高壓旋噴樁在軟弱土夾層地基處理中的應(yīng)用

方常芳

福建省電力勘測設(shè)計院（350003）

1 工程概況

某電廠冷卻塔，塔高為115.7m，喉部標高為91.1m；冷卻塔水池外側(cè)半徑為49.0m，喉部半徑為24.5m；塔筒最小壁厚為170mm，最大壁厚為700mm。冷卻塔基礎(chǔ)采用環(huán)形基礎(chǔ)，環(huán)基寬度為4.5m。冷卻塔塔身自重產(chǎn)生的地基反力約為140kPa；考慮風(fēng)荷載時環(huán)基基底最大地基反力約為240kPa。

2 地質(zhì)概況

地質(zhì)勘探資料顯示，工程場地的地質(zhì)較為復(fù)雜，存在軟弱夾層，環(huán)形基礎(chǔ)范圍內(nèi)土層軟硬不均；場地下方發(fā)育有一定程度的巖溶，多為充填溶洞；灰?guī)r面上局部區(qū)域分布較厚的極軟弱土層（最厚達9m），具體基礎(chǔ)地層分布如下:

②粉質(zhì)黏土:沖洪積，廣泛分布,可塑～軟塑狀,均勻性較差，一般厚度為1～1.5m，屬于物理力學(xué)性質(zhì)較差的土層，承載力特征值為120kPa。

③含泥卵石:沖洪積，廣泛分布,雖物理力學(xué)性質(zhì)較好,具備較高強度,但分布厚度不均，厚度為1.5～5.5m，承載力特征值為300kPa。

⑤-2粉質(zhì)黏土:殘積，物理力學(xué)性質(zhì)較差,厚度為1～5m，壓縮性高，壓縮模量為4.0MPa，承載力特征值為100kPa。

⑥-1含角礫石黏土:殘積，局部分布，厚度不均，最大厚度為7m，物理力學(xué)性質(zhì)較好，承載力特征值為230kPa。

⑥-2含角礫石黏土:殘積，物理力學(xué)性質(zhì)較差,壓縮性高,壓縮模量僅為1.0MPa，最大厚度為9m；該土層局部地段出現(xiàn)過鉆探鉆頭直接墜落的現(xiàn)象；約1/3地基范圍分布有該土層。

⑧強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖:物理力學(xué)性質(zhì)較好，壓縮模量為20MPa，土層厚度為1～20m，約1/2基礎(chǔ)范圍分布有該土層。

⑨中風(fēng)化石灰?guī)r:地層面起伏變化較大，局部溶洞發(fā)育。

3 地基處理設(shè)計

3.1 方案的選擇

自然通風(fēng)冷卻塔為雙曲線鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)，除對地基承載力有基本要求外，地基是否均勻沉降也是設(shè)計必須考慮的重要因素。冷卻塔環(huán)基對地基承載力要求不高，從土層巖土力學(xué)指標看，可以利用③含泥卵石層作為冷卻塔的持力層，采用挖除②粉質(zhì)黏土層換填砂碎石的方式進行地基處理，但是，由于工程區(qū)域土層軟硬不均，而且還處于大面積回填區(qū)，場地回填厚度達4～6m，大面積填土及上部結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的附加荷載導(dǎo)致不均勻沉降遠遠超出規(guī)范要求，必須對冷卻塔地基進行處理。

拓展階段分為兩部分：小組講臺匯報和教師引導(dǎo)討論。十個小組依據(jù)抽簽書序，選取代表上臺匯報敘述性描寫特征（每組2分鐘）（組內(nèi)一位同學(xué)在黑板書寫句子），匯報后同學(xué)和老師給予評價反饋（每組1分鐘）。所有組匯報結(jié)束后，教師引導(dǎo)討論給出一個綜合性的概括，然后結(jié)合文章和同學(xué)一起逐一詳細找出和解釋敘述性描寫的應(yīng)用（共25分鐘）。最后的5分鐘為整個講解及授課的綜合答疑和布置作業(yè)。

由于灰?guī)r面起伏變化極大，局部灰?guī)r面陡峭，灰?guī)r面下分布著大量的小型溶洞，若選用沖孔灌注樁并以中風(fēng)化石灰?guī)r為持力層，則必須通過地質(zhì)鉆探來判斷樁端以下3倍以上樁徑范圍內(nèi)是否存在軟弱破碎帶或洞穴分布，這對需要大量樁基處理的工程顯然不合適。設(shè)計考慮采用高壓旋噴注漿法對軟弱土層進行土體加強。

