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摘要：随着水利工程建设水平的不断提高,粉喷桩作为一种有效软基加固技术,已越来越被工程技术界所重视。其具有低污染、低噪音、有效实用、施工简便快捷、施工工期短等特点,在现在的工程施工中被广泛采用。本文结合实际工程探讨了粉喷桩在水利泵站地基处理中的设计与施工。
关键词：粉喷桩；水利泵站；地基处理
一、粉喷桩在水利泵站地基处理中的机理
粉喷桩是利用粉喷桩机将水泥干粉加到软弱地基土中并在原位强制搅拌，通过水泥和土的一系列复杂的物理、化学变化而形成具有整体性、水稳定性和足够强度的水泥土的一种地基处理方法，为深层搅拌桩的一种。
粉喷桩加固地基是利用固化剂与原位土充分混合后,因固化剂吸收周围土层中的水分而发生物理化学反应,使混合桩体凝结硬化,既提高了自身的强度,又稳定了桩周围土层,从而使天然的软土地基改变成优质的复合地基,大大提高了地基的承载能力,对泵站地基处理有着显著作用。
二、工程概况
某泵站是A湖抬高蓄水位影响处理工程重要组成部分，同时在N南水北调工程中也具有举足轻重的地位。站址位于H县城南约4km，场地上部地层主要为第四系冲洪积层，由于水流复杂多变，沉积环境在时间与空间上变化较大，沉积物土性极不均匀，多为粉质壤土、砂壤土、粉细砂等土层，又常常出现互相掺杂、交叉、互层等复杂情况。它们多呈软塑状或流塑状，承载力极低，厚度可深达十几米乃至更深，其特点是高含水量、大孔隙比、高压缩性、低强度等。
三、粉喷桩设计
拟建站区软土工程地质条件差，强度低，属于高压缩性土。经计算发现，在外部荷载作用下，地基将会出现较大沉降变形。
由于软土具有流变性，除了固结应力引起的固结变形之外，在剪应力作用下，土体处于长期变形过程中，沉降稳定的历史比较长。不经过处理基本不能满足实际工程需要。根据设计报告知泵站基础底板主要坐落于3层重、中粉质壤土上，该层地基承载力为130kPa，由于泵房、翼墙基地应力均大于天然地基承载力，地基需加固处理。地基加固措施采用水泥粉体喷射搅拌桩和钻孔灌注桩比较选用。粉喷桩方案造价较省，但长度大于10m以上的桩施工质量难以保证，一些实验参数与实际相差较大；灌注桩虽然造价稍高，但成桩质量好，可靠性强。由于泵房桩基长度较长，故其地基加固措施采用钢筋混凝土灌注桩，其余部分采用水泥粉體喷射搅拌桩。
该泵站的进水翼墙、进水闸、进水池挡墙、泵室、压力水箱、穿堤箱涵及出水口翼墙基础全部采用粉喷桩地基加固处理。共布置桩5226根，设计桩体直径d=500mm，桩长分别为8m、10m，桩体在满足桩长条件下，插入第⑥层重粉质壤土不小于1m。搅拌桩固化剂采用PO．32．5级普通硅酸盐水泥，桩体28d无侧限抗压强度不低于180kPa。复合地基承载特征性，进出口翼墙段为120kPa、泵室段117kPa、压力水箱段83kPa、涵身(I~Ⅱ)段为163kPa、涵身(Ⅳ)段为130kPa，桩体单桩承载力为106kN。
为查明加固效果，对地基加固提供设计依据进行校核，经商定取水泥与软土掺入比为1：6.42，试验结果表明，7 d龄期的无侧限抗压强度为0.3～O.4 MPa，平均为O.3MPa，28 d龄期的无侧限抗压强度为0.6～0.7MPa，平均为0.6 MPa，随龄期的增加水泥土强度有明显提高，水泥土28 d龄期强度是7 d龄期强度的2倍左右，满足规范要求，其强度也满足设计文件单桩1000 kPa的要求。
