李 林 王榮宗?
(河南省建筑工程學校，鄭州 450007)

摘要：本文對目前工程中常用的噴粉樁加固地基的原理進行了較為詳細的論述，并闡述了噴粉樁的技術(shù)特性、應用、施工組織、施工設備及質(zhì)量要求、施工中應注意的問題。為從事這一工作的技術(shù)人員提供比較具有價值的技術(shù)資料。
關(guān)鍵詞：噴粉樁;地基;施工?
中圖分類號：TU472.3 文獻標識碼：A

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The Principle, Appliance and Construction of Disperse ?
Pile Applied in Foundation Reinforcing

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Li Lin Wang Rongzong?
(Henan School of Architectural Engineering Zhen Zhou 450007,China)

Abstract: The article gives readers a detailed recounting about the principle ofdisperse pile in foundation reinforcing, which is now commonly used in existingengineering; and then it proceeds to expound its technological characteristic appliance、 construction organization, equipments quality requirement as well as some problems that should be paid attention to during the construction process. Thus it provides some valuable technological information for the technical personnel.
Key words disperse pile; foundation area; construction?
一、概述
噴粉樁最早是由瑞典和日本于20世紀60年代后期提出的加固地基的技術(shù)工藝。80年代初，國內(nèi) 開始研究，1993年，我國第一臺液壓步履式深層攪拌噴粉樁機在鐵道部武漢工程機械廠誕生。1984年7月在廣東省云浮硫鐵礦鐵路專用線上用石灰攪拌樁加固單孔4.5m蓋板箱涵軟土地基獲得成功，1985年4月通過鐵道部部級技術(shù)鑒定。此后，噴粉樁技術(shù)在國內(nèi)沿海地區(qū)及長江中下游得到了廣泛應用。河南省于1991年引進此項技術(shù)，首次用于信陽機務段六層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓工程中，在以后短短的幾年內(nèi)，很多設計單位將噴粉樁技術(shù)進行了推廣應用，特別是鄭州、開封、新鄉(xiāng)等地下水位較高的地區(qū)。目前，省內(nèi)很多建筑施工單位組建了噴粉樁施工作業(yè)隊，無論是設備水平還是人員施工素質(zhì)，都達到了一定的標準。
二、原理
噴粉樁加固地基的機理是利用粉體噴射樁機在鉆孔過程中，用高壓空氣將粉狀固化劑以霧狀噴入被加固的軟土中，憑借機械上特制的鉆頭葉片的旋轉(zhuǎn)，使固化劑與原位軟土就地強制攪拌混合；固化劑吸水后進行一系列物理化學反應，使樁位原土有軟變硬，形成整體性好、水穩(wěn)性強和承載力高的新樁體；這種樁體與樁間土相互作用形成比天然軟土地基承載力有大幅度提高的復合地基。目前在實際工程中噴粉樁所用的固化劑主要是水泥或石灰。噴拌成水泥土樁或石灰土樁。?
