高壓旋噴樁在巖土工程地基加固中的應(yīng)用探究

曾申

（廣東省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊，廣東 韶關(guān) 512026）

1 高壓旋噴樁成樁機(jī)理與加固機(jī)理

高壓旋噴樁是將水泥漿液利用高壓噴嘴噴射切割地下土體并與之混合，以此形成連續(xù)搭接的水泥加固體，主要分為單管法、二重管法、三重管法和多重管法；適用于粉土、砂土、黃土、淤泥、淤泥質(zhì)土、人工填土、粘性土以及強(qiáng)風(fēng)化巖等軟弱夾層或松散地層。其綜合加固處理效應(yīng)與土的孔隙度、滲透系數(shù)密切相關(guān)，孔隙度、滲透系數(shù)越大，處理范圍越廣，加固效果越好。通常情況下單管法和雙重管法主要用于地基加固，雙管和三重管法在帷幕防滲止水應(yīng)用較廣。

1.1 成樁機(jī)理

土體在高壓噴射流的連續(xù)沖切作用下，其狀態(tài)由整體轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮?，同時通過水泥漿液（固化劑）的高壓噴射，并以一定的轉(zhuǎn)速邊旋轉(zhuǎn)邊緩慢提升，其中被切削下來的一部分細(xì)小土粒被漿液置換發(fā)生升揚(yáng)置換作用，以泥漿形式隨液流被帶到地面，其余土顆粒則在重力、離心力與噴射壓力的共同作用下按質(zhì)量大小重新排列（小顆粒居于中間，大顆粒居于外緣），并與水泥漿液攪拌混合后在橫斷面上形成一種新型的水泥—土網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)旋噴體。在土體與水泥漿液經(jīng)過一系列的水化作用與物理、化學(xué)反應(yīng)后，旋噴體在一定時間后最終形成滲透小、強(qiáng)度高的固結(jié)體—旋噴樁。

1.2 加固機(jī)理

在經(jīng)過成樁工藝形成旋噴體后，水泥漿液與土顆?；旌蠣顟B(tài)下，附著于水泥顆粒表面的礦物與土顆粒中的水分很快會發(fā)生水解與水化反應(yīng)形成各種水化物。在這些水化物中，部分在硬化作用下形成水泥石骨料，部分則與周圍土顆粒（具有一定活性）通過離子交換作用，使小顆粒土粒團(tuán)結(jié)成大團(tuán)粒，從而在凝硬反應(yīng)下逐漸生成穩(wěn)定的結(jié)晶化合物，并且該化合物遇水不溶，最終達(dá)到提升水泥土強(qiáng)度的目的。與此同時，水泥水化物中處于游離狀態(tài)的Ca(OH)2通過對空氣與水中CO2的吸收，經(jīng)過碳酸化反應(yīng)生成難溶于水的無機(jī)化合物CaCO3，同樣也使水泥土的強(qiáng)度得到了提升。

2 高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力計算理論

高壓旋噴樁單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值與復(fù)合地基承載力特征值最終應(yīng)通過荷載試驗確定，初步設(shè)計可按下列公式估算。

（1）單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值Ra（kN）。

二者比較，取最小值。

式中：Ap為樁身截面積，㎡；up為樁周長，m；η 為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)；fcu為樁立方體試塊（邊長70.7mm）標(biāo)養(yǎng)28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；d 為樁身平均直徑，m；n 為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；li為樁周第i 層土的厚度；qsi為樁側(cè)第i 層土的極限側(cè)阻力特征值，kPa；ap樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)；qp為樁端天然地基承載力特征值，kPa。

（2）復(fù)合地基承載力特征值fspk（kPa）。

式中：Ap為樁身截面積，㎡；β 樁間土承載力折減系數(shù)；fsk為樁間土承載力特征值，kPa；m 為面積置換率，m=d2/de2，其中：d 為樁身直徑，m；de為單樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，m。

