淺談旋噴樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)

王曉軍，吳偉杰，尚知宇（蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 概述

旋噴樁（又稱高壓旋噴樁）就是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)土層的預(yù)定位置后，以高壓設(shè)備使?jié){液或水、空氣成為20～40MPa的高壓射流從噴嘴中噴射出來，沖切、擾動(dòng)、破壞土體，同時(shí)鉆桿以一定速度逐漸提升，將漿液與土粒強(qiáng)制攪拌混合，漿液凝固后，在土中形成一個(gè)圓柱狀固結(jié)體（即旋噴樁），以達(dá)到加固地基或止水防滲的目的。高壓噴射有旋噴（固結(jié)體為圓柱狀）、定噴（固結(jié)體為壁狀）和擺噴（固結(jié)體為扇狀）三種基本形狀。噴射注漿有三種：?jiǎn)喂芊ǎ▏娚涓邏核酀{液一種物質(zhì)）、雙管法（噴射高壓水泥漿液和壓縮空氣二種介質(zhì)）、三管法（噴射高壓水流、壓縮空氣和水泥漿液等三種物質(zhì)）。

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范JGJ 79—2012》介紹了旋噴樁處理地基的方法。對(duì)旋噴樁處理地基的設(shè)計(jì)則沒有具體的方法，以致許多設(shè)計(jì)人員及施工技術(shù)人員在遇到旋噴樁地基處理設(shè)計(jì)問題時(shí)難以下手，本文結(jié)合工程案例歸納了旋噴樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)方法及步驟。

1 設(shè)計(jì)方法和步驟

1.1 旋噴樁的適用范圍

旋噴樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土（流塑、軟塑和可塑）、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地基。對(duì)硬粘性土、土中含有較多的大直徑塊石、大量植物根莖和高含量的有機(jī)質(zhì)，以及地下水流速較大的工程，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果確定其適用性。

1.2 旋噴樁復(fù)合地基承載力估算

根據(jù)地勘報(bào)告，按旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值為180～200 kPa估算基礎(chǔ)底面積，可以初步確定樁的直徑、樁長(zhǎng)、樁間距、樁的根數(shù)。

樁徑一般400～1000mm，樁長(zhǎng)要貫穿基礎(chǔ)主要受力層，對(duì)于條基不應(yīng)小于3b（b為基礎(chǔ)寬度）；對(duì)于獨(dú)立基礎(chǔ)應(yīng)不小于1.5b，且獨(dú)基下旋噴樁樁數(shù)不應(yīng)少于4根；對(duì)于片筏基礎(chǔ)不應(yīng)小于（1.0～1.2）b，且不小于5m；樁間距不小于3d（d為樁徑），不大于6d。

旋噴樁復(fù)合地基宜在基礎(chǔ)和樁頂之間設(shè)置褥墊層，墊層厚度宜為150～300mm，褥墊層材料可選中砂、粗砂和級(jí)配碎石，褥墊層最大粒徑不宜大于200mm。褥墊層的夯實(shí)度應(yīng)不小于0.9。

1.3 旋噴樁復(fù)合地基承載力強(qiáng)度

根據(jù)初步定的樁徑、樁長(zhǎng)、樁間距，按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范JGJ 79—2012》中的式（1）及（2）計(jì)算有粘結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)體復(fù)合地基承載力特征值：

其中：λ—增強(qiáng)體單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，0.7～1.0；Ra—增強(qiáng)體單樁豎向承載力特征值，kN；Ap—樁的截面積，m2；β—樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，1.0～1.1；up—樁的周長(zhǎng)，m；qsi—樁周第i層土的側(cè)阻力特征值（kPa）；lpi—樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；αp—樁端阻力發(fā)揮系數(shù)，1.0（水泥土攪拌樁取0.4～0.6及樁長(zhǎng)過長(zhǎng)影響樁端承載力發(fā)揮時(shí)取低值）；qp—樁端端阻力特征值（kPa），對(duì)于水泥攪拌樁、旋噴樁取未經(jīng)修正的樁端地基土承載力特征值。

最后應(yīng)采用平板載荷試驗(yàn)確定旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值，然后按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007—2011》第5.2.1條公式pk fa及pkmax 1.2fa驗(yàn)算持力層強(qiáng)度。如不滿足要求，可增加樁的數(shù)量（即縮小樁間距），或增加樁長(zhǎng)，再進(jìn)行驗(yàn)算，直到強(qiáng)度滿足要求。

1.4 旋噴樁復(fù)合地基軟弱下臥層驗(yàn)算

當(dāng)旋噴樁長(zhǎng)度不是很長(zhǎng)，未穿透整個(gè)軟弱層，這時(shí)必須對(duì)樁長(zhǎng)以下軟弱下臥層的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。很多人認(rèn)為持力層強(qiáng)度滿足承載力要求，整個(gè)地基強(qiáng)度就可以滿足，或者認(rèn)為由現(xiàn)場(chǎng)載荷板試驗(yàn)得出的承載力就是整個(gè)地基的承載力。實(shí)際因?yàn)檩d荷試驗(yàn)用的載荷板的尺寸不大，所以載荷試驗(yàn)的影響深度較小，它只能反映持力層土的承載力，對(duì)軟弱下臥層的承載力仍要計(jì)算復(fù)核，這點(diǎn)要特別注意。