當采用水泥作為固化劑時，水泥的水化與其在砼中的變化機理不同，砼的硬化是水泥在粗骨料中進行，而水泥土硬化是水泥在具有活性的粘土介質(zhì)中進行，作用緩慢而復雜；水泥吸水后產(chǎn)生水化反應和水解反應，生成Ca(OH)2、H2OCaSiO、H2OCa3(AiO)2、H2OFeCa2(AiO)2等化合物，土粒中的Na+和K+與化合物中的Ca++進行當量吹附交換：土顆粒＜Na+（K+）+Ca＜土顆粒+Na+（土顆粒+Ka+）正是由于Ca++的吸附交換作用，使大量的土顆粒形成較大的土團粒。隨著水化反應的深入，Ca++的數(shù)量繼續(xù)增多，當Ca++超過上述離子交換的需要量后，與粘土礦物中的SiO-2和Ai2O3的一部分或大部分進行化學反應，生成不溶于水的微晶凝膠，凝膠在空氣中逐漸硬化，增大土的強度、并使水分不易侵入而增加土的水穩(wěn)定性。微晶凝膠是由極細小的微晶聚集而成，它們在土粒表面形成纖維狀的結(jié)晶，結(jié)晶析出端部、也就是露出晶邊的Ai+3將吸引結(jié)合于已析出晶面的OH-1，結(jié)晶面之間發(fā)生排斥，形成“晶邊——晶面”結(jié)合、并輻射向外延伸，進而再相互侵入并將土團包裹起來，形成水泥土獨特的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。水泥和土攪拌越充分，則水泥土結(jié)構(gòu)的離散性就越小。
當采用生石灰作固化劑時，石灰在土層中吸水、膨脹、發(fā)熱和進行復雜的離子交換，土微粒凝聚、火山灰、 碳酸鈣、固結(jié)等一系列物理化學反應，生成復雜的化合物，這些化合物在水和空氣中逐漸硬化、使土粒得到牢固結(jié)合和加強，促使周邊土體固結(jié)，從而形成較高強度的石灰土。
三、特性
噴粉樁是由水泥或石灰作固化劑而形成的灰土樁，因為它既不能摻入高強度的粗石骨料，也不能通過用配置鋼筋的方法來提高自身的承載力，所以噴粉樁僅考慮豎直荷載的作用，不象砼樁那樣，承受豎向力的同時還能承受水平力。噴粉樁自身性質(zhì)介于剛性樁（鋼筋混凝土灌注樁、鋼筋混凝土預制樁、木樁、鋼管樁等）與柔性樁(碎石樁、砂樁、土樁等)之間的一種樁型，它的剛度、抗壓強度和抗側(cè)向壓力作用均小于剛性樁而大于柔性樁。由于噴粉樁所用的固化劑是在鉆孔過程中、通過鉆桿噴入土層中的，樁載面中心的鉆桿占去一定的空間，鉆頭葉片距端頭越近攪拌力矩越大，使灰土攪拌愈均勻；因此樁身截面的強度是不均勻的，中心軸處強度最低，沿截面經(jīng)向由中心軸向外邊緣強度逐漸增強，在噴粉樁施工過程中應空桿復鉆一次，以便提高混合土的均勻性是非常必要的。??噴粉樁的軸向應力分布是不均勻的，從樁頂自上而下軸向力逐漸減小，最大軸向力位于樁頂3-5倍樁徑范圍內(nèi)，再往下軸向力收斂很快，所以，噴粉樁的破壞機理是，以淺層樁向縱向壓縮變形增長，外荷載繼續(xù)增加，樁向達到抗裂極限狀態(tài)，而使樁體失去傳力功能。?
噴粉樁使軟土地基豎向承載力的提高與樁位土質(zhì)、含水量、固化劑摻入比、土灰混合均勻程度和齡期等因素有直接的因果關(guān)系。
1、土質(zhì)：噴粉樁原位土以粉土為最好，摻入固化劑、粉土的強度增長效果遠比對淤泥質(zhì)土和粘性土的效果好；土粒越粗、增強效果越明顯；同時，原位土越純凈，增強效果越好；軟土層中有機物質(zhì)含量越多，則增強效果越低。因此，噴粉樁適宜被加固軟地基土為粉土、砂土、粉砂土、粉質(zhì)粘土、淤泥等土層，而不適宜含有石塊、樹根、有機物的人工填土層。
2、含水量：在軟土層中、尤其是粘土層中，存在著一個最佳含水率，天然土中的每一個含水量值對應一個最佳固化劑摻入比，如超出這個對應界限，增強效果則不明顯。噴粉樁適用于含水量不小于23%的土層，效果最好的含水量為30%-60%。
3、固化劑摻入比μp：固化劑的摻入量與固化料的類別、加固地基土質(zhì)情況、含水量、原位土的承載力、設計要求的樁體強度和復合地基承載力等條件有密切的關(guān)系。試驗資料說明：當單樁強度值一定時，固化料強度等級越高，摻入量就越少；原位土顆粒越粗，土質(zhì)越純凈，摻入量越少；土層含水量越小，摻入量越少；原位承載力越大，摻入量越少。固化劑摻入比μp（指固化劑的摻入重量與被加固樁體土重量之比）。
μp=摻入固化料的重量/被加固樁體土的重量×100%?
