水泥粉喷桩加固原理

加固原理：深层搅拌桩多用于软土层较厚的地基加固处理工程中，其基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程，可通过专用机械设备将固化剂灌入需处理的软土地层内，并在灌注过程中上下搅拌均匀，使水泥与土发生水解和水化反应，生成水泥水化物并形成凝胶体，将土颗粒或小土团凝结在一起形成一种稳定的结构整体，这就是水泥骨架作用，同时，水泥在水化过程中生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子进行离子交换作用，生成稳定的钙离子，从面进一步提高土体的强度，达到提高其复合地基承载力的目的。

加固机理：水泥土的强度机理主要有两个方面的作用，首先是水泥的骨架作用，水泥与饱和软黏土搅拌后，发生水泥的水解和水化反应，生成水泥水化物，形成凝胶体—氢氧化钙，将土颗粒或小土团凝结在一起，形成一种稳定的结构整体。

其次是离子交换作用，水泥在水化过程中，生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子（或钾离子）进行离子交换，生成稳定的钙离子，从而提高土体的强度。

国内外大量的试验及研究表明，水泥与软土拌合后，将发生如下的物理化学反应：1、水泥的水解水化反应。

减少了软土中的含水量，增加土粒间的黏结，水泥与土拌合后，水泥中的硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙以及铁铝四钙等矿物质与土中水发生水解反应，在水中形成各种硅、铁、铝质的水溶胶，土中的CaSO4大量吸水，水解后形成针状结晶体。

2、离子交换与团粒作用。

水泥水解后，溶液中的Ca2+含量增加，与土粒发生阳离子交换作用，等当量置换出K+、Na+，形成软土大的土团粒和水泥土的团粒结构，使水泥土的强度大为提高。

3、硬凝反应。

阳离子交换后，过剩的Ca2+在碱性环境下与SiO2-、Al2O3发生化学反应，形成水稳性的结晶水化物，增大了水泥的强度。

4、碳化反应。

水泥土中的Ca（OH）2与土中或水中CO2化合生成不溶于水的CaCO3，增加了水泥的强度。

水泥与地基土拌和后经上述的化学反应形成坚硬桩体，同时桩间土也有少量的改善，从而构成桩与土复合地基，提高地基承载力，减少了地基的沉降。

二、水泥搅拌桩加固土的物理力学特性
根据冶金研究院、天津市勘察院、铁四院及铁三院的试验研究，水泥加固土的主要物理力学特性如下：
1、物理性质
（1）重度：由于拌入土中的固化材料与孔隙中水的重度相差不大，搅拌中还产生部分土的挤出和隆起，且固化后固化材料本身存在孔隙，因此，在饱和的软土中加固土体的重度与天然土的饱和重度很接近，试验说明固化体重度仅增加3%～5%。

但在非饱和的大孔隙土中，固化体的重度将较天然土的重度增加量要大一些，见表1。

此外，固化料掺合量大时，固化体重度增加幅度也大。

表1水泥土重度表
（2）含水量：水泥加固土含水量略低于原土的含水量，约减少3%～7%，对粉喷桩来言，干粉状水泥的加入使土的塑性状态随之变化，掺入比为7%～15%其塑性状态降低一个等级，即由流塑变为软塑，由软塑变为可塑等，当掺入量大于15%时，塑性状态可以降低1～2个等级。

