高壓旋噴樁在軟基處理中的應(yīng)用研究

孔 紀(jì)

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300310)

路基是鐵路工程結(jié)構(gòu)的主要組成部分，路基缺陷對(duì)鐵路工程的使用質(zhì)量、使用壽命、列車行駛的安全性等方面都有非常嚴(yán)重的影響。鐵路工程里程較大，在基礎(chǔ)施工中難免會(huì)遇到軟基問(wèn)題，高壓旋噴樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、可塑性黏性土、素填土等軟基中。主要原理是通過(guò)高壓水流切割技術(shù)，對(duì)土體進(jìn)行充分切割，促使土體和漿液充分混合形成旋噴樁，并和周圍的土體形成復(fù)合地基，提升地基的承載力和穩(wěn)定性。具有施工機(jī)具簡(jiǎn)單、施工速度快、噪音小的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在軟基處理中。

一、工程概述

DK436+600～DK437+010段路基基底巖溶動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中DK436+832（5號(hào)溶槽）處基底揭示溶槽內(nèi)的剩余充填物采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固。旋噴樁樁直徑0.5m，正三角形布置，樁間距1.2m，鉆至持力層，要求試塊（邊長(zhǎng)70.7mm立方體）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28天立方體抗壓強(qiáng)度平均值不小于4.0MPa，直徑0.5m旋噴樁最小水泥用量不小于310kg/m。要求進(jìn)行單樁或復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，且單樁承載力不小于180kN或復(fù)合地基承載力不小于250kPa。

二、高壓旋噴樁成樁機(jī)理

就高壓旋樁施工原理和結(jié)構(gòu)特性而言，其成樁機(jī)理主要包括以下五種作用：

第一種是高壓旋噴嘴射出的水流快速切割四周土體，破壞土質(zhì)結(jié)構(gòu)形成比較松軟且含有一定水分的土質(zhì)，和水泥漿液充分混合，凝固后形成具有一定強(qiáng)度和硬度新地基。

第二種是混合攪拌作用，鉆桿在實(shí)際提升過(guò)程中，還會(huì)對(duì)四周土體進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，促使土體和水泥漿液的進(jìn)一步混合，在噴嘴沖擊力影響下，促使四周的土粒向著噴嘴的反方向移動(dòng)，和水泥漿液充分混合攪拌成新的樁體結(jié)構(gòu)。

第三種是高速水流在不斷切割四周土壤的同時(shí)形成的，壓縮空氣會(huì)把部分土粒排出地上，為水泥漿液的補(bǔ)充提供充裕的空間。

第四種是填充和滲透，這一點(diǎn)也是高壓旋噴樁適用于軟土地基處理的主要源原因之一，水泥漿液會(huì)填充土層所有的空隙，并滲透到鉆孔四周，提升軟土地基的密度和承載力。

第五種是密壓。高壓噴射流除了具有切割土體的作用之外，還能對(duì)周圍的土層進(jìn)行密壓處理，進(jìn)一步提升樁體的強(qiáng)度，并形成具有擋水功能的結(jié)構(gòu)，避免四周水分侵蝕樁基(旋噴樁固結(jié)示意圖如圖1所示)。

圖1 旋噴樁固結(jié)示意圖

三、高壓旋噴樁在軟基處理中的應(yīng)用

（一）施工參數(shù)選擇

高壓旋噴樁在具體應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)噴射方法的不同，高壓旋噴注漿可為三大類：第一類是單管旋噴法；第二類是二重管旋噴法，第三類三重管旋噴法。就案例工程而言，這三種方法的具體施工參數(shù)如下：

1.單重管法：本工程軟土地基處理中幾乎60%的旋噴樁由單重管旋噴完成，其施工參數(shù)為：漿液壓力在20Mpa～40MPa之間，漿液的比重為1.30～1.50間，旋噴速度為每分鐘20轉(zhuǎn)，為確保施工質(zhì)量，鉆桿提升速度要控制在0.25m/min左右，噴嘴的直徑為2～3m。

2.二重管旋噴：除空氣壓力在0.7～0.8MP間，其他施工參數(shù)和單重管法基本相同。

3.三重管旋噴：注漿壓力比較小，只在0.2～0.8MPa之間，但漿液比重比較大，在1.60～1.80，高壓水壓力在40MPa之間，其他參數(shù)和單重管法基本相同。

（二）加固直徑的確定

高壓旋噴樁的直徑和土質(zhì)、土體強(qiáng)度、噴射壓力、流量、提升速度、漿液稠度等因素有直接關(guān)系，具體影響關(guān)系為：高壓旋噴樁的直徑和噴射壓力及噴嘴直徑成正比，直徑越大，噴嘴壓力和噴嘴直徑越大；高壓旋噴樁的直徑和提升速度、土體強(qiáng)度、漿液稠度成反比，直徑越大提升速度、土體強(qiáng)度、漿液稠度越小。

（三）漿量的確定

在確定漿量時(shí)常用的方法有兩種:

