高壓旋噴樁在軟土區(qū)地基處理中的應(yīng)用

黃俊謙，王旭鋒，薛武強(qiáng)

1.上海騰達(dá)建設(shè)股份有限公司，上海 200120；2.浙江工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，浙江 杭州 310000

0 前言

高壓旋噴樁因其安全可靠、施工噪音小、樁身強(qiáng)度高及材料價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于建筑和道路的地基建設(shè)中。尤其對(duì)于軟土地基的加固具有良好的適用性，克服了傳統(tǒng)注漿法對(duì)淤泥質(zhì)土、軟粘土和粉土加固效果較差的缺點(diǎn)。安宏強(qiáng)［1］首先分析了高壓旋噴樁技術(shù)的原理，結(jié)合工程探討了高壓旋噴樁在軟土地基中的施工過(guò)程及高壓旋噴樁的質(zhì)量控制措施。李玉陽(yáng)［2］選取我國(guó)分布較廣的軟土地基作為研究對(duì)象，并以高壓噴射注漿法作為處理方法進(jìn)行研究。指出通過(guò)對(duì)地基土中注入漿液，使得軟弱土地基、特殊土地基能夠承受上部建（構(gòu)）筑物荷載，滿足建（構(gòu)）筑物安全使用的功能和要求。吳少甫［3］結(jié)合高壓旋噴樁在框架橋地基加固工程中的具體應(yīng)用實(shí)例，分析高壓旋噴樁加固框架橋地基的原理和施工過(guò)程，加強(qiáng)成樁的效果和地基的牢固度。張清峰［4］結(jié)合高壓旋噴注漿法在謝橋煤礦濟(jì)河鐵路中橋地基加固中的實(shí)際應(yīng)用情況，就該工程的概況、地基加固設(shè)計(jì)、成樁質(zhì)量等作了介紹，分析提出了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。趙順波［5］結(jié)合實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，采用有限元計(jì)算方法研究了樁長(zhǎng)和樁土模量比對(duì)深層攪拌樁和高壓旋噴樁復(fù)合地基在回填土中的樁體承載特性、荷載傳遞及復(fù)合地基變形特性的影響。合理的高壓旋噴樁長(zhǎng)可有效增強(qiáng)回填土地基的承載力。

1 項(xiàng)目概況與高壓旋噴樁施工參數(shù)

1.1 工程項(xiàng)目概況

依托工程項(xiàng)目為臺(tái)州東部新區(qū)2018 年度市政道路基礎(chǔ)設(shè)施工程（EPC 工程總承包）標(biāo)段一，位于臺(tái)州市集聚區(qū)濱海吹填土區(qū)域，項(xiàng)目共涉及16 條道路，道路寬度30m～50m 不等，包括22座橋梁，設(shè)計(jì)采用高壓旋噴樁對(duì)橋梁橋臺(tái)處進(jìn)行軟基處理，加固長(zhǎng)度為橋梁橋臺(tái)前后30m，寬度42m～52m，有效樁長(zhǎng)10m和12m 兩種。場(chǎng)地所在地貌單元屬?zèng)_海積平原，原始地貌為灘涂，后由吹填土回填并進(jìn)行真空預(yù)壓地基處理，局部地段石渣、砂土回填。地勢(shì)平坦，地面標(biāo)高1.67～5.33m 之間。

1.2 高壓旋噴樁作用機(jī)理

高壓旋噴通過(guò)噴射流對(duì)土體的破壞作用，使土體由整體狀態(tài)變?yōu)樗缮顟B(tài)。隨著噴射流的連續(xù)沖切和移動(dòng)，土體破壞的深度和范圍不斷擴(kuò)大，旋噴時(shí)高壓噴射流是水泥漿液，即以水泥作為硬化劑，邊旋轉(zhuǎn)邊以一定的速度緩慢提升，被切削下來(lái)的一部分細(xì)小土粒被漿液置換發(fā)生升揚(yáng)置換作用，隨著液流以泥漿的形式被帶到地面（稱為冒漿）。其余的土顆粒在噴射動(dòng)壓力、離心力和重力的共同作用下，在橫斷面上按質(zhì)量大小有規(guī)律地重新排列并與漿液攪拌混合形成一種新型的水泥—土網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.3 高壓旋噴樁施工技術(shù)基本參數(shù)