3.2 高壓旋噴樁布置設(shè)計

高壓旋噴注漿法是在靜壓注漿法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的化學(xué)處理地基的方法。采用帶有特殊噴嘴的注漿管，以20MPa左右的壓力，將能凝固的漿液注入土層中預(yù)定深度的位置；利用高壓噴射流強力沖擊并破壞土體，同時以一定的速度邊旋轉(zhuǎn)邊提升注漿管，使?jié){液與土攪拌混合，經(jīng)固化后在土體中形成固結(jié)體，用于加固地基，提高地基的抗剪強度，改善土的變形性質(zhì)。

設(shè)計利用高壓旋噴注漿形成的樁體與樁間土組成復(fù)合地基，從而調(diào)整冷卻塔環(huán)基的沉降量，達到均勻沉降的目的。經(jīng)高壓旋噴注漿處理后的復(fù)合土層的壓縮模量按下式計算:

Esp=mEp+（1-m）Es

式中，Esp為復(fù)合土層的壓縮模量；Ep為旋噴樁樁身的壓縮模量；Es為樁間土的壓縮模量；m為樁土面積置換率。

本工程設(shè)計時，參考類似地質(zhì)條件已完工工程的試驗數(shù)據(jù)，取樁體壓縮模量為120MPa，進行沉降變形計算。地基處理施工結(jié)束后，對旋噴樁及樁間土進行鉆孔取芯試驗，試驗結(jié)果表明：旋噴樁樁體壓縮模量均大于120MPa，樁間土壓縮模量也有不同程度的提高。為了設(shè)計安全，樁間土壓縮模量取原土層數(shù)值進行計算。通過研究土層分布，選擇梅花狀布置樁位，并通過調(diào)整旋噴樁的間距來調(diào)整復(fù)合土層的壓縮模量，以達到沉降均勻的目的。設(shè)計主要考慮對基礎(chǔ)下方⑤-2、⑥-2軟弱土層進行旋噴注漿處理，對其他土層僅采取調(diào)節(jié)不均勻沉降量的措施。

3.3 施工技術(shù)要求

選用單管高壓旋噴注漿施工技術(shù)，要求⑤-2、⑥-2軟弱土層旋噴后形成固結(jié)體、樁身直徑不小于600mm。根據(jù)工程經(jīng)驗，初步確定了主要的施工技術(shù)參數(shù)和要求：注漿壓力為25MPa，注漿流量不小于30L/min；提升速度為0.1～0.20 m/min，旋轉(zhuǎn)速度為15r/min；采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥漿液的水灰比為1.0；為保證旋噴樁體的直徑及質(zhì)量滿足要求，注漿完成后要復(fù)噴一次。經(jīng)后期質(zhì)量檢驗，證明以上施工技術(shù)參數(shù)是合適的。

4 地基處理施工

在開展大面積施工前，對每一布樁分區(qū)進行各不少于5根樁的試噴。試噴樁的布點選擇在已有的地質(zhì)鉆孔上或已有地質(zhì)鉆孔的周圍。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料以及試噴過程中貫入噴射管的難易程度（貫入速度）、注漿壓力變化、提升速度、注漿量等，總結(jié)該分區(qū)的施工數(shù)據(jù)，并以該試驗數(shù)據(jù)作為該分區(qū)的施工控制數(shù)據(jù)和設(shè)計修正依據(jù)。對于施工過程中發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)發(fā)生突變或與周邊地質(zhì)鉆孔資料不符的區(qū)域，要再次進行施工勘探。

5 旋噴樁的施工質(zhì)量控制

高壓旋噴樁施工的隱蔽性強、地質(zhì)條件千差萬別,施工過程中的質(zhì)量控制工作較難開展,很容易出現(xiàn)質(zhì)量事故,必須采取一些預(yù)防措施[1]。

1）旋噴前，要檢查高壓設(shè)備和管路系統(tǒng)，其壓力和流量必須滿足設(shè)計要求。

2）鉆機到位要準確，孔位偏差不應(yīng)大于5cm。鉆機就位后，要用水平尺對鉆機的水平度進行檢查，以保證鉆孔的垂直度，垂直度允許偏差應(yīng)為±1%。

3）旋噴施工時,先施工中心孔，然后施工周邊孔；周邊孔采用間隔跳打的方法進行施工。

4）在插管和噴漿過程中，要注意防止噴嘴堵塞；旋噴注漿完畢，應(yīng)迅速拔出噴射管。

5）噴漿時,要做好壓力、流量和冒漿量的量測、記錄工作。鉆桿的旋轉(zhuǎn)和提升必須連續(xù)不中斷。

6）當鉆至設(shè)計深度以下0.2m后，將噴射注漿管貫入土中；噴嘴達到設(shè)計標高時，即開始噴射注漿。在噴射注漿參數(shù)達到規(guī)定值后，隨即按照旋噴工藝要求提升噴射管，由下而上、旋轉(zhuǎn)噴射注漿,并進行復(fù)噴。噴射管分段提升的搭接長度不得小于100mm，以保證噴射固結(jié)體不出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。

