高壓旋噴樁處理濕陷性黃土路基沉陷問題的研究

王 慶 江

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

1 高壓旋噴樁進(jìn)行濕陷性黃土地基病害治理的作用原理

一般意義上解決濕陷性問題都是采用強(qiáng)夯或具有擠密效果的施工工藝，降低地基土的孔隙比，人為加強(qiáng)土體的固結(jié)程度來實(shí)現(xiàn)。而高壓旋噴樁擠密效果較差，其降低地基濕陷性對(duì)上部結(jié)構(gòu)不良影響的作用需要通過三個(gè)作用實(shí)現(xiàn)：一是局部消除作用。即在樁體范圍內(nèi)，利用高壓水泥漿液噴射流切削土體，并與地基土混合攪拌形成一強(qiáng)度較高的柱狀水泥土混合樁體。該混合樁體的濕陷性已完全消除；二是高壓射流擠密作用。高壓水泥漿液噴射流在土體中噴射到射流終期區(qū)域時(shí)，射流能量大幅度衰減，不足以使被沖擊到的土粒剝落，但能對(duì)有效射程的邊界土體產(chǎn)生擠壓作力，從而對(duì)四周土產(chǎn)生壓密作用。在此過程中，部分水泥漿液滲入土粒間空隙，對(duì)樁周土體也產(chǎn)生一定的固結(jié)加密作用；三是托換作用。高壓旋噴樁的樁端穿過濕陷性黃土地基，嵌入下部承載力較高的非濕陷性地基土中，樁頂進(jìn)入人工路基一定深度，與人工路基緊密結(jié)合。這一結(jié)構(gòu)能較好的將上部路面荷載通過樁體傳遞到下部良好的樁端持力層地基土中，從而避開了中間濕陷性黃土地基的濕陷影響。處理后的復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

擬處理的濕陷性地基土(圖1中的h2部分)位于人工堆填的路基(圖1中的h1部分)下部。在路面下布設(shè)一定密度的高壓旋噴樁，在將濕陷性黃土地基進(jìn)行部分置換的同時(shí)，將上部荷載通過旋噴樁樁群傳遞到下面良好地基土上。

2 高壓旋噴樁復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算

如前所述，這一復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)的作用原理基于兩個(gè)層面：一是利用旋噴樁消除部分黃土地基的濕陷性；二是將上部路基及路面荷載直接傳遞到下部良好地基土上。由于施工工藝的局限性，高壓旋噴樁并不能完全的消除濕陷性，因此這一復(fù)合結(jié)構(gòu)的作用主要是通過樁體將上部荷載傳遞到下部較好地基土上的方式實(shí)現(xiàn)(即托換作用)。在計(jì)算中，我們對(duì)濕陷性黃土部分的樁體可以假想其不起作用，或只起有限的作用，在計(jì)算濕陷性黃土地基中的復(fù)合地基承載力時(shí)，施加于該層土上的荷載以其起始?jí)毫榛鶖?shù)，以保證其在受水浸蝕中不發(fā)生濕陷性沉降。大部分荷載通過旋噴樁體傳遞至下部良好地基土上。這一部分承載力計(jì)算主要考慮復(fù)合樁體承載能力及下部良好地基土的復(fù)合承載力。

承載力計(jì)算參照J(rèn)GJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中有粘結(jié)強(qiáng)度的增強(qiáng)體復(fù)合地基承載力計(jì)算公式為：

fspk=λ×m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk

(1)

結(jié)合復(fù)合結(jié)構(gòu)體的承載特征，下面對(duì)式中各個(gè)參數(shù)的取值做一討論。

2.1 高壓旋噴樁的樁體參數(shù)的選擇

高壓旋噴樁處理濕陷性黃土地基主要是靠局部消除和托換作用實(shí)現(xiàn)。局部消除作用依靠高壓噴射的水泥漿液與地基土攪拌形成復(fù)合樁體來實(shí)現(xiàn)。托換作用靠樁群強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。因此確定樁長、樁徑、樁身強(qiáng)度及樁間距時(shí)需綜合考慮其作用特點(diǎn)。

