旋噴灌漿加固地基的分析

周彬

摘 要：使用旋噴灌漿樁提高承載能力、降低地基沉降，旨在結(jié)合理論分析及現(xiàn)場(chǎng)考察，規(guī)劃完整的設(shè)計(jì)過程。該文在文獻(xiàn)報(bào)道的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行，該文獻(xiàn)指出旋噴灌漿樁能夠?qū)⑤^大的豎直荷載分散至相鄰?fù)寥溃⑶矣捎谄錂M截面突然縮減或與不良的土壤膠結(jié)作用，該處仍可能發(fā)生結(jié)構(gòu)塌陷。為了調(diào)查旋噴灌漿樁及其與周圍土壤之間的力學(xué)作用特性，特別進(jìn)行了足尺試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果關(guān)注以上方面的內(nèi)容。分析的結(jié)果作為數(shù)值方法的基礎(chǔ)，該方法模擬由大量樁支撐的豎向加載筏的變化。使用荷載傳遞曲線方法模擬軸向加載樁的非線性荷載—沉降變化，該方法通常適用于具有不規(guī)則形狀的旋噴灌漿樁。通過考慮樁與上層混凝土筏相互間的作用，進(jìn)一步分析整體加固地基。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)并以概率模型模擬樁性質(zhì)的變化，將其納入帶有統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)的計(jì)算過程。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，能以可接受的破壞概率表示地基的設(shè)計(jì)極限荷載，由于旋噴灌漿過程造成的不確定性可通過試驗(yàn)定量表示，并合理反映在分析過程中。最終，通過將該方法應(yīng)用于實(shí)際工程案例，討論由旋噴灌漿方法加固地基的優(yōu)點(diǎn)以及局限性。

關(guān)鍵詞：旋噴灌漿樁 直徑 強(qiáng)度 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 變異性 概率性分析

中圖分類號(hào)：U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（a）-0-08

將水泥—水混合物快速注入預(yù)先鉆好的鉆孔中以形成類似圓柱的膠結(jié)土樁，旋噴灌漿是廣泛使用的（基于此的流行的）地基處理技術(shù)。在其他可行的應(yīng)用中，地基工程通常使用此技術(shù)作為樁的替代方法，旨在將荷載傳遞至更深、承載力更強(qiáng)的地層。一些情況下，樁互相重疊形成獨(dú)特的膠結(jié)土物質(zhì)，當(dāng)性能要求大大減小沉降并且對(duì)水平荷載有較強(qiáng)抵抗能力時(shí)，該種方法非常有效。然而，最通常的解決方法是采用由大量的鋼筋或鋼管加固的規(guī)則間距樁，旨在形成與樁基礎(chǔ)原理類似的支撐系統(tǒng)。在參考文獻(xiàn)中，提及了在新建建筑物的地基或者已有結(jié)構(gòu)的支撐中應(yīng)用該種加固方法。然而，由于缺少普遍認(rèn)可的準(zhǔn)則，這些地基系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常基于經(jīng)驗(yàn)、目的及過分簡(jiǎn)單的方法而進(jìn)行。事實(shí)上，合理的設(shè)計(jì)過程應(yīng)能夠有足夠準(zhǔn)確度來預(yù)測(cè)樁的尺寸以及其應(yīng)力應(yīng)變特性，并證明已充分考慮不確定性的效應(yīng)。

關(guān)于后者問題，目前依據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)旋噴灌漿提出了不同的方法。日本準(zhǔn)則是將樁直徑及膠結(jié)土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值作為旋噴灌漿系統(tǒng)（兩倍或三倍流動(dòng)性）以及未擾動(dòng)土性質(zhì)（NSPT數(shù)）的函數(shù)，為不同類型的結(jié)構(gòu)設(shè)置了統(tǒng)一的安全因子來應(yīng)對(duì)其加固效果的不確定性。相反，歐洲標(biāo)準(zhǔn)及美國(guó)準(zhǔn)則針對(duì)旋噴灌漿性質(zhì)不推薦代表數(shù)值，但強(qiáng)調(diào)了最初現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及為量化而進(jìn)行的質(zhì)量—控制至質(zhì)量—確保試驗(yàn)的重要性。尤其是ENV12716標(biāo)準(zhǔn)集中評(píng)估了噴旋灌漿特性的變異性以及其對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明，取決于噴注系統(tǒng)與原始土壤性質(zhì)的結(jié)合狀況，樁直徑可從幾分米到超過兩米不等，并且，無約束膠結(jié)土的壓縮強(qiáng)度依據(jù)原始土壤類型及灌漿合成物，從1至20 mPa不等。然而，必須考慮到土壤底層狀況可能非常不均勻，如果采用大的平均值，樁的直徑及強(qiáng)度可能在這些點(diǎn)急劇減少，影響樁的整體抵抗能力。由現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室足尺試驗(yàn)證實(shí)該方面與地基樁變化的相關(guān)性，這些試驗(yàn)有Maertens及Maekelberg進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)軸向加載樁上層部分的突然塌陷遠(yuǎn)在土壤—樁混合物整體破壞之前。

