高壓旋噴樁與CFG樁在巖溶地區(qū)軟土加固中的應(yīng)用

鄧 忠，韋興標(biāo)

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，廣西柳州545006）

高壓旋噴樁與CFG樁在巖溶地區(qū)軟土加固中的應(yīng)用

鄧 忠*，韋興標(biāo)

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，廣西柳州545006）

結(jié)合工程施工實(shí)際情況，介紹在某水泥熟料庫(kù)采用高壓旋噴樁與CFG樁對(duì)庫(kù)內(nèi)新近回填土、耕植土、軟塑狀—可塑狀粉質(zhì)粘土和基巖溶洞、溶溝或溶槽等軟弱地基土進(jìn)行聯(lián)合加固處理；經(jīng)處理后形成的復(fù)合地基土承載力得到大幅度提高，既降低工程成本，又縮短工程施工工期。

CFG樁；高壓旋噴樁；巖溶地區(qū)；軟弱地基土；聯(lián)合加固處理；承載力提高；成本節(jié)約；縮短工期

1 概述

依據(jù)巖土工程地質(zhì)勘察資料，某擬建水泥熟料庫(kù)設(shè)計(jì)直徑?62.00m，場(chǎng)地內(nèi)普遍存在新近回填土、耕植土、軟塑狀—可塑狀粉質(zhì)粘土，且場(chǎng)地內(nèi)巖溶發(fā)育，業(yè)主為降低工程成本和縮短工期，召集有關(guān)專家、勘察、設(shè)計(jì)、總承包等單位參加會(huì)議；會(huì)議提出3種方案：（1）鉆（沖）孔灌注樁方案；（2）高壓旋噴樁加固方案；（3）采用高壓旋噴樁對(duì)基巖以上軟弱地基土進(jìn)行加固處理，同時(shí)采用CFG樁對(duì)基巖中溶洞、溶溝或溶槽等不良地質(zhì)條件進(jìn)行處理。業(yè)主綜合考慮工程成本和工期及水泥熟料庫(kù)承載力要求高等因素，在工程質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，優(yōu)先采用方案（3），即高壓旋噴樁和CFG樁對(duì)本水泥熟料庫(kù)軟弱地基土進(jìn)行加固處理。經(jīng)過3個(gè)月施工，共完成CFG樁132根，累計(jì)成孔進(jìn)尺約3300m，其中基巖1056m，灌注C20混凝土約4200m3；高壓旋噴樁749根，累計(jì)成孔進(jìn)尺約13250m，消耗水泥約1330t；厚30cm褥墊層鋪設(shè)面積約3700m2，共加固處理面積約3700m2。軟弱地基土加固處理完成后，由業(yè)主委托第三方檢測(cè)單位采取靜載試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)；檢測(cè)結(jié)果：復(fù)合地基承載力特征值分別為385kPa、420kPa和400kPa，滿足設(shè)計(jì)復(fù)合地基承載力特征值fak≥350kPa，工程質(zhì)量合格。

2 場(chǎng)地內(nèi)工程地質(zhì)特征與水文地質(zhì)條件

2.1 場(chǎng)地內(nèi)工程地質(zhì)特征

根據(jù)巖土工程地質(zhì)勘察資料，場(chǎng)地地層自上而下為人工填土層（Qml4）、耕植土層（Qpd4）、沖積層（Qal4）、石蹬子組灰?guī)r（C1sh）組成。各巖（土）層特性分述如下：

（1）人工填土層（Qml4）：結(jié)構(gòu)松散，稍濕，主要由人工堆填的粉質(zhì)粘土、紅粘土組成，含少量碎石，遇水易濕陷；層厚0.80～6.80m，平均層厚3.38m；本層為新近回填土，未進(jìn)行強(qiáng)夯或壓實(shí)處理，其結(jié)構(gòu)性差。