现场粉喷桩芯压桩试验：正式开工前，打试验桩4根，按设计文件要求，每米水泥喷灰量50 kg，7 d龄期开挖，桩径达500mm以上，锤击桩身坚硬。对28 d龄期桩，按规范要求取桩号O-65、M-16各一组共两组，做无侧限抗压强度，065号桩平均12.5 MPa，M-16号桩平均13.5 MPa，完全达到设计要求加固强度。
四、粉喷桩施工
施工程序为：放线定桩位→钻机就位→钻桩孔至设计深度→边搅拌、喷粉，边提升钻杆→至桩顶以上50cm停止搅拌、喷粉→全程复搅（复喷）一次，提杆至地面→移至下一桩位继续施工。
施工注意事项：
（1）桩长按进入持力层控制,控制钻机下钻深度、喷粉高程及停灰面,确保粉喷桩长度。粉喷桩宜尽量打至持力层上(一般控制为qc=
800kpa),并且进入持力层50cm左右。在施工过程中,桩底设计标高往往与持力层并不一致,施工单位容易出现桩长以设计标高控制的现象,如在桩尖下尚留几米软土,会有较大的工后沉降量,由于排水不畅,预压很长时间也很难稳定。故粉喷桩实际施工桩长应按进入持力层控制。判别是否进入持力层的方法可由钻机钻到最深时的下钻速度和电流表的读数来判定,这两个参数是在工艺试桩时由监理确定,一般是下钻速度0.5m/min,电流值是额定电流值的125%以上。
（2）粉体计量控制
粉喷桩的质量好坏与水泥掺入量的多少及喷粉的均匀性有直接的关系,因此,如何来计量粉体是控制的关键。目前一般较为常用的是电子称重法与钻机深度相结合的计量装置,它能在记录上反映深度、相对应每延米的喷粉量、总灰量等。粉体计量控制主要应注意以下两点:
一是要保证喷粉的均匀性,关键是掌握好钻头的提升速度。对于直径一定的粉喷桩来说,粉体发送器单位时间内水泥的喷出量Q与搅拌轴提升速度可由下式来确定:
Q=π
式中 D——为钻头直径/m；
R——为软土的容重(t/m3)；
S——为水泥掺入比；
V——为钻头提升速度(m/min)
二是从开始喷灰到钻头处出灰有一定时间,钻机钻至桩底后,必须预喷停留一段时间,方可提钻。停留时间由管道长度等确定喷灰时,水泥在管道内的输送速度大约为1m/s,如管道长40m,钻至桩底后即喷粉提钻,则桩底实际少灰长度接近1米,反而搅动破坏了桩底原状软土,使沉降量加大。
（3）当钻头提升至地面以下0.5ｍ时，喷粉机应停止喷粉。当喷粉成桩过程中遇有故障而停止喷粉，在第二次喷粉接桩时，其喷粉重叠长度不得小于１ｍ。
（4）粉喷桩施工时，泵送水泥必须连续，固化材料的用量以及泵送固化材料的时间应有专人记录，其用量误差不得大于±１％。
（5）为保证搅拌机的垂直度，应检查起吊设备的平整度和导向架对地面的垂直度，每工作班检查不少于２次，使垂直度偏差不超过１％。
（6）搅拌机喷粉提升的速度和次数必须符合预定的施工工艺要求，搅拌机每次下沉或提升的时间应有专人记录，深度应达到设计要求，时间误差不得大于５秒。施工前应丈量钻杆长度，并标上明显标志，以便掌握钻入深度，复搅深度。施工中出现问题应及时处理、做好记录。
（7）储灰罐容量应不小于一根桩的用灰量加５０ｋｇ，如储量不足时，不得对下一根桩开钻施工。
（8）粉喷桩必须根据试验确定的技术参数进行施工，操作人员应如实记录压力、喷粉量、钻进速度、提升速度、钻入深度及每根桩的钻进时间等，监理人员应随时检查记录情况。
参考文献
[1]荣加敏.粉喷桩在水利泵站地基处理中的应用[J].安徽建筑, 2009年3期.
[2]杜广印,李海涛,刘松.粉喷桩施工过程对桩周土影响机理分析[J].东南大学学报（自然科学版）,2010年4期.
[3]朱甲龙.水利工程粉喷桩复合地基的加固与检测[J].治淮, 2011年9期.