當設計考查地質(zhì)資料后一般固化劑摻入量按原位土含水量經(jīng)試驗確定。通常含水量高時，摻入比可控制在μp=10%-15%；當含水量較低時，摻入量控制在μp=7%-10%。國家行業(yè)標準《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-91）中規(guī)定，固化劑摻入量μp=7%-15%。實際工程中應通過制作多組灰土試件，經(jīng)試驗后確定一個μp值，施工單位遵照執(zhí)行。對于無條件作摻入比試驗的工程，一般情況下對500mm直徑的樁，摻42.5#水泥量為35-50kg/每延長米。?
4、混合料攪拌均勻程度：噴粉樁的強度與土料混合均勻程度成正比，灰土攪拌越均勻，其改善原狀土的效果越好，相應的抗壓強度越高。?
5、齡期：噴粉樁的強度隨養(yǎng)護齡期的延長而增大。28d內(nèi)強度增長顯著，尤其在前7d，強度急劇提高，一般可達到28d強度的60%左右，可達90d強度的35%-50%，28d后強度仍然有明顯增長，90d后強度增長緩慢，因此，噴粉樁的無側(cè)限抗壓強度標準值以90d齡期作為強度指標。?
資料表明：在淤泥質(zhì)粘土中，水泥土樁無側(cè)限抗壓強度能達到gU=3250Kpa-3720Kpa，相應的變形模量EV=180Mpa-600Mpa。變形模量與抗壓強度之比為EV/gU=120-150.石灰土噴粉樁的無側(cè)限抗壓強度達到gU=1309Kpa.粘聚力c=330Kpa.內(nèi)摩擦角β=35°45′。?
四、優(yōu)點及應用
1、噴粉樁適用于加固軟土地基，增強軟土地基的承載力，使之提高工業(yè)與民用建筑、港口碼頭、公路橋涵、擋土墻、油罐等建筑物的基礎(chǔ)地耐力。?
2、當進行建筑物基坑開挖時，由于地面寬度不夠，放坡受到限制，開挖邊坡的穩(wěn)定性不夠時，噴粉樁可用于加固軟土邊坡，采用單個噴粉樁互相搭接而形成豎壁狀墻體作護岸結(jié)構(gòu)，比起砼連續(xù)墻、預制鋼筋砼樁、鋼板樁等護岸方案，不但施工簡便，而且經(jīng)濟效益可觀。?
3、采用水泥作固化劑制成的噴粉樁，由于水泥與原位土混合后，原位土變成較密實的水泥土，大大降低軟土的滲透系數(shù)，可有效地起到阻水作用，避免坑壁流砂發(fā)生。同時，由于噴粉樁下端入土深度校長，切斷了地下水的滲透途徑，使得基坑降水漏斗變陡，減小了由于降水量大對周圍環(huán)境的危害，從而使基坑排水作業(yè)簡便化，有利于基坑的施工。?
4、噴粉樁的優(yōu)點為：加固工藝合理、施工簡單、技術(shù)可靠、成本低廉、進度快、無振動、無噪音、工期短、占地面積小、對環(huán)境無污染、對周圍建筑物無影響、加固效果好等，更引人注意的還有：?
（1）可以直接在含有地下水的地層中施工成型。?
（2）雖然負溫下固化料與土的反應減弱，但溫度回升后，反應可繼續(xù)進行，故在地溫為-10℃以上的情況下進行施工，毫不影響樁的質(zhì)量。?
（3）施工過程中只向土層中噴射固化料干粉，無需向地層中注入附加水分，不但減少了施工污染，而且使固化料能充分吸收軟土中的水分，從而增強加固效果。?
（4）施工原料除原位軟土外，僅摻入少量固化劑，因此施工工藝簡單，施工成本低。?