（2）耕植土層（Qpd4）：可塑狀，局部松散，富含植物根系；層厚0.20～1.70m，平均層厚0.67m。

（3）軟塑狀粉質(zhì)粘土（Qal4）：軟塑狀，主要由粉粒和粘粒組成，層厚2.10～8.60m，平均4.32m；本層土承載力特征值fak=80kPa。

（4）可塑狀粉質(zhì)粘土（Qal4）：可塑狀，主要由粉粒和粘粒組成，層厚0.50～13.10m，平均2.67m；本層土承載力特征值fak=170kPa。

（5）微風(fēng)化石灰?guī)r（C1sh）：淺—深灰色，微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，局部裂隙稍發(fā)育—極發(fā)育，呈半邊溶蝕。該層場(chǎng)地均有揭露，未揭穿，揭露厚度0.10～8.80m，該層承載力特征值fak=5000kPa。

2.2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地地下水主要由第四系土層中的孔隙水和深部基巖裂隙水組成。

（1）孔隙水：場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水類型為上層潛水類型，主要賦存層位：素填土層、耕植土層含孔隙毛細(xì)水，屬上層滯水；粉質(zhì)粘土層為相對(duì)隔水層；地下水補(bǔ)給主要為大氣降水補(bǔ)給，水力特點(diǎn)為無壓或局部承壓。

（2）基巖裂隙水：場(chǎng)地基巖為微風(fēng)化灰?guī)r，局部風(fēng)化裂隙較發(fā)育，且發(fā)育裂隙水水量局部較豐富，裂隙水具有承壓性。整個(gè)場(chǎng)地基巖巖溶較發(fā)育，溶蝕裂隙及溶洞較發(fā)育，溶洞大多為空洞，個(gè)別充填軟—流塑粘性土及灰?guī)r碎屑、碎塊充填，其連通性較差，地下水水力聯(lián)系較弱。

2.3 場(chǎng)地內(nèi)不良地質(zhì)條件

（1）素填土：場(chǎng)地內(nèi)素填土為新近回填，主要為紅粘土、粉質(zhì)粘土、粘土，其中紅粘土具有遇水、失水易變形，遇高溫易收縮的特性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)充分考慮其不利影響。

（2）軟塑粉質(zhì)粘土：場(chǎng)地內(nèi)出露的粉質(zhì)粘土位于原魚塘底，力學(xué)性質(zhì)較差。

（3）土洞：本次勘察有7個(gè)鉆孔揭露到土洞，遇土洞率為0.04%；洞庭湖內(nèi)填充軟—流塑狀粘性土，鉆探時(shí)稍施壓鉆具下落或鉆具自落。土洞洞頂埋深5.20～16.95m，洞底埋深9.70～31.45m；洞高1.90～14.50m。

（4）溶洞：本次勘察有53個(gè)鉆孔揭露到溶洞，遇溶洞率為29.1%，部分鉆孔有2層或多層溶洞（串珠狀發(fā)育），溶洞多為空洞，個(gè)別內(nèi)充填軟—流塑狀粘性土、灰?guī)r碎石等。溶洞洞頂埋深4.70～38.00，洞底埋深7.80～40.80m；洞高0.40～12.30m，鉆進(jìn)時(shí)均有漏水現(xiàn)象。

3 CFG樁與高壓旋噴樁設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)基本條件

（1）設(shè)計(jì)樁徑：CFG樁徑D=800mm,高壓旋噴樁樁徑D=700mm；

（2）CFG樁樁體混合料抗壓強(qiáng)度為15MPa（C15），CFG樁有效樁長(zhǎng)不小于15m；高壓旋噴樁樁體混合料抗壓強(qiáng)度為10MPa（C10），有效樁長(zhǎng)不小于10m；

（3）褥墊層的設(shè)計(jì)要求：褥墊層的鋪設(shè)厚度為300mm，夯填度不大于0.85。采用等邊三角形布樁。

（4）設(shè)計(jì)要求：CFG樁與高壓旋噴樁處理后形成的復(fù)合地基承載力特征值 fsk≥350kPa。

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)