通過(guò)上述兩種方式都可以計(jì)算出高壓旋噴樁時(shí)對(duì)漿量的實(shí)際數(shù)值，但計(jì)算方法不同，得到的結(jié)果有一定的差異，為滿足實(shí)際需求，要選擇較大的數(shù)值作為最終的噴漿量。本工程軟基處理，漿液的水灰比為1∶2，則通過(guò)噴漿量和水灰比就可以計(jì)算出水泥的施工使用量。

（四）復(fù)合地基承載力確定

（五）嚴(yán)格施工工藝進(jìn)行施工

1.鉆機(jī)定位。將鉆機(jī)移動(dòng)到指定的位置，鉆頭對(duì)準(zhǔn)鉆孔的中心位置，誤差控制在2～4mm，鉆桿的垂直度偏差控制在1.5%以下，并且鉆機(jī)的位置進(jìn)行重復(fù)校驗(yàn)，確認(rèn)無(wú)誤后先進(jìn)在0.5MPa的低壓試操作，檢查噴嘴是否流暢，壓力、流量等參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.泥漿制備。泥漿性質(zhì)直接決定了高壓旋噴樁施工的總體質(zhì)量，通過(guò)多次試驗(yàn)確定泥漿配比，將水加入桶中，再加入適量的水泥和外加劑，通過(guò)專用的攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢柚С?5min左右，然后打開(kāi)攪拌桶底部的閥門，放入孔徑為0.8mm的篩網(wǎng)中進(jìn)行過(guò)濾，流入準(zhǔn)備好的漿液池中備用。

3.鉆孔。為提升鉆孔的垂直度和孔壁的穩(wěn)定性，采用鉆孔機(jī)進(jìn)行預(yù)先成孔作業(yè)，鉆孔直徑控制在150mm左右。在鉆孔時(shí)，要定期校驗(yàn)鉆桿的垂直度，確保鉆孔質(zhì)量，如果發(fā)生鉆桿傾斜，則要及時(shí)糾正。此外，還要嚴(yán)格控制鉆進(jìn)的速度，避免發(fā)生掉鉆和卡鉆等問(wèn)題。

4.插管。啟動(dòng)鉆機(jī)，開(kāi)啟高壓泥漿泵低壓輸送水泥漿液，促使鉆桿沿著導(dǎo)向架振動(dòng)，直到樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高。在插管時(shí)，為避免泥沙堵塞噴嘴，注漿壓力控制在0.5Mpa～1.0MPa，邊插管邊射水。

5.噴漿管提升和攪拌。此環(huán)節(jié)是整個(gè)施工過(guò)程中比較重要內(nèi)容，提升速度和攪拌質(zhì)量是否控制當(dāng)?shù)脤?duì)旋噴樁的成形質(zhì)量有重要影響。因此，在具體施工中必須切實(shí)做好以下幾點(diǎn)：（1）當(dāng)旋噴到設(shè)計(jì)深度以后，停止鉆進(jìn)，但要繼續(xù)選擇，并增加泥漿泵的輸出壓力，提升到30MPa左右，持續(xù)旋噴30～40s，確保漿液完全填充和滲透；（2）按照施工參數(shù)要求，提升噴漿管，并嚴(yán)格控制提升速度，嚴(yán)禁忽快忽慢，否則會(huì)影響旋噴樁質(zhì)量；（3）如果采用二重管或者三重管進(jìn)行旋噴，則施工到設(shè)計(jì)深度后，再接通高壓水管，并啟動(dòng)泥漿泵進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作。如果遇礫石地層，為保證樁徑，可重復(fù)噴漿、攪拌。

6.樁頭處理。當(dāng)旋噴管提升到距離樁頂1m左右時(shí)，降低旋噴管提升的速度，持續(xù)旋噴3～5秒后再緩慢提升0.5m，直到樁頂。

7.清洗、移位。當(dāng)樁頭處理完成后，要先對(duì)旋噴設(shè)備進(jìn)行全面清洗，通過(guò)高壓泵抽取清水的方法來(lái)沖洗注漿管路，直到流出清水為止，并前面清洗噴嘴和管頭，以便下次使用。但一根旋噴樁施工完成后，再將鉆機(jī)移動(dòng)到下一根樁上重復(fù)進(jìn)行施工。

8.補(bǔ)漿。補(bǔ)漿的主要目的避免樁頭產(chǎn)生應(yīng)力變形，由于漿液中有水的存在，當(dāng)漿液凝固后會(huì)析出大量水分，從而導(dǎo)致旋噴樁發(fā)生不同的收縮，在樁頂發(fā)生凹穴，此時(shí)需要采用水灰比為1.0的水泥漿液進(jìn)行補(bǔ)灌處理，以提升施工效率，避免發(fā)生用力變形，影響承載力。

本文結(jié)合實(shí)例及理論實(shí)踐，研究了高壓旋噴樁在軟基處理中的應(yīng)用。通過(guò)分析高壓旋噴樁成樁機(jī)理可知，應(yīng)用高壓旋噴樁可有效改善軟基的特性，提升承載力。將工藝參數(shù)、加固直徑、漿量、復(fù)合地基承載力進(jìn)行確定，對(duì)施工工藝和過(guò)程進(jìn)一步總結(jié)和掌握，高壓旋噴樁成樁各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，為后期大規(guī)模施工提供了真實(shí)有效的技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。