3 高壓旋噴樁成樁技術(shù)要求

（1）旋噴機(jī)（或鉆機(jī)）就位應(yīng)平穩(wěn)牢固，轉(zhuǎn)盤（或立軸）與孔位對正，傾角誤差≤0.5°（有特殊要求比如斜樁、水平樁、仰角樁型除外）。

（2）檢查管路系統(tǒng)（密封圈良好，各通道與噴嘴內(nèi)干凈無粗顆粒雜物）與高壓設(shè)備，確保設(shè)備排量與壓力滿足實際需求。

（3）開始噴射注漿時，待估算水泥漿的前峰已流出噴嘴后，方可旋轉(zhuǎn)并提升注漿管；鉆進(jìn)過程中，采用清水旋噴成孔，當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)至距離樁底標(biāo)高1m 后，需座噴1min 并待孔口返漿后，再以一定轉(zhuǎn)速和提升速度自下而上噴射注漿。

（4）開始噴射注漿的孔段要與前段搭接長度不少于0.2m，防止固結(jié)體脫節(jié)；如果在噴射注漿過程中出現(xiàn)噴嘴堵塞現(xiàn)象，或鉆機(jī)及高壓泵等出現(xiàn)故障而被迫停機(jī)時，停噴時間不應(yīng)超過4h。

（5）噴射注漿作業(yè)后，由于漿液析水作用，一般均有不同程度收縮，使固結(jié)體頂部出現(xiàn)凹穴。為防止樁頂收縮，應(yīng)采用返漿回灌或用水灰比為0.6～1.0 的水泥漿進(jìn)行補(bǔ)灌。

（6）為了加大固結(jié)體尺寸，或?qū)ι顚佑餐翞榱吮苊夤探Y(jié)體尺寸減小，可以采用提高噴射壓力或降低回轉(zhuǎn)與提升速度等措施，也可采用復(fù)噴工藝。

（7）為防出現(xiàn)串孔現(xiàn)象，旋噴樁應(yīng)間跳或隔排施工。

（8）漿液配制時，水泥按量使用，水量以計量桶控制。經(jīng)常抽查單樁水泥用量，嚴(yán)格執(zhí)行單樁用漿量和設(shè)計水灰比。水泥漿至少攪拌3min，且必須攪拌均勻，制成的漿液經(jīng)篩網(wǎng)過濾，清除雜質(zhì)后才能使用。當(dāng)受某種原因使配制的水泥漿停留時間超過3h（視為已初凝）時，禁止使用，應(yīng)作廢漿處理掉。

4 高壓旋噴樁在地基加固中的應(yīng)用

4.1 工程概況

某在建大樓位于廣東省清遠(yuǎn)市高新區(qū)，建設(shè)總體占 地 面 積21378.97 ㎡，主 要 建 筑 物 由3 幢29～32 層住宅樓與若干附屬建筑以地下2 層停車庫組成，其中住宅樓采用筏板基礎(chǔ)，附屬建筑與地下車庫采用獨立柱加抗浮板基礎(chǔ)，設(shè)計地基承載力特征值fspk不小于500kPa，壓縮模量ES 不小于30MPa?；娱_挖后經(jīng)地質(zhì)鉆探取樣，基底地基土由上至下組成為：①粉土：層厚1.1～1.8m，fk=150kPa（地基承載力特征值）；②粉細(xì)砂層：層厚0.4～3.6m，fk=70kPa；③松散卵石： 層 厚0.6～3.4m，fk=180kPa，Pqk=1500kPa（ 極限端承力標(biāo)準(zhǔn)值）；④稍密卵石：層厚0.8～3.1m，fk=300kPa，Pqk=2500kPa； ⑤中 密 卵 石： 層 厚0.7～3.9m，fk=500kPa，Pqk=3500kPa；⑥密實卵石：層厚0.7～2.1m，fk=650kPa，Pqk=5000kPa。顯然，天然地基承載力無法滿足設(shè)計要求，為提升建筑地基承載力，保證建筑物穩(wěn)定性，經(jīng)綜合分析，擬采用高壓旋噴法實施地基加固。

