粉喷桩处理软基设计方法及施工质量管理
【盐城市高速公路建设指挥部 盐城 224000】【江苏省交通科学研究院 南京 210017】
摘 要：本文针对目前我省高速公路建设中大量采用粉喷桩处理软土地基的工程实践，从设计方法与施工质量管理两个方面详细阐述了保证粉喷桩工程质量的有效措施，以提高我省粉喷桩处理软土地基的设计与施工水平。
关键词：高速公路 软基处理 粉喷桩 设计 施工
由于我省地处沿海、沿江、江淮之间的水网地区，从已建和在建的1000多km高速公路来看，其70%～80%以上的路基均穿越软土地区。而软基处理得好坏，直接影响到路基的稳定性、整体工程的营运质量及工程的经济性。目前软基的主要处理方法有以下几种：①塑料排水板；②搅拌桩（粉喷桩与深搅桩）；③土工合成材料加筋；④等（超）载预压等。相比之下，由于粉喷桩具有施工周期及预压期短、工后沉降小等特点，在我省高速公路软基处理中得到广泛应用，例如已建成通车的沪宁高速公路江苏段，粉喷桩处理软基工程量达几百万延米，正在建设的江苏“九五”高速公路也使用了一千多万延米的粉喷桩，且大部分已施工完毕。
1 粉喷桩的设计方法及其注意事项
1.1 设计标准
1.1.1 基准期及容许工后沉降
柔性路面设计使用年限为15年，按目前通常的做法，基准期亦为15年，即从开放交通之日起至路面大修日止，所发生的沉降视为工后沉降。其容许值对于一般路段取30cm，涵洞及箱型通道处取20cm，其它人工构造物与路堤毗连处取10cm。
1.1.2 稳定验算的安全系数
稳定验算的安全系数以K≮1.2控制。
1.1.3 加载速率
加载速率关系到路堤在施工中的稳定性，设计采用两种平均速率：粉喷桩处理路段及填高小于极限高度的路段取15cm/d，其余取10cm/d。施工中的速率可根据路堤稳定观测的结果予以调整。
1.1.4 预压期
粉喷桩处理的路段预压期一般采用60d，且一般不需上预压土，预留沉降量静置即可。
1.2 粉喷桩的设计
粉喷桩的桩径一般为50cm，设计的桩长宜穿透软土层并达到持力层内50cm。桩距与路堤的稳定和沉降量有关，最小桩距宜为1.1～1.2m，桩位在平面上呈正三角形（梅花形）或矩形布置。
为改善路堤底面的受力条件，粉喷桩处理段路堤下宜铺设30cm左右石灰土垫层（掺灰量以8%为宜）。
经计算，如涵洞、通道位置工后沉降量大于30cm，则其地基宜采用粉喷桩处理，桩间距宜采用1.1～1.2m。对于工后沉降量小于30cm而大于20cm的位置，则其地基采用土工合成材料加筋配合等载预压进行软基处理。 经计算，如桩基桥台位置工后沉降量大于30cm，则对其台前及台后地基用粉喷桩处理，再施工桩基础及进行台后路基填筑。对于沉降量小于30cm而大于10cm的位置，台前不用粉喷桩处理而直接做桩基，台后则采用土工合成材料加筋配合等载或超载预压进行处理。桥台处粉喷桩距宜采用1.1～1.2m，处理长度不小于5倍桥台高度，设置1/4～1/3长度的过渡段，并以采用桩距逐渐增大的过渡方法为宜。
对于一般路基段，经计算如工后沉降量大于45cm，则宜采用粉喷桩处理软基，桩间距应根据经粉喷桩处理后地基承载力是否满足要求来确定。如工后沉降量小于45cm而大于30cm，则采用土工合成材料加筋配合等载预压进行处理。 用粉喷桩处理路段路堤的预压高度为路槽设计高加预压期沉降量，即预压期末（一般为60d）路槽顶面应沉到设计高，铺筑路面前无需移去预压土方量，仅需整理路槽即可。
1.3 施工观测
1.3.1 沉降观测
1.3.1.1 观测点位的布设