（1）《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-82）；

（2）《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-94）及本工程巖土工程勘察資料。

3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）初步確定單樁承載力特征值（Ra）

式中：up——樁的周長(zhǎng)，m；

n——樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

qsi——樁周土的側(cè)阻力特征值，因樁端為微風(fēng)化灰?guī)r，端阻力特征值高，土層側(cè)阻力不計(jì)；

qp——樁端端阻力特征值，微風(fēng)化灰?guī)r取4000kPa；

li——第i層土的厚度，m；

Ap——樁的截面積，其中CFG樁 Ap= 0.502656m2，高壓旋噴樁Ap=0.38485m2。

經(jīng)賦值計(jì)算，CFG樁Ra=2010.62kN，高壓旋噴樁Ra=1539.38kN。

（2）驗(yàn)算樁身強(qiáng)度：

式中：fcu——樁體混合料試塊（邊長(zhǎng)150mm立方體）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d立方體抗壓強(qiáng)度平均值，kPa，設(shè)計(jì)樁體混合料抗壓強(qiáng)度為10MPa（C10）。

CFG樁樁身混凝土抗壓強(qiáng)度fcu=15.00MPa時(shí)，樁身砼強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；同理，高壓旋噴樁樁身混凝土抗壓強(qiáng)度fcu=10.00MPa時(shí)，樁身砼強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

（3）確定面積置換率（m）：

由下式確定面積置換率：

式中:fspk——復(fù)合地基承載力特征值，kPa，為350kPa；

m——面積置換率；

Ra——單樁豎向承載力特征值,CFG樁Ra= 2010.62kN，高壓旋噴樁Ra=1539.38kN；

β——樁間土承載力折減系數(shù),β=0.80；

fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa,取60kPa；

經(jīng)計(jì)算得：CFG樁m=6.1%，高壓旋噴樁m= 13.4%。

（4）確定樁間距（s）：

由下式確定樁間距：

式中：d——樁身平均直徑,CFG樁d=0.80m，高壓旋噴樁d=0.70m；

de——一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，CFG樁de=3.24m，高壓旋噴樁de=1.91m。

按等邊三角形布樁時(shí)de=1.05s，因此，CFG樁間距s=3.08m，高壓旋噴樁間距s=1.82m。

4 軟弱地基土加固施工技術(shù)

4.1 CFG樁與高壓旋噴樁加固處理機(jī)理

CFG樁又稱水泥粉煤灰碎石樁，是在碎石樁的基礎(chǔ)上加入一些石屑、粉煤灰和少量水泥，加水?dāng)嚢韬椭瞥傻囊环N具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的樁；而高壓旋噴樁是利用高壓泥漿泵提供的高壓噴射流沖擊破壞土體結(jié)構(gòu)，使水泥漿與土體顆粒得到充分?jǐn)嚢杌旌?，凝固成圓柱狀的固結(jié)體，即高壓旋噴樁。CFG樁和高壓旋噴樁加固軟弱地基土，是利用CFG樁和高壓旋噴樁與樁間土在一起通過褥墊層的作用形成CFG樁和高壓旋噴樁的復(fù)合地基，共同承擔(dān)上部建筑物荷載。即CFG樁和高壓旋噴樁是高粘結(jié)強(qiáng)度樁，是通過褥墊層作用使樁與樁間土形成復(fù)合地基，加固軟弱地基主要通過樁體作用、擠密作用和褥墊層作用，提高軟弱地基的承載力。

4.2 軟弱地基土加固施工順序

本軟弱地基土加固處理是采用高壓旋噴樁對(duì)熟料庫(kù)及其附近范圍內(nèi)基巖面以上的新近回填土、耕植土和軟塑狀粉質(zhì)粘土等軟弱地基土進(jìn)行加固處理，而采用CFG樁對(duì)熟料庫(kù)及其附近范圍內(nèi)溶洞、溶溝或溶槽等地段的軟弱地基土進(jìn)行加固處理，即不僅要基巖面以上的軟弱地基土進(jìn)行加固處理，而且還要對(duì)基巖面以下的溶洞、溶溝或溶槽進(jìn)行加固處理，故加固施工順序是“先施工CFG樁，再施工高壓旋噴樁”。