4.2 高壓旋噴樁地基設(shè)計

（1）樁長確定。結(jié)合地質(zhì)鉆探資料，本工程高壓旋噴樁設(shè)計最小樁長應(yīng)自基礎(chǔ)地面起算至稍密卵石～密實卵石持力層，同時包含0.5m 的嵌入深度與0.3m 的保護(hù)樁長。

（2）樁徑確定。由于本單位對MG——150 型履帶式旋噴鉆機(jī)使用較多且經(jīng)驗豐富，因此設(shè)計樁徑確定為該設(shè)備對應(yīng)的直徑d=60cm。

（3）參數(shù)選?。ㄓ嬎悖８鶕?jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79－2002）、地勘資料以及地基設(shè)計要求，本設(shè)計方案fsk取值140kPa；fcu取值15000kPa；計算Ap=0.283 ㎡，up=1.884m；β 取值0.40；qp按最不利地段考慮，取值稍密卵石層極限端承力標(biāo)準(zhǔn)值的一半，即qp=1250kPa；qsi按不同地層取值，粉土取25kPa，粉細(xì)砂取30kPa，松散卵石取35kPa，稍密卵石取50kPa；η 取值0.33。

（4） 樁 間 距、 面 積 置 換 率（ 理 論） 計算。 由 上 式（1） 計 算Ra=0.33×15000×0.283 =1400.85kN；由上式（2）計算Ra=1.884×(25×0.2+30×1.5+35×1.2+50×0.5)+1×1250×0.283=574.1 8kN；綜合考慮Ra 按570kN 取值。現(xiàn)將Ra=570kN與fspk=500kPa 代 入 上 式（3）， 求 得m=0.2267； 再由m=d2/de2de=1.26m；以正三角形布置樁位，由de=1.05S（S 為樁間距）得S=1.2m，以此作為施工間距的控制。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79—2012）的規(guī)定，處理后的復(fù)合地基Es（壓縮模量）為該地基Es2 的ξ 倍，根據(jù)施工經(jīng)驗，處理后的樁間土壓縮模量Es2 可取10.0MPa，而ξ 可由下式求得：

ξ=fspk/fsk=500÷140=3.57。

故復(fù)合地基Es=ξ·Es2=3.57×10.0=35.7MPa ＞30MPa，滿足設(shè)計要求。

4.3 高壓旋噴樁施工

（1）施工流程。樁孔定位→鉆機(jī)就位→鉆孔→插管→噴射作業(yè)→孔口補(bǔ)漿→注漿管沖洗→鉆機(jī)移位→漿體養(yǎng)護(hù)。

（2）施工參數(shù)。為確保成樁質(zhì)量，經(jīng)過試樁工藝后，本工程采用雙重管高壓旋噴樁工藝，技術(shù)參數(shù)如下：①水泥漿流量為60～70L/min，噴射壓力為25～30MPa；②空壓機(jī)流量3m3/min，壓力0.6～0.7MPa；③水泥采用42.5R 普通硅酸鹽水泥，水灰比1：1，用量不少于200kg/m；④旋轉(zhuǎn)速度12～18r/min；⑤提升速度18～23cm/min。

4.4 承載力檢測

以現(xiàn)場靜載試驗分別檢測單樁與復(fù)合地基承載力值，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79—2012）的規(guī)定，高壓旋噴樁復(fù)合地基應(yīng)在成樁28d 進(jìn)行檢測，檢測點為總樁數(shù)的0.5%～1%，并且每項單體工程不少于3 個點。

5 結(jié)語

通過檢測，本工程高壓旋噴樁單樁承載力最小值為570kN，平均值為574kN，復(fù)合地基承載力最小值為503kPa，平均值為507kPa，壓縮模量大于30MPa，達(dá)到了設(shè)計文件對地基承載力與變形的要求。