為保證橋梁樁基施工質(zhì)量及施工安全，采用高壓旋噴樁對(duì)樁基周邊土體進(jìn)行加固，處理范圍在樁基的四周處，橋梁樁基位置采用現(xiàn)場(chǎng)投放鋼筋籠澆筑。本工程旋噴樁施工采用單管法旋噴，為防止旋噴樁施工時(shí)由于相鄰兩樁施工距離太近或間隔時(shí)間太短，造成相鄰高噴孔施工時(shí)串漿，采取分批跳孔施作，鉆孔樁施工時(shí)按每間隔兩孔施作。

高壓旋噴樁成樁直徑600mm，間距500mm，采用42.5硅酸鹽水泥，工作壓力≧20MPa，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算旋噴樁水泥用量，以槽壁加固樁長(zhǎng)為10m 計(jì)算，水泥用量計(jì)算如下：

根據(jù)公式：

式中，G—單根樁水泥用量，kg；

D—Φ600mm 旋噴樁的截面積，取0.283m2；

H—槽壁加固樁長(zhǎng)（下沉、提升深度），取10m；

γs—土的容重，根據(jù)地勘情況取 1.75kN/m3；

Cp—水泥摻入量，以25%計(jì)。

1m 樁長(zhǎng)的一根旋噴樁所需水泥用量為：

單位時(shí)間內(nèi)噴漿量的計(jì)算，按照設(shè)計(jì)要求，攪拌下沉速、提升速度度宜控制≤ 0.5m/ min，并保持勻速下沉或提升。

式中，

Q——水泥漿總體積，L；取值 2830L；

q——單位時(shí)間噴漿量，L/min；

H——槽壁加固樁長(zhǎng)取10m；

v——提升速度，暫取0.2m/min；

β——損失系數(shù)，通常0.1～0.2；取0.2。

代入計(jì)算如下：

2 高壓旋噴樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)取芯

鉆孔取芯檢測(cè)是利用高速液壓鉆機(jī)，在旋噴樁固結(jié)體達(dá)到一定齡期后鉆取巖芯，通過(guò)鉆取的巖芯來(lái)判斷固結(jié)體的整體性、樁長(zhǎng)，并將所取巖芯做成標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷其是否符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 試驗(yàn)取土點(diǎn)

如圖1 所示，圖上A、B 點(diǎn)為直徑 600mm 的旋噴樁斷面上的兩個(gè)點(diǎn)，代表取芯時(shí)在平面上的兩個(gè)位置。A 點(diǎn)在圓心為注漿孔位置，點(diǎn)B 在距離A 點(diǎn)300mm 處，旋噴樁斷面圖如圖4。

旋噴樁旋噴長(zhǎng)度內(nèi)均為淤泥質(zhì)土，在30 天、60 天、150 天、230 天時(shí)，分別在工程樁①、工程②、工程樁③、工程樁④的A、B兩點(diǎn)下取樣，每個(gè)點(diǎn)下的取樣深度均為2.0m、3.0m、5.0m、7.0m、8.0m、9.0m。每個(gè)點(diǎn)下每個(gè)深度處只取一個(gè)試樣，故每根樁的A、B 點(diǎn)下各需要取6 個(gè)樣，對(duì)6 個(gè)試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到4 根工程樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平均值，4根樁共需采48 個(gè)芯樣，工程樁及試樁取芯時(shí)間點(diǎn)如表1 所示。

圖1 旋噴樁樁頂斷面圖

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為了有效有效觀察試樣土層的變形情況，采取室內(nèi)試驗(yàn)的方式對(duì)土樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，主要監(jiān)測(cè)土樣在壓力作用下的應(yīng)力變化，以及試驗(yàn)過(guò)程中土樣的破壞程度，試樣破壞圖如下圖4～圖7。

圖2 30 天的試樣壓縮試驗(yàn)

圖3 60 天的試樣壓縮試驗(yàn)

圖4 150 天的試樣壓縮試驗(yàn)

圖5 230 天的試樣壓縮試驗(yàn)

2.4 強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律

取芯土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化如表2 所示，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化關(guān)系如圖8 所示。

表2 土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖6 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化關(guān)系