4.3 加固范圍的確定

該熟料庫(kù)設(shè)計(jì)直徑?64000mm，熟料庫(kù)內(nèi)普遍存在新近回填土、耕植土和軟塑狀粉質(zhì)粘土，為確保熟料庫(kù)地基土的穩(wěn)定性和熟料庫(kù)使用安全，需要對(duì)熟料庫(kù)外擴(kuò)3.00m作為加固范圍，即該熟料庫(kù)軟弱地基土加固范圍是?70000mm。

4.4 CFG樁施工技術(shù)

4.4.1 長(zhǎng)螺旋鉆孔泵壓CFG樁施工工藝流程

長(zhǎng)螺旋鉆孔泵壓CFG樁采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔，泵送混合料成樁技術(shù)，提鉆與成樁同步進(jìn)行，既加快施工進(jìn)度，又能避免水下灌注混合料的缺點(diǎn)，其施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

4.4.2 CFG樁的成孔技術(shù)

（1）測(cè)量放樣,確定樁位：由測(cè)量工程師采用南方355S全站儀進(jìn)行測(cè)量放樣,確定樁位；樁位允許偏差控制在20mm以內(nèi)。

（2）鉆機(jī)就位安裝時(shí)，應(yīng)當(dāng)調(diào)直樁架挺桿與地面的垂直度，對(duì)好樁位，保證樁位中心與鉆具中心在同一直線上，且保證設(shè)備水平、周正、穩(wěn)固，確保在成孔鉆進(jìn)過程中不發(fā)生移位或傾斜；樁架挺桿與地面的垂直度偏差應(yīng)當(dāng)不大于1%。

（3）本工程CFG樁需要鉆穿灰?guī)r溶洞頂板，且溶洞頂板多在1.00～3.00m，故選擇沖孔樁機(jī)進(jìn)行機(jī)械成孔。為確保機(jī)械成孔順利，避免孔壁在新近回填土中坍塌，需要采用鋼護(hù)筒護(hù)壁，鋼護(hù)筒埋設(shè)深度要求進(jìn)入耕植土1.00m以上。

（4）在鉆架上應(yīng)當(dāng)設(shè)置控制鉆孔深度的標(biāo)尺，以利在成孔過程中進(jìn)行觀測(cè)或丈量；在成孔過程中，應(yīng)當(dāng)有成孔記錄，記錄做到及時(shí)、準(zhǔn)確。

（5）當(dāng)鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，攜帶泥漿輸送管的沖擊鉆頭應(yīng)當(dāng)保持在孔底，利用泥漿泵提供泥漿清除孔底殘?jiān)驇r屑，使孔底干凈，然后提鉆泵送CFG混合料。

（6）因場(chǎng)地基巖面起伏較大，鉆機(jī)鉆至基巖面時(shí)，應(yīng)當(dāng)降低鉆進(jìn)速度，避免出現(xiàn)鉆孔偏斜或卡鉆事故。

4.4.3 CFG樁的成樁技術(shù)

（1）當(dāng)鉆孔深度滿足設(shè)計(jì)要求后,在利用泥漿清除樁底殘?jiān)驇r屑的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照試驗(yàn)室提供的配合比進(jìn)行投料攪拌，要求攪拌均勻，和易性好。當(dāng)鉆孔底部的殘?jiān)蛴嗤燎宄蓛艉?，?yīng)當(dāng)及時(shí)泵料提鉆，混合料自孔底而上自致密實(shí)成樁。

（2）樁身混合料的攪拌嚴(yán)格按照試驗(yàn)室提供的配合比進(jìn)行過磅投料,水泥為普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)32.5MPa；碎石粒徑0.5～2.5cm石場(chǎng)生產(chǎn)的碎石；粉煤灰為電廠生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰；混合料坍落度為160～220mm。為提高樁身混合料可泵性和樁身強(qiáng)度，樁身混合料由原來的C15變更為C20，坍落度不變。