旋噴樁一般情況下都是水泥摻量較大的，單樁具有較高的樁身強(qiáng)度及較大的粘結(jié)力，其樁身強(qiáng)度接近于剛性樁，復(fù)合地基承載力主要由單樁承載力確定，因此，旋噴樁復(fù)合地基在對(duì)受力層范圍內(nèi)軟弱下臥層進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，可參照混凝土類樁復(fù)合地基的擴(kuò)散模型，即樁與樁間土可視為一個(gè)假想的實(shí)體基礎(chǔ)，按群樁作用原理進(jìn)行下臥層地基強(qiáng)度驗(yàn)算，擴(kuò)散模型可按兩種方法考慮：

第一種：基底壓力擴(kuò)散角α取樁范圍各土層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值φ的1/4，同時(shí)在假想基礎(chǔ)底面到軟弱下臥層頂面之間進(jìn)行二次擴(kuò)散（如圖1）。假想實(shí)體基礎(chǔ)底面處的附加壓力為：

其中：f—假想實(shí)體基礎(chǔ)底面處的附加壓力；po—群樁頂面所受的附加壓力；L—混凝土樁的樁長(zhǎng)；ao—矩形實(shí)體基礎(chǔ)長(zhǎng)；bo—矩形實(shí)體基礎(chǔ)寬。

第二種：考慮假想實(shí)體基礎(chǔ)側(cè)面與土的摩擦力，計(jì)算出假想實(shí)體基礎(chǔ)底面處的附加應(yīng)力，同時(shí)在假想實(shí)體基礎(chǔ)底面到軟弱下臥層頂面之間進(jìn)行二次擴(kuò)散（如圖2）。假想實(shí)體基礎(chǔ)底面處的附加壓力為：

其中：f—假想實(shí)體基礎(chǔ)底面處的附加壓力；po—群樁頂面所受的附加壓力；L—混凝土樁的樁長(zhǎng)；γp—樁身長(zhǎng)度范圍內(nèi)土的加權(quán)平均重度。

圖1 從樁頂開始的應(yīng)力擴(kuò)散模型

圖2 從樁底開始的應(yīng)力 擴(kuò)散模型

根據(jù)上述兩種方法求出實(shí)體基礎(chǔ)底面處的附加應(yīng)力f后，再根據(jù)樁端以下土層的壓縮模量與軟弱下臥層模量的比值進(jìn)行二次擴(kuò)散，計(jì)算出軟弱下臥層頂面處所受的附加壓力，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》pz+pcz faz公式（pz為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，軟弱下臥層頂面處的附加壓力值，kPa；pcz為軟弱下臥層頂面處地基土的自重壓力值，kPa；faz為軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值，kPa）驗(yàn)算軟弱下臥層強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求（要注意深度修正系數(shù)的取值）。

1.5 旋噴樁復(fù)合地基變形驗(yàn)算

旋噴樁復(fù)合地基的變形沉降按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范JGJ 79—2012》中第7.1.7條方法對(duì)加固區(qū)和非加固區(qū)均采用分層總和法計(jì)算，加固區(qū)沉降按復(fù)合模量法計(jì)算，復(fù)合模量提高系數(shù)等于復(fù)合地基與天然地基承載力的倍數(shù)；軟弱下臥層頂面的附加應(yīng)力按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50007—2011》第5.2.7條第二款計(jì)算。

設(shè)計(jì)時(shí)還要注意以下幾點(diǎn)：①旋噴樁復(fù)合地基的對(duì)立基礎(chǔ)除要控制每個(gè)基礎(chǔ)的沉降外，還要驗(yàn)算相鄰基礎(chǔ)的差異沉降，差異沉降滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50007—2011》第5.3.4條規(guī)定；②對(duì)于筏板基礎(chǔ)，由于筏板基礎(chǔ)剛度大、整體性好，調(diào)整不均勻沉降的能力好，除控制最大沉降外，還要注意控制好傾斜量；③旋噴樁復(fù)合地基中，因?yàn)闃逗蜆吨芡恋膭偠认嗖钶^大，為使樁和樁間土更好的共同工作、有效地發(fā)揮樁間土的承載力，必須調(diào)整樁和樁間土的剛度差（或者說相對(duì)位移），因此基礎(chǔ)下應(yīng)設(shè)置一層150～300 mm厚的級(jí)配砂石褥墊層，并用平板振動(dòng)器振實(shí)（可適量噴水）。