图1为某场地上部分为粉质黏土水泥掺入比为15%时，不同含水量所休做水泥容重的对比历史最高水平试验，图中显示容重随土的含水量的增加而降低，大体呈线性变化。

水泥粉喷桩施工工艺
1、工艺流程
粉体喷射搅拌桩法的基本施工流程为：首先确认粉喷机主体的位置和搅拌轴的垂直度性，然后边旋转搅拌轴，边钻至加固深度。

此时不喷射加固材料，但是为了不使喷口堵塞，需连续不断喷出压缩空气，钻进到预定加固深度后，边提升边喷射加固材料，
其施工流程详见图2。

图2 施工流程图
3、施工技术要求
（1）施工时严格按设计图纸要求施工，注意桩顶、桩间高程控制，保证制桩质量和长度；
（2）施工时应注意机械传动部位，高压部位、油路、电路经常检查，保证正常工作状态；
（3）钻头入土时应采用1档转速钻进，入土认为无障碍时，根据土层软硬情况，可以提高钻进速度；
（4）钻到设计高程时，应在原位旋转后变速上提，同时进行送粉做到钻杆提升时边喷粉边搅拌，边提升的连续作业法，当提到地面时，应考虑桩顶粉喷孔位置高于钻头尖20cm左右的情况；
（5）施工时垂直偏差不得超过规范要求；
（6）制桩时，不允许有断粉，如发生断粉现象，必须进行补喷，补喷时重叠处的长度不得小于50cm；
（7）为了保证制桩质量，在桩顶高程处以下一定范围内进行复喷一次；
（8）钻头提升到设计桩顶高程时，关闭喷粉机送粉阀门，停止送粉，并继续制桩上提，保证桩在高程处的质量，余灰及钻头至粉喷孔的灰必须制好桩，保证高程以下的桩身质量；
（9）一般使用不低于强度等级为32.5的矿渣硅酸盐水泥,不得用受潮变质的同号水泥;
(10)加料时应控制好材料用量,并做好记录,施工时按实际用量做好记录。

4、施工过程中的质量控制
（1）所用水泥要符合国家规定，对受潮变质不符合设计要求过期水泥一分律不准使用；（2）施工前做好试验桩，确定工艺参数，为大面积施工桩基提供可靠的参数；
（3）控制好桩基垂直度、桩顶高程、桩长等制桩偏差；
（4）对漏喷、断喷的桩必须进行补喷和复喷，复喷的重叠长度符合设计要求；
（5）严格控制制桩时粉喷机的关闭时间，保证桩顶至桩尖的质量，从而确保成桩质量；（6）做好施工记录，交接班时要做交换工作手续，防止脱节；
（7）做好投料记录，以便计算每桩的制桩水泥用量；
（8）经常检查施工记录和水泥用量情况，及粉喷桩的制桩质量；
（9）粉喷桩施工期间随时做好自检工作，各机组定期挖出一定数量的桩头，以检验水泥凝固情况，发现问题现场及时解决；根据开挖情况对一定数量的桩做动力触探，检验桩头强度；现场随时对喷灰量、桩长、桩径、复搅情况、施工记录抽检交流，发现异常有针对性地解决；
（10）工程桩全部完工后进行桩的质量及复合地基承载力测试，以便确定加固效果，经检测合格后才能开槽进行下一道工序施工。

5、施工安全管理
安全是生产的保证，安全是落实技术措施的必要前提。

施工中要注意以下几点：
（1）该机械以电力为主，所以必须注意安全用电，电源进线装好配电和触电保护器，施工时要有电工专人负责。

（2）机械操作人员必须进行岗前安全培训，熟练掌握操作规程和操作程序；
（3）操作人员要集中精力，听从指挥，不能擅自离开操作岗位，当发现问题时做好联系，及进解决；
（4）钻机移机对位时，步履下要平整，钻头离地面高度不得小于15cm，当地面有坑时，要用枕木垫平后行走，确保机械行走安全；
（5）因料斗罐、空气压缩机、压力表等为压力容器，操作人员要熟练掌握压力容器的操作顺序，防止造成高压引起危险。

当遇到高压时必须先切断空气压缩机的电源，打开排气阀和安全阀，降低压力，然后检查压力容器、管道及时处理；
（6）机械发生故障时，先切断电源，关闭空压机，打开气阀，放出管内水泥，确认无电无空气压力后，才能处理发生的故障；
（7）严禁高速转动和运转时挂档，严禁强行挂档。

不能钻进时要及时提钻，防止超负荷钻进造成设备损坏；
（8）钻进时发生卡钻要停止钻进，先提升钻杆后用慢速档试钻，仍不能钻进时，要及时提钻，防止超负荷钻进造成设备损坏；
（9）下班时要把钻机停在坚实平整的地面上或垫实的枕木上，断开电源，收好临时用电线，锁好电箱、料库防止意外发生；
（10）进入工地必须带好安全帽，施工现场要设置施工警戒线。