（3）灌注過程中，嚴(yán)禁先提鉆后泵料。

（4）灌注過程的連續(xù)性：混合料的供給要求均勻、充足，是保持灌注過程應(yīng)當(dāng)連續(xù)進(jìn)行的基礎(chǔ)。

（5）提鉆速度的控制：提鉆速度要?jiǎng)蛩倏刂?，通常情況下，應(yīng)當(dāng)控制在1.2～1.5m/min，如遇淤泥或淤泥質(zhì)土，提鉆速度應(yīng)適當(dāng)放慢，避免出現(xiàn)樁身縮徑或斷樁等現(xiàn)象。

（6）保護(hù)樁長(zhǎng)的控制：本工程CFG樁樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高至地面標(biāo)高的距離小于0.50m，保護(hù)樁長(zhǎng)控制在30cm左右，上部用土封頂。

4.5 高壓旋噴樁施工技術(shù)

（1）鉆機(jī)設(shè)備就位安裝：鉆機(jī)安放在設(shè)計(jì)樁位上并保持垂直；鉆機(jī)安裝要求水平、周正、穩(wěn)固，施工過程中，鉆機(jī)不得發(fā)生移位或傾斜。

（2）鉆孔：采用GY-100型鉆機(jī)進(jìn)行機(jī)械成孔，采取沖擊取土法進(jìn)行成孔，如遇孔壁坍塌，應(yīng)采取鋼管護(hù)壁；鉆孔開孔直徑：?150mm和?130mm，終孔直徑：?130mm和?110mm；孔深控制：以鉆至基巖面為準(zhǔn)，大部分鉆孔深度在18.0m左右。

（3）插管：當(dāng)鉆孔深度滿足設(shè)計(jì)要求后，應(yīng)將插管及時(shí)插入孔底，并拔出護(hù)壁用鋼管。當(dāng)采取回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法成孔時(shí)，及時(shí)將鉆具提出孔外，并將插管及時(shí)插入地層預(yù)定深度；在插管過程中，為預(yù)防泥砂堵塞噴嘴，可采取邊噴射水、邊插管，但水壓一般不得超過1MPa；如壓力過高，容易造成孔壁坍塌。

（4）噴射施工：當(dāng)噴管插入預(yù)定深度后，開動(dòng)高壓泥漿泵和空壓機(jī)，高壓泥漿泵將攪拌的水泥漿抽送，利用空壓機(jī)提供的壓縮空氣，采取自下而上、二重旋噴法對(duì)軟弱地基土進(jìn)行噴射施工。在噴射施工過程中，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員應(yīng)及時(shí)檢查水泥漿的水灰比、漿液的初凝時(shí)間、注漿流量、風(fēng)量、壓力和提升速度等技術(shù)參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求，并隨時(shí)做好施工記錄。

（5）旋噴技術(shù)參數(shù)控制：旋噴壓力控制在20MPa以上；噴射流量控制在100L/min；鉆機(jī)回轉(zhuǎn)速度控制在20r/min左右；提升速度控制在0.2～0.8m/min；水泥采用普通硅酸鹽水泥，水泥強(qiáng)度等級(jí)為32.5MPa；水泥漿水灰比控制在1∶1左右，其相對(duì)密度為1.50。

（6）沖洗機(jī)具：噴射施工完成后，應(yīng)及時(shí)將泥漿泵、注漿管、高壓膠管和噴嘴等機(jī)具設(shè)備沖洗干凈，管內(nèi)不得殘留水泥漿，否則會(huì)影響下一根旋噴樁噴射作業(yè)，即會(huì)出現(xiàn)管道堵塞等現(xiàn)象。通常情況下，將漿液換成清水，在地面上噴射，直到泥漿泵、注漿管、高壓膠管和噴嘴內(nèi)的水泥漿液全部排除干凈為止。