7）攪拌水泥漿時,水灰比要符合設(shè)計規(guī)定,不得隨意更改。在旋噴過程中應(yīng)防止水泥漿沉淀,避免出現(xiàn)漿液濃度降低的問題。禁止使用受潮或過期的水泥。

8）在旋噴注漿過程中出現(xiàn)壓力驟然下降、上升現(xiàn)象或出現(xiàn)冒漿異?，F(xiàn)象時，應(yīng)查明原因并及時采取措施。在施工過程中，應(yīng)隨時觀察冒漿情況和土層情況，如果遇到噴嘴堵塞現(xiàn)象，應(yīng)提升注漿管，待堵塞現(xiàn)象消失后再進行復(fù)噴；不冒漿或斷續(xù)冒漿屬于松軟土質(zhì)下施工的正?，F(xiàn)象，可適當進行復(fù)噴；冒漿量小于注漿量的20%屬于正常現(xiàn)象，超過20%或完全不冒漿時應(yīng)采取相應(yīng)措施。在旋噴過程中，如果因地層有較大空隙而導(dǎo)致不冒漿，可在漿液中加入適量的速凝劑，以縮短固結(jié)時間；當冒漿量過大時，可提高噴射壓力，適當縮小噴嘴孔徑，加快提升和旋轉(zhuǎn)速度。

9）旋噴注漿作業(yè)結(jié)束后，由于漿液析水作用會產(chǎn)生不同程度的收縮。為防止因漿液凝固收縮而在固結(jié)體頂部產(chǎn)生凹穴，可對已施工孔位采取冒漿回灌或二次注漿等措施。

10）施工完畢后,設(shè)備及管路要清洗干凈。

6 施工問題及其解決方案

在注漿過程中，遇到了不冒漿或斷續(xù)冒漿的情況，甚至連續(xù)幾個小時不冒漿。出現(xiàn)這種情況的可能原因是:①地下有溶洞存在，而且溶洞的體積很大，注漿液進入溶洞；②巖溶地區(qū)地下有暗河，所注漿液隨暗河流走；③從鄰近孔冒出。經(jīng)與施工人員、地質(zhì)人員溝通、分析，漿液沒有從鄰孔冒出，地下也不可能存在暗河，認為高壓漿液流入溶洞的可能性最大。處理措施：停止注漿，然后采用砂漿泵注入M15水泥砂漿；或在漿液中添加適量速凝劑并適當加大注漿流量，以0.1m/min的提升速度旋噴注漿1遍。14d后，再次對該樁位進行旋噴注漿，返漿正常，取得了理想的效果。

7 旋噴樁質(zhì)量檢驗

可根據(jù)工程要求和經(jīng)驗，采用開挖檢查、鉆孔取芯、標準貫入試驗、載荷試驗或圍井注水試驗等方法，對旋噴樁的質(zhì)量進行檢驗。檢驗的主要內(nèi)容包括固結(jié)體的整體性和均勻性、有效直徑、垂直度、強度特性、溶蝕和耐久性能等。

根據(jù)本工程地基處理的目的及特點，載荷試驗沒有實際意義，對處理深層軟弱土夾層部分進行開挖檢查也無法實現(xiàn)，但為了更直觀地校驗高壓旋噴注漿的效果，在冷卻塔塔基附近選擇地質(zhì)條件相似且埋深較淺的場地進行了少量的高壓旋噴注漿試驗，并開挖檢查。本工程主要采用鉆孔取芯和標準貫入試驗相結(jié)合的方式，考慮到地質(zhì)的復(fù)雜性，要求適當增加檢驗點數(shù)，各施工分區(qū)檢驗點數(shù)量不少于施工孔數(shù)的3%，且不少于3個點；同時，對旋噴形成的樁體間土層也進行鉆孔檢驗及標準貫入試驗。質(zhì)量檢驗點的選擇：除具有代表性的樁位、施工中出現(xiàn)過異常情況的部位、地質(zhì)情況復(fù)雜且可能對高壓噴射注漿質(zhì)量產(chǎn)生影響的部位外，其他均隨機抽取。要求采用金剛石鉆頭直徑≥75mm、轉(zhuǎn)速不小于1000r/min的鉆機進行鉆孔取芯檢驗，觀察芯樣是否拌和均勻、膠結(jié)緊密，水泥固結(jié)體是否連續(xù)等，并對所取芯樣進行力學(xué)試驗[2]。

8 結(jié)語

本工程軟弱夾層地基經(jīng)過高壓旋噴注漿處理后，施工期和運行期的沉降觀測數(shù)據(jù)均符合設(shè)計要求，達到了預(yù)期的效果。由此可見，高壓旋噴注漿法是一種經(jīng)濟有效、安全可靠的地基處理方法,操作簡單、施工方便,可用于解決地基承載力不足及地基不均勻沉降等工程問題。