5、噴粉樁加固地基，主要是利用群樁的作業(yè)原理，使之提高建筑的地基承載力。根據(jù)建筑物的不同形式和要求，噴粉樁可以滿堂布、帶狀布和塊狀布，不論何種布置方法，樁位排列可采用三角形、正方形、長方形或梅花形均可，樁距應計算確定。目前常用的噴粉樁長不超過14m，在14m深度的范圍內(nèi)，應選擇土質(zhì)均勻、地耐力比較高的土層做為持力層；樁底進入持力層的深度不得小于500mm。?
工程實踐表明：噴粉樁主要是用來加固100-150Kpa及以下的低承載力軟土地基；經(jīng)噴粉加固后復合地基的地耐力可達160-250Kpa。如果原天然土層承載力達200Kpa或工程要求復合地基承載力超過300Kpa時，目前限于機械能力及投資上的經(jīng)濟問題幾乎是不能采用噴粉樁工藝的。
五、施工設備
目前多使用的定型配套機械產(chǎn)品為液壓步履式PH-5型噴粉樁機。施工工藝設備圖如下：?
噴鉆機由步履機構(gòu)、動力機構(gòu)、傳動機構(gòu)、操作機構(gòu)、鉆架及鉆井機構(gòu)等組成。它們的共同任務是在鉆孔的同時完成噴粉和攪拌作業(yè)，從而形成樁體。
六、施工程序
噴粉樁施工程序如下圖所示：?
1、平整場地，整套設備根據(jù)實際地形安裝就位。?
2、噴粉樁機自動縱橫向移動，鉆頭對準孔位。

（圖a）?
3、啟動攪拌機，鉆頭正向旋轉(zhuǎn)，實施鉆進作業(yè)。為了不至堵塞鉆頭上的噴射口，鉆進過程中不噴固化料，只噴射壓縮空氣，即確保順利鉆進，又減小負載扭矩。隨著鉆進，使被加固的軟土體在原位受到攪動。

（圖b）?
4、鉆至設計孔底標高后停鉆。（圖c）?
5、再次啟動攪拌機，反向旋轉(zhuǎn)提升鉆頭，同時打開發(fā)送器前面的控制閥，按需要量向被攪動的疏松土體中噴射固化料——水泥粉（或石灰粉），邊提升邊噴射邊攪拌，盡量達到攪拌均勻，使軟土與固化料充分混合，噴射量與控制閥的開放大小成正比，與鉆頭的提升速度成反比。（圖d）
6、當鉆頭提升至高出樁頂40cm～50cm時，發(fā)送器停止向孔內(nèi)噴射粉料，樁柱已形成，將鉆頭提出地面。

（圖e）
7、為了確保固化劑與土體充分混合或感到某一根樁噴粉質(zhì)量欠佳時，對原孔應復鉆一次，以達到圖紙設計要求。
8、實踐證明：在噴粉過程中，當鉆頭提升到最后階段時應注意控制，使鉆頭距地表面≥50cm時停止噴粉，不然粉體被帶出地面而向空中飛散污染環(huán)境。?
9、利用噴粉樁機的步履功能移動鉆機至新孔位重復以上過程。
噴粉樁施工工藝設備圖?
1、步履機構(gòu) 2、主電動機 3、操作臺 4、傳動機構(gòu) 5、鉆架 6、旋轉(zhuǎn)龍頭 7、鉆桿 8、鉆孔 9、鉆頭 10、輸料管 11、固化劑管
12、轉(zhuǎn)鼓 13、料罐壓力表 14、氣管壓力表 15、安全閥 16、氣水分離器?17、壓力氣管 18、流量劑 19、氣流閥 20、貯氣罐
21、空壓機
噴粉樁施工程序圖?
a.鉆機定位 b.噴氣鉆井 c.終孔停鉆 d.噴粉提升 e.成樁、鉆頭提至地面?
1.噴鉆機 2.鉆架 3.鉆桿 4.鉆頭 5.鉆孔 6.成樁?
