噴粉攪拌樁樁體質量檢測方法探討

摘　要：為了確保噴粉攪拌樁樁體的質量，本文在分析和試驗的基礎上，提出采用靜力觸探法(CPT法)結合標準貫入試驗法(SPT法)對噴粉樁工程質量進行檢測和控制。
關鍵詞：噴粉攪拌樁　質量　樁體　檢測　控制

1　引言

　　粉體噴射攪拌法(DJM工法)是深層攪拌加固技術的一種。1967年瑞典BPA公司的Kjeld Paus先生提出了一種采用生石灰粉與原位軟粘土攪拌形成石灰柱的軟土加固法，即"石灰柱法"(Lime Columns Method)，它標志著粉體噴射攪拌技術的問世。1971年瑞典的Linden-Alimat公司根據 Kjeld Paus 的研究成果，在現場用生石灰和軟土攪拌制做了石灰柱，進行了第一次現場試驗，1974年正式取得專利并進入工程實用階段，開創了粉噴技術的新時代。
　?日本在1967年由運輸部港灣技術研究所開始研究石灰攪拌施工機械，1974年開始在軟土地基加固工程中應用，且在施工技術上超越瑞典。研制了兩種施工機械，形成兩種施工方法，一類是使用顆粒狀生石灰的深層石灰攪拌法，即DLM法(Deep Lime Mixing工法)；另一類是噴射攪拌的粉體，且不限于石灰粉末，可使用水泥粉之類干燥的加固材料，稱之為粉體噴射攪拌法，即DJM(Dry Jet Miximg工法)。
　　由于使用的固化劑為干燥霧狀粉體，不再向地基土中注入附加水份，它能充分吸收軟土中的水，對含水量高的軟土加固效果尤為顯著，較其他加固方法輸入的固化劑要少得多，不會出現地表隆起現象。同時，水泥粉等粉體加固料是通過專用設備，用壓縮空氣將粉體噴入地基土中，再通過機械的強制性攪拌將其與軟土充分混合，使軟土硬結，形成具有整體性較強、水穩性較好、有一定強度的柱體，起到加固地基的作用。這種地基處理方法在施工過程中無振動、無污染，對周圍環境無不良影響，近二十年來，在國外得到了廣泛應用。
　　1983年，鐵道部第四勘察設計院引進這項技術，進行了設備研制和生產實踐，1984年在廣東省云浮硫鐵礦鐵路專用線上的軟土地基加固工程中率先使用，后來相繼在武昌、連云港等用于下水道溝槽擋土墻和鐵路涵洞軟基加固，均獲得良好效果。
　　由于噴粉樁加固軟基效果好、速度快，可以最大限度地減少工后沉降，特別是對于減少橋頭跳車現象、減少地基不均勻沉降、防止路堤失穩方面有著其它軟基處理方法無法比擬的優點。因此，近年來在高速公路軟基處理工程中得到廣泛應用，至目前為止，我省在高等級公路上噴粉樁的使用已超過800萬延米。
　　實踐證明，噴粉樁是一種具有很大推廣價值的軟土地基加固技術，這一技術已廣泛應用于鐵路、市政工程、工業民用建筑等的地基礎處理中。然而近來由于噴粉樁復合地基施工質量不易控制，出現事故較多，上海等地相繼暫停該項技術在工民建地基處理中的應用。粉體噴攪法加固軟弱土層中，其設計理論、施工控制技術一直存在爭論。概括起來，在噴粉樁應用領域存在兩類問題：
　　(1)噴粉樁復合地基的設計計算方法，包括其荷載傳遞特性、樁土共同作用理論、沉降計算方法、承載力計算方法等；
　　(2)噴粉樁施工質量控制技術。噴粉樁的施工質量是保證其處理效果的關鍵，由于噴粉樁屬隱蔽工程、"良心"工程，目前還沒有公認的、行之有效的質量控制方法，這是導致噴粉樁處理軟基失效或處理效果不好的主要原因。