4.6 褥墊層的施工技術(shù)

在完成CFG樁和高壓旋噴樁施工后，應(yīng)當(dāng)清除樁間土和鑿除樁頭；清除樁間土和鑿除樁頭后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)驗(yàn)樁和驗(yàn)槽。CFG樁和高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力和地基基礎(chǔ)開挖滿足設(shè)計(jì)要求后，應(yīng)當(dāng)及時(shí)施工褥墊層。墊層材料采用級(jí)配良好的碎石中粗砂按照6∶4進(jìn)行拌合。將拌合好的碎石中粗砂進(jìn)行攤鋪，待攤鋪完成后，采用平板振動(dòng)器夯實(shí)至設(shè)計(jì)厚度（300mm）。對(duì)較干的砂石料，攤鋪時(shí)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)灑水再進(jìn)行夯實(shí)；褥墊層的夯填度不大于0.85。

5 施工注意事項(xiàng)

（1）施工順序上，應(yīng)先施工CFG樁，后施工高壓旋噴樁。

（2）在CFG樁施工過程中，樁孔深度應(yīng)鉆穿最后一層溶洞頂板，并保證樁孔鉆至溶洞底板0.50m以上。

（3）在CFG樁澆灌樁身混合料時(shí)，灌漿管應(yīng)保持埋入混合料面以下2.00m以上，因?yàn)樵撌炝蠋?kù)內(nèi)巖土層存在較多溶洞、溶溝或溶槽，灌入樁孔的混合料形成的壓力會(huì)隨樁柱增加而增加，部分混合料會(huì)流入或壓入相鄰溶洞、溶溝或溶槽而形成脫漿。

（4）在高壓旋噴樁施工過程中，須控制鉆孔深度和檢查插管是否插至預(yù)定孔深。

（5）在噴射施工過程中，須控制好旋噴壓力、噴射流量、鉆機(jī)回轉(zhuǎn)速度和提升速度、水泥漿水灰比和水泥漿的初凝時(shí)間，如水泥漿的初凝時(shí)間超過20h，應(yīng)及時(shí)停止使用。

（6）在噴射注漿過程中，應(yīng)注意觀察地面冒漿情況，以便及時(shí)了解地層吸漿情況，噴射注漿效果和噴射技術(shù)參數(shù)是否合理。

（7）褥墊層施工時(shí)，虛鋪后可采取靜力壓實(shí)。當(dāng)樁間土含水量不大時(shí)，可采取夯實(shí)方法進(jìn)行夯實(shí)，但當(dāng)樁間土含水量較高，特別是高靈敏度的土，應(yīng)注意施工擾動(dòng)對(duì)樁間土的影響，避免產(chǎn)生橡皮土。

6 結(jié)束語(yǔ)（1）CFG樁和高壓旋噴樁施工具有施工機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、技術(shù)上可行等優(yōu)點(diǎn)。

（2）CFG樁和高壓旋噴樁復(fù)合地基土不僅僅由CFG樁和高壓旋噴樁來承擔(dān)上部建筑物荷載，還可通過褥墊層的作用，由樁和樁間土形成的復(fù)合地基共同承擔(dān)上部建筑物荷載。

（3）與鉆孔灌注樁相比，CFG樁在樁身混凝土中摻入大量的粉煤灰，且需要的水泥量少，樁身混凝土強(qiáng)度不很高，大大節(jié)約工程材料，降低工程成本；高壓旋噴樁鉆孔直徑小，成孔成樁效率高，旋噴加固效果顯著、施工工期短。

TU473

B

1004-5716(2015)03-0009-05

2014-03-31

鄧忠（1974-），男（瑤族），廣西荔浦人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察與設(shè)計(jì)、地質(zhì)災(zāi)害勘查設(shè)計(jì)、水文地質(zhì)、軟土地基加固、深基坑支護(hù)等施工技術(shù)與管理工作。