七、施工組織及施工布置
1、為了確保粉噴樁的施工質(zhì)量，必須進行嚴密組織。通常一臺噴粉樁組建一個施工班組，每班組由9～10人組成。組長1名，負責該機的指揮，協(xié)調(diào)各工序間的操作聯(lián)系；操作機工4人，負責鉆機的移位、鉆進、噴粉、提升等工作；施工記錄及質(zhì)量檢查1人，詳細記錄施工情況，包括開機時間、鉆進速度、提升速度、終孔時間、進尺情況、送灰情況、每延長米用灰量、總用灰量以及故障情況等，并負責監(jiān)督檢查樁位、樁數(shù)、標高、成孔質(zhì)量等；機械工1～2人，負責配套設備的機械及電器安裝、運輸、維修等；輔助工2人，負責供氣、供灰等工作。當兩班作業(yè)時，應按兩班要求配備勞動力。當多臺機同時施工時，應相應增加人員。
2、根據(jù)任務的大小及制樁的范圍進行施工工藝規(guī)劃。一般情況下，可同時上1～3臺噴粉樁機。空壓機可單機配備，也可幾臺樁機共用一臺。粉體發(fā)送器原則上單機配備，這樣便于操作和控制。空壓機和發(fā)送器應布置在適中位置，盡可能少移動，倉庫的材料儲備應充足，保證供應。?
3、噴粉樁機的施鉆路線應考慮移位和進出場的要求，如下圖所示：
噴粉樁施工布置圖
任何情況下，噴粉樁機的制樁路線都必須向尚未制樁的場區(qū)移位或前進，在設計噴粉樁機的作業(yè)路線時要充分考慮到這一點，切忌噴粉樁機從以制樁的區(qū)域穿過，避免制好的樁遭受損壞。?
八、質(zhì)量要求
合格的噴粉樁應該是灰土攪拌比較均勻，無粉料集中現(xiàn)象，外觀整齊勻稱，無明顯凸凹，樁的表面呈鉆頭葉片的螺旋狀痕跡。為保證質(zhì)量，施工應注意以下幾點：
1、施工管理：必須加強現(xiàn)場管理，有具體的管理措施，嚴格的施工組織紀律，最佳的施工方法，較強的技術(shù)力量。
2、技術(shù)管理：施工隊伍必須是高質(zhì)量、具有一定的技術(shù)等級和施工經(jīng)驗，尤其是生產(chǎn)骨干應有足夠的施工經(jīng)歷及處理施工中可能出現(xiàn)問題的能力。
3、機械設備：必須根據(jù)工藝要求配備完整的制樁設備，所用設備應具有可靠性和配套性，機械的功能應能滿足設計要求。
4、質(zhì)量把關(guān)應落實到人。建立質(zhì)量把關(guān)逐級責任制，質(zhì)量責任人必須在施工過程中處處檢查，層層驗收，把事故消滅在萌芽狀態(tài)。
5、所用的固化劑和各種摻合料都必須符合國家標準，不允許將不合格的材料用于工程。所有材料進場前必須經(jīng)過檢查驗收和必要的試驗，當確認符合要求時才可使用。
6、應嚴格按照施工工藝要求組織施工操作，鉆進速度，噴灰量以及施工布置等，均要按施工組織設計要求的進行。施工過程中應設專職人員負責質(zhì)量檢查，并做好施工日記。
7、施工前應根據(jù)所用的材料，按設計要求的配合比在現(xiàn)場做2～3根短試樁，以確定提升速度，攪拌次數(shù)，噴灰量等要素。要鉆取芯樣做2～3組試塊進行7d和28d室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗，檢查材料的可靠性。試樁養(yǎng)護至一定齡期后（一般可取10d～15d），開挖出來進行外觀、攪拌均勻程度等質(zhì)量檢查。?
九、安全要求
1、嚴格按照施工機械安全操作規(guī)程進行施工操作，不得違章作業(yè)。?
2、施工用電要采用三相五線制，用電設備接地良好，按施工用電要求設置配電箱和觸電保護器。
3、安全檢查員要持證上崗，做好施工機械的安全檢查，凡檢查有安全隱患的部位要停機排除，不能帶病做業(yè)。?
4、按施工組織要求，非機械操作人員不得擅自開機。?