已有幾位作者通過足尺試驗(yàn)研究了地基樁及周圍土壤間的相互作用。一致認(rèn)為，較大荷載將會(huì)從樁側(cè)面?zhèn)鬟f至相鄰?fù)寥馈ａ槍?duì)埋入可移動(dòng)變形測(cè)量計(jì)的旋噴灌漿樁的軸向加載試驗(yàn)表明，極限橫向應(yīng)力比文獻(xiàn)中鉆孔灌注樁的數(shù)值大了約兩倍。Maertens及Maekelberg發(fā)現(xiàn)，同鉆孔灌注樁相比，旋噴灌漿樁較大的位移使其橫向應(yīng)力得到有效分散。

目前，已開發(fā)了程序，以試驗(yàn)定量化上述方面，并將其引入加固地基的設(shè)計(jì)過程。該方法的目的在于，對(duì)處理無明確治理效果的方法，我們通常采用一種合理的過程質(zhì)量控制來實(shí)現(xiàn)。

1 旋噴灌漿樁的性質(zhì)

2 荷載—沉降分析

基于以往的工程案例，Mandolini、Viggiani及Mandolini等人認(rèn)為減少沉降是樁地基設(shè)計(jì)的最重要的要求。過去幾十年中，學(xué)者們花費(fèi)很多精力建立多種分析方法，使能夠模擬加載早期土壤、樁以及筏之間的作用關(guān)系。若將這些方法延伸應(yīng)用至旋噴灌漿樁，需要規(guī)劃具有試驗(yàn)背景的應(yīng)用。

目前，多使用荷載—傳遞曲線方法模擬單個(gè)樁的非線性荷載—沉降變化。通過考慮相鄰樁之間的耦合作用，以及與上層筏的相互作用，將該分析方法擴(kuò)展至整個(gè)加固地基。不同于更高級(jí)以及成熟的方法，優(yōu)先使用了該近似方法，因?yàn)楦锌赡軠p少大量計(jì)算工作量，按要求將大量計(jì)算植入采用的概率分析中。然而，已通過分析有限元（FEM）計(jì)算的試驗(yàn)結(jié)果，校準(zhǔn)該模型中的關(guān)系。

2.1 單根樁

然而，不同樁直徑的范圍，如圖4中陰影部分所示，同理論模型預(yù)測(cè)的漏斗狀函數(shù)有良好的吻合性，且在后續(xù)分析中使用該模型將幾何輪廓延伸至更深土層。通過對(duì)加固樁鉆取的試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，平均試驗(yàn)結(jié)果即得到膠結(jié)土特性。

2.3 加固筏

2.4 概率分析

考慮到旋噴灌漿解決方案的多樣性（基于不同注入?yún)?shù)的單、雙、三個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可被應(yīng)用于幾乎所有土壤種類）以及對(duì)處理效果了解的局限性，無法用確定的方法得到滿意的解析結(jié)果來涵蓋所有情況。該方法中除樁性質(zhì)明確外，其余以全局安全因子控制其不確定性。事實(shí)上，表1及表2中的數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)定義比例因子為變量的最大系數(shù)（如荷載以及抵抗力因子設(shè)計(jì)方法要求），但此定義在所有情況下均太保守，阻礙旋噴灌漿在一些本該有利的情況下的適用。另一方面，有限的案例記載表明并不排除在一些情況下可能有更大的變異性（因此需要減小更多）。

基于上述原因，在相同的工程地點(diǎn)使用最初現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)樁的性質(zhì)（包括其變異性）更為合適。然而，即使在該種有利的情況下，同時(shí)減小地基中所有樁的因子將導(dǎo)致超尺度的處理結(jié)果。除此以外，考慮到樁的變化受幾何及力學(xué)特性影響，且地基加強(qiáng)可能有很多不同布局，仍較難評(píng)價(jià)整個(gè)地基加固的效果，該變化由綜合每個(gè)變量的安全水平所得。

預(yù)測(cè)地基變化時(shí)另一個(gè)不確定性的因素為土壤性質(zhì)的變異性。在建議設(shè)計(jì)過程中，假設(shè)可從下層土調(diào)查得到有意義的數(shù)據(jù)庫，這方面可以通過擴(kuò)展參數(shù)荷載—傳遞曲線（圖 10，等式（3）及（4））策略來解決。另一可行的解決方案為，對(duì)于其他巖土結(jié)構(gòu)，按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即通過衡量試驗(yàn)所得安全因子與規(guī)定值，選擇設(shè)計(jì)土壤性質(zhì)。