观测点布设在路堤中心（以距离中心线50cm左右为宜）及两侧路肩，一般软土路段每100m布设一观测断面，预压施工高度超过5m的路段上每50m设一观测断面。此外在与跨度超过30m的桩基结构物相邻的两端各设一观测断面，跨度小于30m时仅在一端设置，观测断面宜离开桥头搭板1m左右。所有涵洞（包括箱形通道）处原则上均需设置一组沉降观测点，观测点位于涵背一侧，离涵背约2m处。在粉喷桩一般处理段、过渡段、等（超）载预压段接头处，应在离开接头各10m以外的位置分别设置一组沉降观测点，以观测不同处理方案的沉降差异，距离相近、地质情况一致的可考虑统一布点。在地质情况明显变化的分界线两侧各10m处，应分别布置一组沉降观测点。
1.3.1.2 观测频率
路堤施工期：每填两层观测一次，路堤填高超过极限高度之后，每3d观测一次，直至稳定再转入正常观测。 预压期：第一个月每7d观测一次，第二个月至第三个月每15d观测一次，从第四个月起每一个月观测一次，直到铺筑路面前。 路面结构层施工期：一般分为底基层、基层和面层，各层次的沉降观测每填筑一层至少应观测一次。路面施工结束后，每月观测一次，至交工验收。
1.3.1.3 水准点的设置
水准点应设在不受垂直和水平方向变形影响的坚固的地基或永久建筑物上，宜选择在老路有灌注桩的桥梁上，多年老房子的地坪上或岩石山体等处，其位置应尽量满足观测时不转点的要求，每三个月用路线测设中设置的水准点作为基准点，对设置的临时水准点校核一次。桥梁工程结束时，为了减少沉降观测由地面水准点传递到路面的高差影响，可将地面水准点转测到有灌注桩的桥头耳墙角上。
1.3.2 侧向位移（稳定）观测
1.3.2.1 侧向位移点及其基桩的布设
侧向位移点布设在路堤两侧的坡脚处，基桩必须布设在坡脚外路堤沉降影响范围以外，一般情况下应布设在离坡脚20m以外。观测断面仅在预压施工高度超过5m的路段上设置，纵向间距为50m。
1.3.2.2 观测及其频率
侧向位移桩和基桩设置好以后，采用钢尺量测位移桩与基桩之间的距离，量测钢尺的拉力为5kg，有条件时也可用红外测距仪量测。观测工作在路堤填高超过极限高度时开始，其频率为每天观测一次，直至路堤达到设计的施工标高。
1.4 不稳定状态的判断标准
路堤在填筑过程中，若中心日沉降量达到1.5cm/d，或日侧向位移量达到0.5cm/d时，标志着不稳定状态出现，应立即停止加载。
1.5 路面铺筑前沉降稳定的判断
当连续三个月观测的沉降量平均不超过5mm时，可以卸载并开始路面铺筑工作。
2 粉喷桩的施工质量管理及其注意事项
2.1 施工单位选择
(1)对所有粉喷桩施工单位，各施工标段承包人要先审查其施工资质、信誉和业绩；各承包人将经初步筛选合格的施工单位，形成书面推荐报告，经驻地监理审核后，上报业主，由业主批准后方可进场。
(2)粉喷桩施工设备严禁使用非定型产品或自行改装设备；进场设备必须配备性能良好、能显示钻杆钻进时电流变化的电流表、显示管道压力的压力表和计量水泥喷入量的电子秤或流量计。
2.2 室内配比试验
粉喷桩处理软基的效果如何，很大程度上取决于配比的选择是否适合当地工程地质条件。各施工标段承包人和监理单位在施工前都必须根据设计文件提供的地质资料，选取典型地段钻探取样，按有关规范要求做室内配比试验。
(1)粉喷桩加固料宜采用425#普通硅酸盐水泥，水泥用量按土的天然含水量不同而变化。参考值如下：W土≤50%，水泥用量50kg/m；50%＜W土≤70%时，水泥用量为55kg/m；W土＞ 70%时，水泥用量为60～65kg/m。
(2)加固处理土的强度，应以无侧限抗压强度衡量，试件养护龄期为7d、28d、90d。要求R28≥0.8MPa，R90≥1.2MPa。
2.3 现场工艺性试桩
为了确定各种操作技术参数，粉喷桩施工前施工单位必须考虑到不同的地质情况，根据室内配比进行工艺性试桩，试桩应达到下列要求：
(1)满足设计水泥喷入量的各种技术参数。 钻进速度：参考值V≤1.5m/min；平均提升速度：参考值Vp≤0.8m/min；搅拌速度：参考值R≈30r/min；钻进、复搅与提升时管道压力：0.1MPa≤P≤0.2MPa；喷灰时管道压力：0.25MPa≤P≤0.40MPa。
