等三方面的影响。其中设计是影响水泥粉喷桩复合地基加固质量的关键，由该阶段所确定的桩端持力土层、桩距、桩土置换率、桩体直径、桩身水泥强度等因素都直接决定着水泥粉喷桩复合地基的质量。施工时桩身长度控制的准确程度、单位体积土体体内水泥掺入量、水泥旋喷速度、旋喷均匀程度、复喷遍数以及对施工现场的保护等均影响成桩质量，因此确保桩体的强度及完整性非常重要，其关键在于喷粉量的控制和搅拌是否均匀。上述因素经常导致复合地基设计承载力与实测结果不符。
4. 保证水泥粉喷桩复合地基质量的设计与施工措施
（1）设计人员应认真分析岩土工程勘察资料的基础上，设计布桩图，图中应标明桩底标高、桩顶停灰面、桩径、单位延长米最低用灰量和各层水泥应达到的标准值。
（2）施工单位施工前，应根据岩土工程报告勘测结果和设计加固深度进行分层取样，进行原状土室内试配，按照设计要求的桩土强度确定各层土中水泥掺入量。施工中应按动态管理控制水泥掺灰量。
5. 水泥粉喷桩复合地基检测
复合地基设计中应将理论计算和实际检测结果进行综合考虑。理论计算结果主要用于基础的初步设计，而最终应以检测值为准。应对以下指标进行检测值为准。应对以下指标进行检测评定：
（1）单桩承载能力基本值。
（2）复合地基承载力标准值。
（3）不同深度及土层的桩身水泥土强度值。
（4）桩体观感质量。应将静载试验和触探检验结合起来评估加固质量，两项指标均达到设计要求方能认定为合格产品。
6. 质量责任界定
6.1采用水泥粉喷桩对地基进行加固处理时，其施工操作规程和技术检测方法国家尚无统一标准。有的套用《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）中的检测方法，有的套用铁道部1996年颁布的行业标准《粉体搅拌加固软粘土层技术规范》，致使对桩基质量认定笼统、对质量责任界定不清，易引起纠纷。
6.2实测结果与设计要求不符时应认真分析原因，判断责任归属。具体可按以下步骤进行：
（1）由浅至深分层从桩体上截取原桩试件进行抗压试验。
（2）采用触探试验检测桩身是否均匀一体。
（3）采用观察、触摸敲击等方法判定桩身质量是否均匀，有无“卷饼”、空心，是否密实。
（4）根据现场记录检查钻机进尺和水泥掺入情况。
（5）利用钢尺、水准仪检测桩的平面位置和桩顶标高。
6.3若上述指标均达到规定要求，应认定施工质量合格。设计值与实测值不符的原因：一是设计中计算有误或者分析判断错误；二是岩土工程中不确定的自然因素。水泥粉喷桩加固后的地基实测值与设计要求值相比较，出现波动属于正常现象，基础设计时应以试桩实测数据为准。
6.4对于复合地基检测中被抽检桩的数量，建议静载试验取现行规范中规定的混凝土灌注桩数量的1.5倍，其中用于检测单桩承载力和复合地基承载能力的桩各占50%；建议进行触探试验的桩取现行规范中规定的混凝土灌注桩数量的2倍。
6.5上述方法已在地基加固工程中应用，实践证明，对桩基质量的认定等较符合工程实际，得到设计、建设和施工三方认可。
7. 结语
目前，我国大力进行高速公路建设，遇到软土地段，不能满足承载力要求，尤其是桥头高填土地段，路基稳定性很难保证，沉降量难以控制。对于江淮冲积平原，这些地区沉积相地层多为软土淤泥，其含水量高、压缩性大、灵敏度大、抗剪强度和承载力低、固结时间长，如采用传统的排水固结法和置换法多数不能取得理想的加固效果，还将产生软土的二次沉降（次固结沉降）。采用传统的预制桩和钻孔桩等作法又不经济。而水泥粉喷桩除具有造价低、布桩灵活、对桩尖下卧层要求不高等优点外，还具有施工中无振动、无噪声、无地面隆起和对周围建筑物无有害影响等优点，同时，桩间土的实际极限承载力一般也比天然地基的极限承载力大。因此，水泥粉喷桩在高等级公路软基处理中具有广阔的前景。
[文章编号]1006-7619（2013）04-18-372