5、在施工全過程應有指揮員統(tǒng)一指揮，統(tǒng)一要求，統(tǒng)一調(diào)配。
? 十、施工注意事項
1、施鉆前應進行測量放線，準確定出各樁位中心，打木樁作出標記，并在木樁周圍撒上白石灰粉以醒目，便于施鉆過程中尋找。?
2、在施工過程中，每根樁都必須準確測量鉆進深度，確保樁頂及樁底標高符合設計要求。
3、樁體頂端一般常因噴粉量不足、攪拌不勻等原因造成質(zhì)量缺陷，因此，粉體的噴射高度應比設計樁頂標高高出40cm～50cm，待樁體達到一定強度（一般可取25d～30d）后，再將多余樁體截掉。
4、采用噴粉樁加固的建筑物基底均應設置有一定厚度的砂墊層，以均勻傳遞上部荷載。?
5、噴粉樁適宜在含有地下水的土層中施工，但在任何情況下的鉆進和制樁過程中，均不得隨意向孔中注水，對特別干燥的土層，可經(jīng)試驗論證后，提前向土層中注水或浸水濕潤，并等水分均勻滲透到土層中后，再實施制樁。?
6、必須做好粉體噴出量試驗，保證按設計規(guī)定的摻入比向孔中噴射粉料。不允許降低噴入量。?
7、嚴格防止地下水或其它水滲入套管等輸送混合料的通道中，以免堵塞通道，影響噴粉質(zhì)量。防止方法是鉆頭一入土就不停的送氣。假若造成堵塞，則應起升鉆桿，拆下鉆頭，用鉛絲通開。?
8、向固化劑罐中送料時，應在罐口裝過濾網(wǎng)，防止紙屑、灰塊、雜物、金屬碴等掉進罐內(nèi)。?
9、鉆架必須保持豎直，以保證樁體的垂直度。在每一根樁開鉆前，必須檢查鉆頭是否對準樁位中心，不得偏位。?
10、制樁過程中時刻應注意施工情況，避免發(fā)生供氣不足，噴粉不夠、斷噴、噴嘴堵塞等不良現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題應及時處理。?
11、每根樁的樁體制作應一氣呵成，不得在噴粉過程中間歇、中斷。應根據(jù)樁長和固化料摻入比計算出一根樁的噴灰量。當然，每根樁的用灰入罐量應稍高于計算用量，以防因噴灰不均勻造成儲灰量不足。?
12、鉆孔時應把握鉆進速度，不宜過快，確保使原位土攪拌后疏松透氣。提升鉆頭時應均勻慢速，保證摻入料與原位土充分混合。嚴格控制固化劑噴入量，每延長米的固化劑噴入量與設計值誤差應小于3%。?
13、噴粉樁在自然養(yǎng)護14d以后方可開始基坑開挖。為防止開挖中造成樁頂損壞，應采用人工開挖和出土，當挖除土層很厚時，樁頂以上80cm以下部分用人工挖除，樁頂80cm以上部分可用機械開挖。?
14、施工結(jié)束后應對所有樁按《建筑地基基礎(chǔ)質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50202-2002)的有關(guān)規(guī)定進行質(zhì)量檢測及復合地基承載力檢測，必要時還應進行單樁承載力和樁體強度檢測。所有檢測指標必須達到設計標準，樁位及樁數(shù)也必須符合設計要求。
15、對斷樁、缺樁、縮頸、強度低、樁長不夠、偏位較大，表面缺陷等事故，必須按設計要求進行補強處理，不允許降低設計標準。?
16、在施工過程中應有專人負責，記錄所有噴粉樁的樁號，成樁時間、設計樁長、實際樁長、設計樁徑、實際樁徑、固化劑實際噴入量、樁底標高、樁頂標高等。成樁時間記錄必須按制樁程序（鉆進、提升、復攪）詳細記錄，時間記錄誤差不得大于5s，樁深記錄誤差不得大于5cm。?
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收稿日期： 2005-04-18?
作者簡介：李林（1962- ），男，山東微山人，講師，主要從事土木工程教學及其研究工作。