[4]彭建和.粉喷桩复合地基水平荷载传递机理试验研究[J]. 四川建筑科学研究, 2013年4期.
作者简介：石山，大学本科，高级工程师，主要从事水工结构设计。
关键词：粉喷桩；水利泵站；地基处理
一、粉喷桩在水利泵站地基处理中的机理
粉喷桩是利用粉喷桩机将水泥干粉加到软弱地基土中并在原位强制搅拌，通过水泥和土的一系列复杂的物理、化学变化而形成具有整体性、水稳定性和足够强度的水泥土的一种地基处理方法，为深层搅拌桩的一种。
粉喷桩加固地基是利用固化剂与原位土充分混合后,因固化剂吸收周围土层中的水分而发生物理化学反应,使混合桩体凝结硬化,既提高了自身的强度,又稳定了桩周围土层,从而使天然的软土地基改变成优质的复合地基,大大提高了地基的承载能力,对泵站地基处理有着显著作用。
二、工程概况
某泵站是A湖抬高蓄水位影响处理工程重要组成部分，同时在N南水北调工程中也具有举足轻重的地位。站址位于H县城南约4km，场地上部地层主要为第四系冲洪积层，由于水流复杂多变，沉积环境在时间与空间上变化较大，沉积物土性极不均匀，多为粉质壤土、砂壤土、粉细砂等土层，又常常出现互相掺杂、交叉、互层等复杂情况。它们多呈软塑状或流塑状，承载力极低，厚度可深达十几米乃至更深，其特点是高含水量、大孔隙比、高压缩性、低强度等。
三、粉喷桩设计
拟建站区软土工程地质条件差，强度低，属于高压缩性土。经计算发现，在外部荷载作用下，地基将会出现较大沉降变形。
由于软土具有流变性，除了固结应力引起的固结变形之外，在剪应力作用下，土体处于长期变形过程中，沉降稳定的历史比较长。不经过处理基本不能满足实际工程需要。根据设计报告知泵站基础底板主要坐落于3层重、中粉质壤土上，该层地基承载力为130kPa，由于泵房、翼墙基地应力均大于天然地基承载力，地基需加固处理。地基加固措施采用水泥粉体喷射搅拌桩和钻孔灌注桩比较选用。粉喷桩方案造价较省，但长度大于10m以上的桩施工质量难以保证，一些实验参数与实际相差较大；灌注桩虽然造价稍高，但成桩质量好，可靠性强。由于泵房桩基长度较长，故其地基加固措施采用钢筋混凝土灌注桩，其余部分采用水泥粉體喷射搅拌桩。
该泵站的进水翼墙、进水闸、进水池挡墙、泵室、压力水箱、穿堤箱涵及出水口翼墙基础全部采用粉喷桩地基加固处理。共布置桩5226根，设计桩体直径d=500mm，桩长分别为8m、10m，桩体在满足桩长条件下，插入第⑥层重粉质壤土不小于1m。搅拌桩固化剂采用PO．32．5级普通硅酸盐水泥，桩体28d无侧限抗压强度不低于180kPa。复合地基承载特征性，进出口翼墙段为120kPa、泵室段117kPa、压力水箱段83kPa、涵身(I~Ⅱ)段为163kPa、涵身(Ⅳ)段为130kPa，桩体单桩承载力为106kN。
为查明加固效果，对地基加固提供设计依据进行校核，经商定取水泥与软土掺入比为1：6.42，试验结果表明，7 d龄期的无侧限抗压强度为0.3～O.4 MPa，平均为O.3MPa，28 d龄期的无侧限抗压强度为0.6～0.7MPa，平均为0.6 MPa，随龄期的增加水泥土强度有明显提高，水泥土28 d龄期强度是7 d龄期强度的2倍左右，满足规范要求，其强度也满足设计文件单桩1000 kPa的要求。
现场粉喷桩芯压桩试验：正式开工前，打试验桩4根，按设计文件要求，每米水泥喷灰量50 kg，7 d龄期开挖，桩径达500mm以上，锤击桩身坚硬。对28 d龄期桩，按规范要求取桩号O-65、M-16各一组共两组，做无侧限抗压强度，065号桩平均12.5 MPa，M-16号桩平均13.5 MPa，完全达到设计要求加固强度。