2 工程案例

2.1 工程概況

某水泥廠二期工程，原料配料車間框架柱基礎(chǔ)平面（見圖3），E軸線X 1軸線～8軸線為新建框架柱，設(shè)計(jì)要求框架柱基礎(chǔ)持力層落在⑥強(qiáng)風(fēng)化砂巖上，fak=300kPa；地勘剖面圖（見圖4），①層為回填夯實(shí)的素土，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)地基承載力特征值為fak=120kPa，樁基參數(shù)見表1。

圖3 基礎(chǔ)平面圖

圖4 地勘剖面圖

2.2 施工遇到的問題

地勘報(bào)告在此車間僅有兩個(gè)布孔，且間距比較大，實(shí)際開挖后各土層厚度與地勘報(bào)告描述的偏差較大。問題一：6軸線～8軸線設(shè)計(jì)基底標(biāo)高-6.0m，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)開挖到-4.0m就到⑥強(qiáng)風(fēng)化砂巖持力層。問題二：1軸線～5軸線開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，大部分基礎(chǔ)均未到⑥強(qiáng)風(fēng)化砂巖持力層，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)釬探，到達(dá)持力層還要繼續(xù)下挖深度在2～4m不等，而場(chǎng)地周圍環(huán)境已經(jīng)不允許再繼續(xù)下挖（一側(cè)為一線的電纜橋架，另一側(cè)為一線正在生產(chǎn)的原料配料站基礎(chǔ)，存在嚴(yán)重安全隱患）。問題三：1軸線～2軸線間的地基梁設(shè)計(jì)上質(zhì)心與重心不重合，偏心較大。

2.3 問題的處理

對(duì)于問題一，經(jīng)與設(shè)計(jì)人員溝通，6軸線～8軸線的基礎(chǔ)按圖繼續(xù)施工，僅將基底標(biāo)高抬高至-4.0m。對(duì)于問題二及問題三要結(jié)合基礎(chǔ)方案統(tǒng)一處理，設(shè)計(jì)提出兩個(gè)處理方案，第一方案灌注樁基礎(chǔ)，樁徑10000mm，樁長(zhǎng)不小于21m，一柱一樁（共8根）；第二方案采用旋噴樁復(fù)合地基（現(xiàn)場(chǎng)正好有旋噴樁機(jī)）。由于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小，1軸線～5軸線已經(jīng)開挖到-5.3m標(biāo)高，不適合大型機(jī)具作業(yè)，而旋噴樁機(jī)體積小、運(yùn)行靈活、施工速度快。項(xiàng)目部經(jīng)綜合分析后，決定采用旋噴樁處理地基，處理后的復(fù)合地基承載力特征值設(shè)計(jì)要求達(dá)到fak=300kPa；而且地基梁貫通1軸線至5軸線，地基梁截面及配筋用原設(shè)計(jì)的2-2剖面施工。

表1 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)表 kPa

2.4 旋噴樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)按設(shè)計(jì)提供的計(jì)算數(shù)據(jù)，根據(jù)地勘報(bào)告剖面圖，確定1軸線～5軸線為到持力層部分旋噴樁平面圖（見圖5），旋噴樁處理深度貫穿①填土層到⑥強(qiáng)風(fēng)化砂巖，進(jìn)入⑥強(qiáng)風(fēng)化砂巖500mm。根據(jù)上述公式（1）、（2）來確定復(fù)合地基的承載力。

（1）確定Ra。單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

其中：Ap=0.3 ×3.14=0.282 6 m（旋噴樁直徑6000mm）；up=3.14×0.6=1.884m；qsik樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，qsik=20kPa及260kPa；li按土層劃分的各層厚度，li分別為2m及0.5m（按最小長(zhǎng)度2.0m考慮，入持力層0.5 m）；αp樁端極限端阻力發(fā)揮系數(shù)；αp=1.0；Ruk=1.884×（20×2+260×0.5）+1.0×2200×0.2826=942kN。

增強(qiáng)體單樁豎向承載力特征值：

現(xiàn)場(chǎng)單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值檢測(cè)結(jié)果為10080kPa。

圖5 旋噴樁平面布置圖

本案例中，由于上部加固區(qū)沉降很小，而下部的下臥層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，厚度大，壓縮模量較大，沉降也是很小，再加上基礎(chǔ)采用剛度很大的地基梁，故可忽略總沉降量的計(jì)算。目前二線已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行數(shù)個(gè)月，二線原料配料站未出現(xiàn)任何不均勻沉降。

3 結(jié)語

在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中包括了對(duì)地基的選擇和對(duì)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，旋噴樁復(fù)合地基施工受場(chǎng)地及地層條件限制小，適用范圍很廣，固結(jié)體形狀可以控制；普遍應(yīng)用于提高軟弱地基承載力，減小總沉降變形，特別是減少樁身范圍的沉降量，有效減少差異沉降。所以，本案例合理選擇地基處理方法和基礎(chǔ)形式，不僅可以在技術(shù)上滿足建筑結(jié)構(gòu)的安全要求，還可以節(jié)約造價(jià)，縮短工期，達(dá)到降本增效的理想效果。