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【摘 要】由于地质等因素，粉喷桩施工中经常会遇到沉桩现象的发生。粉喷桩沉桩影响地基加固质量，留下路基质量隐患。本文结合工程实际，剖析沉桩发生的原因，提出避免沉桩现象发生的对策以及对已下沉的粉喷桩的补救措施。
【关键词】粉喷桩 沉桩 分析 处理 对策
1.前言
水泥粉体喷射搅拌法是用于加固饱和粘土地基的一种新方法。它是利用水泥材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和水泥强制搅拌，由水泥和软土间所产生的一系列物理—化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量。水泥粉体喷射搅拌法施工时，利用特制的粉体喷搅施工机械，先连续输送高压空气由上而下搅拌，然后将水泥粉末混合于压缩空气气流中由下而上边搅边喷，然后再复搅复喷。水泥粉末从通过搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷出，随着搅拌叶片的旋转与原位地基土搅拌、混合在一起，而高压空气与水泥粉末分离后主要由轴与土的缝隙排出地面。水泥粉喷桩与桩间土共同分担上部荷载并协调变形，形成复合地基。由于地质等因素的影响，水泥粉喷桩沉桩现象时有发生，沉桩有时达2m以上。如果处理不当，将会给后续施工带来困难并留下严重隐患。
2.粉喷桩下沉原因分析
2.1沉桩现象及其分类
沉桩现象是指在粉喷桩桩体施工完毕后，由于桩体土在自重作用下体积压缩、施工扰动下密实度增大、桩周土受桩体土的侧向压力或管道压力等作用下产生侧向位移等到原因，在桩体施工完成时或经过一段时间后，在桩位上出现空洞的现象。根据发生的时间与是否可见，可分为：
（1）即时性沉桩：粉喷桩桩体施工完成后随即发生的沉桩现象；
（2）滞后性沉桩：粉喷桩桩体施工完成一段时间后才表现出来的沉桩现象；
（3）显性沉桩：出现在地表可见的沉桩现象；
（4）隐性沉桩；由于地表有一层较厚的硬壳层，出现在地表以下的不可见的沉桩现象。此种沉桩不易被发现，具有较大的危害性。
一般情况下，沉桩现象以即时性、显性沉桩最为常见。
2.2沉桩原因分析
大量的研究和实践表明，软土具有以下共性：
（1）高压缩性。软土的压缩模量ES<4MPa，大部分压缩变形发生在垂直压力为100KPa左右，作为地基时的沉降量很大。
（2）具有触变特征。当原状软土受到扰动（搅拌、挤压等）以后，结构连接受到破坏，土的强度显著降低。其灵敏度一般在3～4之间，个别高达8～9。
（3）具有明显的流变性。在荷载的作用下，软土承受剪应力的作用产生缓慢的剪切变形，并可能导致抗剪强度的衰减，并在主固结沉降完毕之后还可能产生可观的次固结沉降。
由于软土具有以上特性，粉喷桩施工过程中，反复搅拌破坏了土体的结构，原状土孔隙比降低，孔隙水排出而形成体积缺失，引起桩位土体下沉。同时由于钻头水平向离心力和喷粉气流两种因素的影响，扰动桩周软土，使其成流体状，产生侧向位移引起桩位土体下沉。施工中若施工工艺和施工参数选择不当，沉桩现象极易发生。引起沉桩现象的施工因素一般有如下几个方面：
（1）喷粉量小，桩底虚松：粉喷桩施工中，地下反压随深度增加而加大。一般情况下，桩身下部的地下反压均较大，而此时又由于桩机提升荷载大而不得不采用低速，从而使得地下反压较大的问题变得更为突出。在这种情况下，如果施工技术水平较低，就会出现喷粉困难、喷粉量少，桩下部土体在桩体土的自重作用下体积压缩而出现沉桩现象。
（2）喷粉不均匀，断桩严重：桩位土体在自重作用下压缩变形，体积减小而出现沉桩现象。
（3）管道气流或管道气压过大，致使桩周土体遭受过大扰动：因软土具有较高的灵敏度和触变性，在大量气流的作用下，土体波动，强度下降，流变性增强，可压缩性提高，在桩位土体的侧压力或气体压力等作用下，发生较大的侧向位移，从而出现沉桩现象。
（4）整桩喷粉量过少：当喷入水泥加固料体积不能补偿由于施工扰动引起的密实和钻头反转导致的压密以及桩周土体侧向位移等到造成的体积减小量时，即出现沉桩现象。