2.5 數(shù)值應(yīng)用

通過將建議的算法應(yīng)用于相對(duì)簡(jiǎn)單案例，即筏承受均布荷載由規(guī)則幾列陣樁支撐，可分析旋噴灌漿加固方法的優(yōu)點(diǎn)以及局限性。該種假設(shè)的地基包括直徑為12.6 m的圓形筏，由19根均勻分布于同軸頂點(diǎn)上的樁支撐（12根位于半徑為5.4 m的外圓上，6根位于半徑為2.7 m的內(nèi)接圓上，1根位于中心）。在此設(shè)定的基礎(chǔ)上，筏的可變形性被證明與厚度0.5 m的加固—鋼筋結(jié)構(gòu)無關(guān)，則在計(jì)算中可忽略。當(dāng)然，同樣的位置不能同時(shí)承受非常大以及彈性地基結(jié)構(gòu)。膠結(jié)土的力學(xué)特性，樁的直徑，以及土的特性均被設(shè)置為Bojszowy Nowe現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的平均值。通過假設(shè)CPT端阻力保持10 mPa不變，并采用之前分析中采用的理論模型計(jì)算樁的直徑，將計(jì)算深度擴(kuò)大。

2.6 無變異性樁

3 結(jié)語

盡管越來越多的使用旋噴灌漿方法，但并沒有針對(duì)所有可能結(jié)構(gòu)均有可靠的設(shè)計(jì)過程。尤其是非常需要具體的調(diào)查及理論的分析，以定量化樁的特性并將其與執(zhí)行該設(shè)計(jì)過程相聯(lián)系，評(píng)價(jià)其對(duì)于結(jié)構(gòu)整體力學(xué)變化的作用。根據(jù)旋噴灌漿樁加固地基，該文解決了相關(guān)問題。

通過收集分析有關(guān)旋噴灌漿土壤性質(zhì)的試驗(yàn)結(jié)果得知，不能認(rèn)為樁是理想圓柱體，必須考慮樁的幾何尺寸和力學(xué)性質(zhì)的變異性。通過足尺試驗(yàn)以及有限元分析的結(jié)果，得到這些特性對(duì)于軸向加載樁變化的影響，發(fā)現(xiàn)樁底部的荷載—傳遞機(jī)制同鉆孔灌注樁的機(jī)制類似，但在樁外側(cè)表面的應(yīng)力作用是完全不同的。不同學(xué)者也發(fā)現(xiàn)，旋噴灌注樁側(cè)面?zhèn)鬟f的荷載較大，部分由于同鉆孔樁相比，噴漿過程引起更少周圍土的擾動(dòng)，部分由于樁的不規(guī)則形狀造成。正如其他學(xué)者針對(duì)樁已證實(shí)的，針對(duì)相鄰樁之間力學(xué)作用的三維有限元分析證實(shí)了線性耦合關(guān)系的存在。使用這些結(jié)果校正數(shù)值模型的關(guān)系，以提供加固地基的荷載—沉降變化以及支撐樁內(nèi)部的應(yīng)力分布。假設(shè)將該模型應(yīng)用于由相同跨度樁支撐的圓形筏情況，結(jié)果證明了旋噴灌漿在減少地基沉降方面的效果，并且，樁的坍塌能夠抑制地基性質(zhì)的發(fā)展。實(shí)際上，將樁的最優(yōu)長(zhǎng)度定義為極限長(zhǎng)度，意味著任何超過該范圍的處理深度將是無效的。針對(duì)同一地基的概率計(jì)算表明，樁特性的變異性大大減小了樁的最優(yōu)長(zhǎng)度以及相應(yīng)的極限荷載。通過在新建或已成型樁內(nèi)埋入鋼筋或鋼管可顯著改善其性質(zhì)，當(dāng)樁受水平荷載時(shí)，必須采用該加固方法。

總的來說，該設(shè)計(jì)策略旨在定義一個(gè)邏輯過程，以解決旋噴灌漿結(jié)構(gòu)的安全定義這個(gè)復(fù)雜問題，其中隨機(jī)變量將影響結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。計(jì)算表明，它不能明確定義一個(gè)唯一的安全因子，因?yàn)楸仨氉龇浅１Ｊ氐募僭O(shè)來涵蓋所有情況。并且，若針對(duì)樁直徑及膠結(jié)土強(qiáng)度分別作概率預(yù)測(cè)，將高估兩者變異性的綜合效應(yīng)。該方法主要的優(yōu)點(diǎn)是極限荷載同APF直接相關(guān)，而基于疊加結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)分析可確定APF，并且可通過具體的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)定量統(tǒng)計(jì)旋噴灌漿性質(zhì)的不確定性。從這個(gè)意義上說，該程序代表了歐洲標(biāo)準(zhǔn)（ENV 12716）中說明條款的應(yīng)用。

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