3 高壓旋噴樁地基處理數(shù)值模擬分析

通過(guò)利用軟件Midas GTS 對(duì)高壓旋噴樁旋噴長(zhǎng)度和數(shù)量對(duì)鄰近橋梁樁基的水平位移、樁身軸力和樁身彎矩的變化規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)的分析（其中樁身的最大位移、最大彎矩和最大軸力隨各參數(shù)改變的趨勢(shì)圖只考慮前排樁身）。

3.1 高壓旋噴樁長(zhǎng)度對(duì)橋梁樁基的影響

（1） 樁體最大位移

圖7 高壓旋噴樁長(zhǎng)度對(duì)樁基位移的影響

從上圖中可以看出，樁體最大位移分別為4.63mm、4.32mm、3.92mm 和3.57mm。隨著高壓旋噴樁深度的增加，樁土相互作用越小，樁身的最大水平側(cè)移也越來(lái)越小，堆載對(duì)樁的影響逐漸減小。由此可得，適當(dāng)增加高壓旋噴樁的長(zhǎng)度來(lái)減少堆載對(duì)橋樁基水平位移的影響。

（2） 樁體最大彎矩

圖8 高壓旋噴樁長(zhǎng)度對(duì)樁基彎矩的影響

從上圖中可以看出，樁體最大彎矩隨著高壓旋噴樁長(zhǎng)度的增加，呈現(xiàn)一種先增大后減小的趨勢(shì)，旋噴樁長(zhǎng)度一定時(shí)，樁身的彎矩可達(dá)最大值。由此可得，適當(dāng)增加高壓旋噴樁的長(zhǎng)度，可減小樁基所承受的彎矩。

（3） 樁體最大軸力

圖9 高壓旋噴樁長(zhǎng)度對(duì)樁基軸力的影響

從上圖中可以看出，樁體最大軸力隨著高壓旋噴樁長(zhǎng)度的增加，變化趨勢(shì)并不明顯，說(shuō)明旋噴樁長(zhǎng)對(duì)樁基的軸力影響不大。

3.2 高壓旋噴樁數(shù)量對(duì)橋梁樁基的影響

（1） 樁體最大位移

圖10 高壓旋噴樁數(shù)量對(duì)樁基位移的影響

從上圖中可以看出，樁體最大位移分別為4.63mm、3.95mm、3.46mm。隨著高壓旋噴樁數(shù)量的增加，樁身的最大水平側(cè)移也越來(lái)越小，堆載對(duì)樁的影響逐漸減小。由此可得，適當(dāng)增加高壓旋噴樁的數(shù)量來(lái)減少堆載對(duì)橋樁基水平位移的影響。

（2） 樁體最大彎矩

圖11 高壓旋噴樁數(shù)量對(duì)樁基彎矩的影響

從上圖中可以看出，樁體最大彎矩隨著高壓旋噴樁數(shù)量的增加，呈現(xiàn)一種先增大后減小的趨勢(shì)，旋噴樁數(shù)量一定時(shí)，樁身的彎矩可達(dá)最大值。由此可得，適當(dāng)增加高壓旋噴樁的數(shù)量，可減小樁基所承受的彎矩。

（3） 樁體最大軸力

圖12 高壓旋噴樁數(shù)量對(duì)樁基軸力的影響

從上圖中可以看出，樁體最大軸力隨著高壓旋噴樁數(shù)量的增加，呈現(xiàn)一種先增大后減小的趨勢(shì)，旋噴樁數(shù)量一定時(shí)，樁身的軸力可達(dá)最大值。由此可得，適當(dāng)增加高壓旋噴樁的數(shù)量，可減小樁基所承受的軸力。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)試樣強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化關(guān)系可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，表明養(yǎng)護(hù)時(shí)間在60 天左右時(shí)試樣強(qiáng)度相對(duì)較大。

（2）增加旋噴樁的長(zhǎng)度，其橋梁樁基的水平位移呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，最大彎矩呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，適當(dāng)增加高壓旋噴樁的長(zhǎng)度可減少堆載對(duì)橋梁樁基水平位移的影響和樁基所承受的彎矩；由于其樁的軸力變化并不明顯，表明樁的軸力受噴樁長(zhǎng)度變化影響小。

（3）改變旋噴樁數(shù)量時(shí)，對(duì)橋梁樁基的水平位移、彎矩、軸力影響均較大，適當(dāng)增加高壓旋噴樁的數(shù)量不僅可減少堆載對(duì)橋梁樁基水平位移的影響，還可減小樁基所承受的彎矩和樁基所承受的軸力。