（5）施工速度过快：钻头转动速度过快，对桩周土体产生较强的应力波，使桩周土体遭受过大扰动，强度下降，流变性增强，可压缩性提高，在桩位土体的侧压力或气体压力等作用下，发生较大的侧向位移。同时，下钻速度过快会直接造成钻头下土体的侧向位移和桩底土体的压缩变形，导致沉桩现象发生。
（6）施工钻具选择不合理：不同形式的钻头适用于不同性质的软土。如果钻头叶片的轴向倾角过小，在反转提升的过程中将对桩位土体产生过强的压密作用；而钻头叶片的轴向倾角过大，则会使桩位土体在钻头钻进过程中产生侧向位移。桩体土的过度压密和桩周土的侧向位移直接导致沉桩现象的发生。
在以上各种原因中，桩周土体受桩位土体的侧向压力作用产生的侧向位移与桩位土体在自重作用下压缩变形导致的沉桩现象常具有滞后性。如果地表存在较厚的硬壳层，由于其自身密实性好、内摩擦角大，具有较强的承载能力，则沉桩现象将出现在地表以下，造成隐性沉桩。
3.粉喷桩下沉的处理对策
3.1避免粉喷桩下沉的措施
在高含水量的软土地区进行粉喷桩施工时，选择合理的施工工艺和施工参数能有效的避免粉喷桩沉桩现象的发生，一般可从以下几方面进行考虑：
（1）选择合适的钻头形状：粉喷桩施工中，减小钻头叶片轴向倾角，可以降低对桩周土体的侧向挤压力，避免因桩周土体侧向位移而引起的桩位土体下沉。但如果钻头叶片轴向倾角减小，钻头反转提升的过程中对桩位土体产生压密的垂直向力增加，从而增加桩位土体扰动引起的下沉量。因此钻头叶片轴向倾角存在一个最优值。特殊情况下，对含水量特别大、塑性指数高、强度低、压缩性高、流变性强的厚层淤泥，可采用“十”字形钻头。 （2）缩小螺距：不同螺距钻头对桩位土体的压密作用不同。若钻头螺距为50cm，转速为92r/min、螺距进尺46m/min、钻头进尺1.47m/min与转速为28r/min、螺距进尺14m/min、钻头进尺0.45m/min两组参数对桩位土体的压缩比为32。若将钻头螺距改为30cm，则压缩比减小为19。因此缩小钻头螺距，可有效减小桩位土体的压密性，减少孔隙比的降低，对高含水量软土的挤压应力也减小，避免沉桩和减少空洞现象。
（3）调整粉体含量及加固料配方：对于含水量高的软土地基，应适当增加水泥掺入量、提高采用水泥的标号或掺加其它高吸水性的加固料。增加水泥掺入量、提高采用水泥的标号或掺加其它高吸水性的加固料，能有效的促进粉喷桩强度的形成，避免粉喷桩的下沉。
（4）改进施工工艺：施工粉喷桩时，先从路基两侧边部施工，在路基坡脚处加密两排桩然后向路基中部推进，减少桩周土体侧向位移。粉喷桩施工过程中，尽量采用较慢的、匀速的钻进速度，钻进时的管道压力应尽量小，以不堵塞出气孔为限，一般控制在200kPa以下较为适宜。在提钻的同时应保持连续喷粉，切不可只提钻不喷粉。喷粉结束后的复搅范围应适当扩大，在全桩范围内进行喷粉复搅。
3.2下沉粉喷桩的处理措施
对于已下沉的粉喷桩，针对不同情况，可采取，重新制桩、接桩、回填灰土并夯实等处理措施。
（1）重新制桩：对粉喷桩不成形、未形成桩体强度或喷粉量严重不足的粉喷桩，如有可能，则应在8小时之内在原位重新施工。对不能重新施工的粉喷桩，则应予以报废并进行补桩处理，补桩与原桩的距离应控制在设计桩间距的15%以内。
（2）接桩：对下部桩体完整且桩底高程已达到设计要求的粉喷桩，可在桩顶下沉空洞内回填土，从桩顶5cm范围内开始向上施工喷粉，使整个桩体完整，形成桩体强度。
（3）回填灰土并夯实：若粉喷桩下沉不深，则可向下沉空洞中填灰土，夯实形成坚硬的顶板。
4.结束语
地质因素是粉喷桩沉桩现象的根本内因，对软土含水量较大时，粉喷桩施工时的搅拌和高压气流对软土的扰动作用明显，当含水量超过70%时，粉体搅拌法处理软土地基是否可行还值得进一步去探讨。在高含水量软土粉喷桩处理施工中，若根据现场实际地质情况，有针对性地选择恰当的施工工艺、施工参数和合适的施工机具，可以有效避免沉桩现象的发生，保证软土地基的处理质量。
参考文献：
[1]《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTG/T D31-02-2013），中华人民共和国交通部部行业标准