(2)水泥搅拌的均匀程度，掌握下钻及提升的困难程度，确定合适的技术处理措施。 成桩试验的桩数不宜少于5根。
2.4 现场施工管理
粉喷桩属地下隐蔽工程，其质量控制应贯穿在施工的全过程，并应坚持全方位全过程的施工监理。各施工标段承包人必须对粉喷桩质量、进度负责，每台钻机必须有专人操作。
2.4.1 材料供应
粉喷桩所用水泥不得分包，建议全部由承包人负责统一提供，并按规定经监理验收合格后方可使用。
2.4.2 施工工艺
进行粉喷桩施工的场地，事先应预平整，清除桩位处地面、地下的一切障碍物，如石块、树根等，并进行清表处理。场地低洼时，应先填粘性土，沟塘处需打设粉喷桩，应优先考虑抽水、清淤及整平等。
粉喷桩主要施工工艺为： 粉体喷射搅拌机械就位→预搅下沉→喷粉搅拌提升至离地面0.3m处→重复搅拌下沉→重复搅拌提升直至离地面0.3m→关闭搅拌机械。
2.4.3 加强施工质量管理
要根据工艺试桩确定的各种操作技术参数制定施工要点，供现场操作人遵守。 严格控制钻孔下钻深度、喷粉高程及停灰面，确保粉喷桩长度和喷粉量达到规定要求。深度误差不得大于5cm，水泥损耗量平均不得大于1kg/m。 粉喷桩要穿透软弱土层到达强度相对较高的持力层，并深入硬土层50cm，持力层深度除根据地质资料外，还应根据钻进时电流表的读数值来确定，当钻杆钻进时电流表的读数明显上升，说明已进入硬土层，如能持续50cm以上则说明已进入持力层。
搅拌机每次下沉或提升的时间必须有专人记录，时间误差不得大于5s，提升前要有等待送粉到达桩底的时间，防止出现提升却未喷粉的情况，具体时间随机械类型与送灰管长度而变化。
在桩上部1/3范围内应重复搅拌一次，并且复搅长度不足5m的，按5m施工。特别需要指出的，对于软土天然含水量大于70%的地段，要求复搅长度应贯穿软土层。
钻进提升时管道压力不宜过大，以防钻孔淤泥向孔壁四周挤压形成空洞。
在成桩过程中，如发生意外影响桩身质量时，应在12h内采取补喷措施，补喷重叠长度以不小于1.0m为宜。特别困难时以电流表读数明显变化为准。否则应重新打设，新桩距报废桩的距离不能大于桩距的15%。
对输灰管要经常检查，不得泄漏及堵塞，管道长度以60m左右为宜，不得超过80m。对使用的钻头要定期检查，其直径磨耗量不得大于1cm，但也不宜采用直径过大的钻头（以小于53cm为宜）。
2.4.4 加强粉喷桩的现场监理工作
驻地监理组应制定监理要求供监理和旁站人员遵守，必须全过程进行旁站。驻地监理要排出值班表，责任到人并落实到每台班。当班监理人员应认真对施工记录及材料货单进行检验并及时予以签认，对已完成的粉喷桩必须按规定及时进行严格的质量检测。
2.5 质量检验及验收
2.5.1 质量检测
施工过程中必须随时检查喷灰量、桩长、复搅长度以及是否进入硬土层等，如施工中有异常情况，应记录其处理方法及措施。浅部开挖桩头，其深度宜为50cm，目测检查搅拌的均匀性，量测成桩直径，检查频率宜为1%～2%。粉喷桩施工质量允许偏差应符合规范规定。
2.5.2 验收
成桩28d后，在桩体上部（桩顶以下0.5m、1.0m、1.5m）应截取三段桩体进行现场桩身无侧限抗压强度试验，检查频率为1‰～2‰。必要时由业主安排进行全桩长取芯，以检测粉喷桩的质量。
3 结束语
从我省已建和在建的高速公路来看，粉喷桩处理软土地基是一种行之有效且广泛应用的工艺手段，与其它软基处理手段相比，具有施工方便、工期短、工后沉降小（营运质量高）等显著优点。但从其设计方法及施工质量管理来看，技术难度比较大，如果掌握不好，极易出现偏差，且因其为隐蔽工程，易于留下隐患。但是，只要以科学的态度，严格控制其设计方法及施工质量管理，就一定能得到满意的工程质量。按照省交通厅的规划，“十五”期间我省将再建设1000多公里的高速公路，粉喷桩一定会发挥其应有的作用，并得到广泛应用。