2.1.1樁長的確定

樁長以滿足穿透濕陷性地基土層進(jìn)入下部良好持力層足夠深度為宜。既要滿足單樁承載力要求，同時(shí)滿足樁群托換體的整體穩(wěn)定性要求。故進(jìn)入持力層部分的樁長不應(yīng)小于5倍樁徑或不小于有效樁長的1/3，具體選擇時(shí)視持力層埋深及濕陷性地基土厚度確定。當(dāng)持力層埋深較深，上部濕陷性地基土較厚時(shí)，相對(duì)設(shè)計(jì)樁長比較長，則可按5倍樁徑考慮；如濕陷性地基土厚度較小，相對(duì)持力層埋深較淺時(shí)，相對(duì)設(shè)計(jì)樁長較短，則可按1/3樁長確定。

2.1.2樁徑的確定

樁徑的選擇既要考慮施工工藝的特點(diǎn)，也要考慮地層特點(diǎn)。一般單管高壓旋噴樁在一般軟土地區(qū)成樁徑在600左右。由于濕陷性黃土地區(qū)地基土在無水狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度較高，單管工藝施工時(shí)即使在采用最高泵壓情況下樁徑也難以達(dá)到600。雙管或三重管雖然成樁直徑較大，但造價(jià)高，且工藝復(fù)雜，不適用于此類工程。因此樁徑選擇小一些為宜，選擇單管高噴施工工藝時(shí)設(shè)計(jì)樁徑最好選擇300～500之間，工程現(xiàn)場(chǎng)可通過實(shí)際試噴確定。

2.1.3樁身強(qiáng)度的確定

樁身強(qiáng)度直接影響復(fù)合結(jié)構(gòu)體的整體剛度，同時(shí)又是校驗(yàn)單樁承載力的依據(jù)，通常單樁承載力不超過0.2倍～0.25倍的設(shè)計(jì)樁身強(qiáng)度。一般樁身強(qiáng)度的確定主要考慮在滿足單樁承載力校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，盡量取低值，以提高經(jīng)濟(jì)性。樁身強(qiáng)度主要受水泥摻入量、天然地基土性質(zhì)及含水量、有機(jī)質(zhì)含量、齡期影響。具體各因素與水泥土強(qiáng)度的關(guān)系前人早有很深入的研究，通常高壓旋噴樁設(shè)計(jì)水泥摻入量為20%。試驗(yàn)證明，在粘性土地基中，水泥摻入比在20%時(shí)，水泥土混合體的28 d強(qiáng)度值大約在2 000 kPa～2 500 kPa，而當(dāng)水泥土混合體強(qiáng)度值大于2 000 kPa時(shí)，在受到極限外力作用時(shí)，水泥土混合體會(huì)很快出現(xiàn)脆性破壞，對(duì)工程不利。

2.2 樁間距的確定

通常樁間距根據(jù)置換率與樁間距的關(guān)系計(jì)算求得。置換率可用式(1)反算求得，計(jì)算時(shí)，復(fù)合地基承載力fspk根據(jù)基底準(zhǔn)永久荷載確定；單樁承載力Ra通過計(jì)算求得，計(jì)算時(shí)考慮濕陷性黃土地基浸水承載力降低，在具有濕陷性地基土中的部分樁體計(jì)算單樁承載力時(shí)樁的側(cè)摩阻力按天然側(cè)阻的50%取值。其他參數(shù)均為已知數(shù)，代入式(1)即可解出置換率m。

置換率與樁的直徑及樁間的關(guān)系可用下式表示：

其中，d為平均樁直徑；de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，其值取決于布樁形式與樁間距s的大小，在等邊三角形布樁中de=1.05s，正方形布樁中de=1.13s，矩形布樁中de=1.13√(s1×s2),式中s1,s2分別為縱向間距和橫向間距。

置換率與樁間距成反比，置換率越大，樁間距越小。在JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中，根據(jù)不同成孔工藝及樁型特點(diǎn)對(duì)樁間距給出了一些經(jīng)驗(yàn)性的建議，如對(duì)擠密灰土樁的樁間距建議值為2倍～3倍的樁徑，夯實(shí)水泥土樁建議值為2倍～4倍，CFG樁根據(jù)擠土與非擠土成孔工藝的不同，建議值為3倍～6倍和3倍～5倍樁徑。而對(duì)于高壓旋噴工藝施工的樁間距沒有給明確參考值，常規(guī)設(shè)計(jì)中樁間距多以2倍～3倍的樁徑為參考。但在處理濕陷性黃土地基的設(shè)計(jì)中，因復(fù)合地基的承載力的組成中有意降低了樁間土的作用，所以樁間距在滿足成樁工藝的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)建議采用密集布樁原則，可以提高高壓旋噴樁對(duì)樁周土的擠密效果，同時(shí)加大樁在樁土復(fù)合體中的作用，從而減少殘留濕陷性樁間土的不良作用。