[2]刘松玉，钱国超，粉喷桩复合地基理论与工程应用，中国建筑工业出版社，2006
【关键词】粉喷桩 沉桩 分析 处理 对策
1.前言
水泥粉体喷射搅拌法是用于加固饱和粘土地基的一种新方法。它是利用水泥材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和水泥强制搅拌，由水泥和软土间所产生的一系列物理—化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量。水泥粉体喷射搅拌法施工时，利用特制的粉体喷搅施工机械，先连续输送高压空气由上而下搅拌，然后将水泥粉末混合于压缩空气气流中由下而上边搅边喷，然后再复搅复喷。水泥粉末从通过搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷出，随着搅拌叶片的旋转与原位地基土搅拌、混合在一起，而高压空气与水泥粉末分离后主要由轴与土的缝隙排出地面。水泥粉喷桩与桩间土共同分担上部荷载并协调变形，形成复合地基。由于地质等因素的影响，水泥粉喷桩沉桩现象时有发生，沉桩有时达2m以上。如果处理不当，将会给后续施工带来困难并留下严重隐患。
2.粉喷桩下沉原因分析
2.1沉桩现象及其分类
沉桩现象是指在粉喷桩桩体施工完毕后，由于桩体土在自重作用下体积压缩、施工扰动下密实度增大、桩周土受桩体土的侧向压力或管道压力等作用下产生侧向位移等到原因，在桩体施工完成时或经过一段时间后，在桩位上出现空洞的现象。根据发生的时间与是否可见，可分为：
（1）即时性沉桩：粉喷桩桩体施工完成后随即发生的沉桩现象；
（2）滞后性沉桩：粉喷桩桩体施工完成一段时间后才表现出来的沉桩现象；
（3）显性沉桩：出现在地表可见的沉桩现象；
（4）隐性沉桩；由于地表有一层较厚的硬壳层，出现在地表以下的不可见的沉桩现象。此种沉桩不易被发现，具有较大的危害性。
一般情况下，沉桩现象以即时性、显性沉桩最为常见。
2.2沉桩原因分析
大量的研究和实践表明，软土具有以下共性：
（1）高压缩性。软土的压缩模量ES<4MPa，大部分压缩变形发生在垂直压力为100KPa左右，作为地基时的沉降量很大。
（2）具有触变特征。当原状软土受到扰动（搅拌、挤压等）以后，结构连接受到破坏，土的强度显著降低。其灵敏度一般在3～4之间，个别高达8～9。
（3）具有明显的流变性。在荷载的作用下，软土承受剪应力的作用产生缓慢的剪切变形，并可能导致抗剪强度的衰减，并在主固结沉降完毕之后还可能产生可观的次固结沉降。
由于软土具有以上特性，粉喷桩施工过程中，反复搅拌破坏了土体的结构，原状土孔隙比降低，孔隙水排出而形成体积缺失，引起桩位土体下沉。同时由于钻头水平向离心力和喷粉气流两种因素的影响，扰动桩周软土，使其成流体状，产生侧向位移引起桩位土体下沉。施工中若施工工艺和施工参数选择不当，沉桩现象极易发生。引起沉桩现象的施工因素一般有如下几个方面：
（1）喷粉量小，桩底虚松：粉喷桩施工中，地下反压随深度增加而加大。一般情况下，桩身下部的地下反压均较大，而此时又由于桩机提升荷载大而不得不采用低速，从而使得地下反压较大的问题变得更为突出。在这种情况下，如果施工技术水平较低，就会出现喷粉困难、喷粉量少，桩下部土体在桩体土的自重作用下体积压缩而出现沉桩现象。
（2）喷粉不均匀，断桩严重：桩位土体在自重作用下压缩变形，体积减小而出现沉桩现象。
（3）管道气流或管道气压过大，致使桩周土体遭受过大扰动：因软土具有较高的灵敏度和触变性，在大量气流的作用下，土体波动，强度下降，流变性增强，可压缩性提高，在桩位土体的侧压力或气体压力等作用下，发生较大的侧向位移，从而出现沉桩现象。
（4）整桩喷粉量过少：当喷入水泥加固料体积不能补偿由于施工扰动引起的密实和钻头反转导致的压密以及桩周土体侧向位移等到造成的体积减小量时，即出现沉桩现象。