四、粉喷桩施工
施工程序为：放线定桩位→钻机就位→钻桩孔至设计深度→边搅拌、喷粉，边提升钻杆→至桩顶以上50cm停止搅拌、喷粉→全程复搅（复喷）一次，提杆至地面→移至下一桩位继续施工。
施工注意事项：
（1）桩长按进入持力层控制,控制钻机下钻深度、喷粉高程及停灰面,确保粉喷桩长度。粉喷桩宜尽量打至持力层上(一般控制为qc=
800kpa),并且进入持力层50cm左右。在施工过程中,桩底设计标高往往与持力层并不一致,施工单位容易出现桩长以设计标高控制的现象,如在桩尖下尚留几米软土,会有较大的工后沉降量,由于排水不畅,预压很长时间也很难稳定。故粉喷桩实际施工桩长应按进入持力层控制。判别是否进入持力层的方法可由钻机钻到最深时的下钻速度和电流表的读数来判定,这两个参数是在工艺试桩时由监理确定,一般是下钻速度0.5m/min,电流值是额定电流值的125%以上。
（2）粉体计量控制
粉喷桩的质量好坏与水泥掺入量的多少及喷粉的均匀性有直接的关系,因此,如何来计量粉体是控制的关键。目前一般较为常用的是电子称重法与钻机深度相结合的计量装置,它能在记录上反映深度、相对应每延米的喷粉量、总灰量等。粉体计量控制主要应注意以下两点:
一是要保证喷粉的均匀性,关键是掌握好钻头的提升速度。对于直径一定的粉喷桩来说,粉体发送器单位时间内水泥的喷出量Q与搅拌轴提升速度可由下式来确定:
Q=π
式中 D——为钻头直径/m；
R——为软土的容重(t/m3)；
S——为水泥掺入比；
V——为钻头提升速度(m/min)
二是从开始喷灰到钻头处出灰有一定时间,钻机钻至桩底后,必须预喷停留一段时间,方可提钻。停留时间由管道长度等确定喷灰时,水泥在管道内的输送速度大约为1m/s,如管道长40m,钻至桩底后即喷粉提钻,则桩底实际少灰长度接近1米,反而搅动破坏了桩底原状软土,使沉降量加大。
（3）当钻头提升至地面以下0.5ｍ时，喷粉机应停止喷粉。当喷粉成桩过程中遇有故障而停止喷粉，在第二次喷粉接桩时，其喷粉重叠长度不得小于１ｍ。
（4）粉喷桩施工时，泵送水泥必须连续，固化材料的用量以及泵送固化材料的时间应有专人记录，其用量误差不得大于±１％。
（5）为保证搅拌机的垂直度，应检查起吊设备的平整度和导向架对地面的垂直度，每工作班检查不少于２次，使垂直度偏差不超过１％。
（6）搅拌机喷粉提升的速度和次数必须符合预定的施工工艺要求，搅拌机每次下沉或提升的时间应有专人记录，深度应达到设计要求，时间误差不得大于５秒。施工前应丈量钻杆长度，并标上明显标志，以便掌握钻入深度，复搅深度。施工中出现问题应及时处理、做好记录。
（7）储灰罐容量应不小于一根桩的用灰量加５０ｋｇ，如储量不足时，不得对下一根桩开钻施工。
（8）粉喷桩必须根据试验确定的技术参数进行施工，操作人员应如实记录压力、喷粉量、钻进速度、提升速度、钻入深度及每根桩的钻进时间等，监理人员应随时检查记录情况。
参考文献
[1]荣加敏.粉喷桩在水利泵站地基处理中的应用[J].安徽建筑, 2009年3期.
[2]杜广印,李海涛,刘松.粉喷桩施工过程对桩周土影响机理分析[J].东南大学学报（自然科学版）,2010年4期.
[3]朱甲龙.水利工程粉喷桩复合地基的加固与检测[J].治淮, 2011年9期.
[4]彭建和.粉喷桩复合地基水平荷载传递机理试验研究[J]. 四川建筑科学研究, 2013年4期.
作者简介：石山，大学本科，高级工程师，主要从事水工结构设计。