2.3 處理后的濕陷性黃土地基復(fù)合承載力驗(yàn)算

計(jì)算樁長l=h1+h2；樁徑R為旋噴樁樁徑，通常單管旋噴樁取300 mm～500 mm，或參考現(xiàn)場(chǎng)試樁數(shù)據(jù)取值；fsk為天然地基土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，因濕陷性黃土地基浸水飽和后承載力會(huì)大幅下降的，計(jì)算時(shí)可取實(shí)際值的60%～80%；樁間土發(fā)揮系數(shù)β一般取0.75～0.9，實(shí)際限值時(shí)應(yīng)取低值，以抵消殘存濕陷性對(duì)復(fù)合地基承載力的影響；單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ一般取值為0.70～1.0，在本應(yīng)用中因復(fù)合地基承載力主要以單樁作用為主，取值時(shí)應(yīng)取高值。

3 案例分析

福銀高速黃土高原地區(qū)的某段，因路基下濕陷性黃土受周邊農(nóng)田灌溉及自然降水作用，引發(fā)大規(guī)模濕陷性沉陷，造成路面凹凸不平，給正常行車帶來嚴(yán)重隱患。早期采用路面修補(bǔ)措施進(jìn)行過處理，2008年—2013年間統(tǒng)計(jì)顯示，每年加鋪厚度達(dá)15 cm，最大達(dá)30 cm，但一直不能解決問題。2014年對(duì)路基進(jìn)行補(bǔ)充勘察，結(jié)果顯示地基土濕陷性很嚴(yán)重，大多為非自重濕陷，部分自重濕陷。鑒于這一情況研究決定采用高壓旋噴樁對(duì)病害段濕陷性地基進(jìn)行處理。

需處理的病害路基長度總計(jì)達(dá)50多千米。共設(shè)計(jì)高壓旋噴樁160多萬延米，樁長10 m～15 m，初步設(shè)計(jì)樁徑考慮為600。樁間距為1.5 m～2.0 m。設(shè)計(jì)水泥摻入量為20%，每米水泥用量為180 kg～200 kg，樁身水泥土28 d強(qiáng)度不小于1.5 MPa。

施工前在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試噴試驗(yàn)，試噴樁長10 m，噴漿壓力20 MPa～40 MPa，噴漿嘴直徑2 mm～3 mm。于延線不同地段分別選點(diǎn)試驗(yàn)，最終試驗(yàn)結(jié)果如下：1)試噴樁樁徑為350～620，樁徑隨地層土質(zhì)強(qiáng)度呈反向變化；2)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)實(shí)際水泥摻入量最多每米能摻入140 kg～160 kg，即使調(diào)到最高噴漿壓力，水泥摻入量在達(dá)到160 kg/m后，也很難再提高；3)樁身水泥土28 d強(qiáng)度大于1.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)結(jié)果分析：由于西北黃土高原地區(qū)長年干旱少雨，造成地基土中含水量很低，一般小于20%。天然條件下強(qiáng)度較高。因此在高壓旋噴樁噴射成樁時(shí)，高壓射流在強(qiáng)度較高的土層中切削半徑減小導(dǎo)致樁徑減小，同時(shí)引起水泥摻入量實(shí)際值比設(shè)計(jì)值減少。但單位體積土中水泥摻入量并未降低，故此水泥土混合體強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。

鑒于以上試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)原設(shè)計(jì)及時(shí)進(jìn)行了調(diào)整，平均計(jì)算樁徑調(diào)整為450 mm，樁間距調(diào)整為1.2 m～1.5 m。樁長按原設(shè)計(jì)樁長。

整個(gè)工程工期3個(gè)月，完工通車后，運(yùn)行一年后效果良好，未再出現(xiàn)明顯路面沉陷現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1] JGJ 79—2012,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 曾國煕,盧肇鈞,蔣國澄,等.地基處理手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3] 《巖土工程施工方法》編寫組.巖土工程施工方法[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[4] DB13(J)/T 123—2011,長螺旋鉆孔泵壓混凝土樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程[S].