2　噴粉樁質量檢測方法綜述

　　由于噴粉樁施工量大面廣，且是隱蔽工程，現有噴粉樁施工機具無法自動地、準確地控制噴粉樁施工質量。因此，如何對噴粉樁施工質量進行檢測，實施噴粉樁施工過程中質量的有效控制，是軟基處理工程沒有解決而迫切需要解決的問題，也是廣大工程技術人員一直在探索和研究的問題。目前噴粉樁質量檢測方法主要有以下幾種：
　　(1)挖樁檢查法是目前軟基設計規范規定的方法，要求按樁總數2%的取樣頻率挖樁檢查樁的成型情況，然后分別在樁頂以下50cm、150cm等部位砍取足尺樁頭，進行無側限抗壓強度試驗。
　　很顯然，該方法只能對樁身上部(2～3m)樁身質量進行比較準確的檢測，而該部分正是噴粉樁施工機械噴灰和復攪最易于保證質量的部分，且該部分往往位于硬殼層內而并非軟土層內，故樁身成型情況及樁體強度一般都不會有問題，而對于噴粉樁易于出問題的下部則無法檢測，故該方法檢測結果毫無代表性，不僅挖樁、砍樁頭工程量大，而且破壞了天然地層，回填困難，據此，該方法弊大利小，不應作為規范推薦的方法。
　　(2)輕便觸探儀觸探法也是規范規定的方法。輕便觸探需在早期進行，一般齡期不能超過5～7d，且輕便觸探探測深度一般不超過4m，故對噴粉樁深層質量無法測定，與第一種方法一樣，測定結果無代表性。因此，作為規范規定的方法，顯然不能滿足工程質量控制的要求。
　　(3)鉆孔取芯法采用地質鉆機對噴粉樁進行全程鉆孔取芯樣(一般齡期28d)，這是目前噴粉樁質量檢測中常用的方法，測定結果能較好地反映噴粉樁的整體質量，但該方法也存在檢測時間長、鉆孔費用高，鉆孔取芯時間一般需在28d以后，難以對噴粉樁質量實施動態控制等問題。故此，考慮到費用、時間方面的因素，只能抽取少量的樁進行鉆孔取芯檢測。
　　(4)靜載試驗法能根據樁承載力的大小定性地確定樁體質量，但由于測試費用較高，每個工程只能抽檢很少數量，故測試結果也無代表性。
　　(5)動測法主要是指小應變動測法，它是基于一維波動理論，利用彈性波的傳播規律來分析樁身完整性。顯然動測法檢測速度快，測試簡單，但國內大量資料表明，噴粉樁樁體強度與波速之間關系離散，樁端阻抗與周圍介質沒有明顯變化，樁底反射不明顯，因而難以用動測法評價樁身質量。
　　以上各種方法各有利弊，但每一種方法都不能快速、有效、經濟地對噴粉樁質量檢測，保證噴粉樁施工質量。本文采用靜力觸探法(CPT法)和標準貫入試驗法(SPT法)對徐連高速公路噴粉樁進行了大量的測試，檢測結果表明，CPT法結合SPT法能較好地評價噴粉樁施工質量，實施對噴粉樁施工過程動態質量控制。

3　CPT法和SPT法檢測方法與測試結果分析

　　噴粉樁樁身質量應包括至少三個方面：樁體強度、攪拌均勻性和樁身長度。采用CPT法能夠快速、經濟、有效地對噴粉樁前期強度或施工時的實時質量進行檢測，便于噴粉樁質量的事先控制。本次試驗對不同齡期，不同的摻灰量，分復攪和不復攪等不同情況，結合鉆孔取芯，對多根噴粉樁進行了對比試驗，試驗結果示于圖1～7。當噴粉樁齡期超過7d時，由于強度增長，采用CPT法已難以試驗，故CPT法只適合于7d齡期以內的噴粉樁質量檢測。對于齡期超過7d的噴粉樁，采用標準貫入試驗法(SPT)能較好地評價樁身質量。

圖1?圖2

圖3?圖4

圖5?圖6

圖7

　　首先，對樁身水泥土強度，可以通過標準貫入擊數N63.5來評定，N63.5與無側限抗壓強度之間的關系已有較為成熟的經驗公式，在本次試驗中也提出了相關公式。實踐表明，該公式能比較客觀地反映樁身水泥土強度。
　　其次，在標準貫入試驗的同時，進行取芯，通過芯樣觀察、描述，可以了解水泥主攪拌均勻性，同時必要時芯樣可送回實驗室，進行抗壓試驗，確定其強度。
　　第三，樁長是決定噴粉樁復合地基加固效果的主要因素之一，通過鉆孔貫入過程，貫穿樁底，可以準確地確定出樁長。
　　采用SPT法對不同齡期、不同的摻灰量，結合鉆孔取芯，對多根噴粉樁進行對比試驗，試驗結果示于圖8～9。
　　根據靜力觸探比貫入阻力Ps和標貫擊數N63.5與鉆孔取芯無測限抗壓強度Qu測試結果，采用數理統計方法可得出以下統計關系：
　　(1)靜力觸探比貫入阻力Ps與無側限抗壓強度Qu之間關系
　　　　Qu=39.3+4.17P?　　　　　　　　　　　　　(7d齡期)
　　(2)標貫擊數N63.5與無側限抗壓強度Qu之間關系
　　　　Qu=17.85+6.8N63.5?　　2≤N63.5≤18 　　　(7d齡期)?
　　　　Qu=268.4+10.6N63.5?　 16≤N63.5?≤30　　(28d齡期)

圖8?圖9

4　結論

　　分析圖1～9曲線及以上相關關系，可以得出以下幾個有價值的結論：
　　(1)CPT法能較好地反映噴粉樁成樁后前期強度的情況，對不同摻灰量、不同齡期的噴粉樁強度以及復攪和不復攪的情況都有明顯的反映，復攪和不復攪相比，其強度可提高60%以上，空攪不噴灰CPT測試結果與原地基土區別不大。因此，CPT法測試曲線也能較好地反映摻灰量的情況。
　　(2)SPT法能較好地反映不同齡期、不同摻灰量對噴粉樁強度的影響，N63.5與Qu之
間有良好的線性關系，采用這一關系能較好地確定噴粉樁28d的強度，以作為設計和檢驗的標準。
　　(3)在目前尚沒有公認的有效且經濟的噴粉樁質量檢測方法的情況下，建議采用CPT法結合SPT法對噴粉樁工程質量進行檢測和控制，在施工過程中采用CPT法，以對噴粉樁質量進行動態控制，防止秋后算賬；而在工程完工驗收時，進行28d齡期的標貫試驗。這樣可以較好地保證噴粉樁施工質量在有效的控制之中，確保噴粉樁處理軟基的效果。