（5）施工速度过快：钻头转动速度过快，对桩周土体产生较强的应力波，使桩周土体遭受过大扰动，强度下降，流变性增强，可压缩性提高，在桩位土体的侧压力或气体压力等作用下，发生较大的侧向位移。同时，下钻速度过快会直接造成钻头下土体的侧向位移和桩底土体的压缩变形，导致沉桩现象发生。
（6）施工钻具选择不合理：不同形式的钻头适用于不同性质的软土。如果钻头叶片的轴向倾角过小，在反转提升的过程中将对桩位土体产生过强的压密作用；而钻头叶片的轴向倾角过大，则会使桩位土体在钻头钻进过程中产生侧向位移。桩体土的过度压密和桩周土的侧向位移直接导致沉桩现象的发生。
在以上各种原因中，桩周土体受桩位土体的侧向压力作用产生的侧向位移与桩位土体在自重作用下压缩变形导致的沉桩现象常具有滞后性。如果地表存在较厚的硬壳层，由于其自身密实性好、内摩擦角大，具有较强的承载能力，则沉桩现象将出现在地表以下，造成隐性沉桩。
3.粉喷桩下沉的处理对策
3.1避免粉喷桩下沉的措施
在高含水量的软土地区进行粉喷桩施工时，选择合理的施工工艺和施工参数能有效的避免粉喷桩沉桩现象的发生，一般可从以下几方面进行考虑：
（1）选择合适的钻头形状：粉喷桩施工中，减小钻头叶片轴向倾角，可以降低对桩周土体的侧向挤压力，避免因桩周土体侧向位移而引起的桩位土体下沉。但如果钻头叶片轴向倾角减小，钻头反转提升的过程中对桩位土体产生压密的垂直向力增加，从而增加桩位土体扰动引起的下沉量。因此钻头叶片轴向倾角存在一个最优值。特殊情况下，对含水量特别大、塑性指数高、强度低、压缩性高、流变性强的厚层淤泥，可采用“十”字形钻头。 （2）缩小螺距：不同螺距钻头对桩位土体的压密作用不同。若钻头螺距为50cm，转速为92r/min、螺距进尺46m/min、钻头进尺1.47m/min与转速为28r/min、螺距进尺14m/min、钻头进尺0.45m/min两组参数对桩位土体的压缩比为32。若将钻头螺距改为30cm，则压缩比减小为19。因此缩小钻头螺距，可有效减小桩位土体的压密性，减少孔隙比的降低，对高含水量软土的挤压应力也减小，避免沉桩和减少空洞现象。
（3）调整粉体含量及加固料配方：对于含水量高的软土地基，应适当增加水泥掺入量、提高采用水泥的标号或掺加其它高吸水性的加固料。增加水泥掺入量、提高采用水泥的标号或掺加其它高吸水性的加固料，能有效的促进粉喷桩强度的形成，避免粉喷桩的下沉。
（4）改进施工工艺：施工粉喷桩时，先从路基两侧边部施工，在路基坡脚处加密两排桩然后向路基中部推进，减少桩周土体侧向位移。粉喷桩施工过程中，尽量采用较慢的、匀速的钻进速度，钻进时的管道压力应尽量小，以不堵塞出气孔为限，一般控制在200kPa以下较为适宜。在提钻的同时应保持连续喷粉，切不可只提钻不喷粉。喷粉结束后的复搅范围应适当扩大，在全桩范围内进行喷粉复搅。
3.2下沉粉喷桩的处理措施
对于已下沉的粉喷桩，针对不同情况，可采取，重新制桩、接桩、回填灰土并夯实等处理措施。
（1）重新制桩：对粉喷桩不成形、未形成桩体强度或喷粉量严重不足的粉喷桩，如有可能，则应在8小时之内在原位重新施工。对不能重新施工的粉喷桩，则应予以报废并进行补桩处理，补桩与原桩的距离应控制在设计桩间距的15%以内。
（2）接桩：对下部桩体完整且桩底高程已达到设计要求的粉喷桩，可在桩顶下沉空洞内回填土，从桩顶5cm范围内开始向上施工喷粉，使整个桩体完整，形成桩体强度。
（3）回填灰土并夯实：若粉喷桩下沉不深，则可向下沉空洞中填灰土，夯实形成坚硬的顶板。
4.结束语
地质因素是粉喷桩沉桩现象的根本内因，对软土含水量较大时，粉喷桩施工时的搅拌和高压气流对软土的扰动作用明显，当含水量超过70%时，粉体搅拌法处理软土地基是否可行还值得进一步去探讨。在高含水量软土粉喷桩处理施工中，若根据现场实际地质情况，有针对性地选择恰当的施工工艺、施工参数和合适的施工机具，可以有效避免沉桩现象的发生，保证软土地基的处理质量。
参考文献：
[1]《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTG/T D31-02-2013），中华人民共和国交通部部行业标准
[2]刘松玉，钱国超，粉喷桩复合地基理论与工程应用，中国建筑工业出版社，2006