單管高壓旋噴樁在軟基海堤除險(xiǎn)加固中的應(yīng)用

王圓圓

(東莞市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 東莞 523115)

軟基是壓縮層內(nèi)承載力較低、壓縮模量不高、孔隙低、天然含水量接近或小于液限，無(wú)法滿足路基以及人工構(gòu)造物基底強(qiáng)度要求的地基。在軟基上建設(shè)海堤存在地基不夠堅(jiān)固的問(wèn)題，在出現(xiàn)海嘯或臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害時(shí)，無(wú)法起到保護(hù)的功能，隨著時(shí)間的演變，軟基海堤還會(huì)產(chǎn)生一定的沉降，大大降低了海堤的除險(xiǎn)功能[1]。為了防止海堤工程建筑后地基下沉拉裂造成建筑物不穩(wěn)定等事故，需要對(duì)軟基海堤進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理，處理的目的是提升海堤的固結(jié)度和穩(wěn)定性。隨著軟基海堤處理工程的實(shí)踐和發(fā)展，相關(guān)學(xué)者在改造土的工程性質(zhì)的同時(shí)，也在不斷豐富對(duì)軟土特性的研究和認(rèn)識(shí)，推動(dòng)軟基海堤除險(xiǎn)加固處理技術(shù)和方法的更新。目前常用的軟土海堤除險(xiǎn)加固方法包括排水固結(jié)、輕質(zhì)路堤、加筋、吹填、置換、固化劑加固、振動(dòng)密擠，以及路堤樁等多種，其中路堤樁的應(yīng)用范圍更加廣泛。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用傳統(tǒng)的除險(xiǎn)加固方法得出的軟基海堤處理結(jié)果依舊存在較大的沉降和穩(wěn)定性問(wèn)題。為了解決問(wèn)題，將單管高壓旋噴樁應(yīng)用到加固工程中。單管高壓旋噴樁是高壓旋噴樁的一種，利用高壓漿液，噴射沖切破壞土體，形成的樁體具有施工速度快和成本低的特點(diǎn)，也具有較好的加固效果[2]?，F(xiàn)如今中國(guó)的單管高壓旋噴樁主要被應(yīng)用在地鐵、鐵路以及公路的施工工程中，通過(guò)施工結(jié)果可以看出單管高壓旋噴樁可以對(duì)地表沉降進(jìn)行有效控制，且能夠保證線路周邊建筑物和管線的安全，具有較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。全面掌握單管高壓旋噴樁技術(shù)，并將其應(yīng)用到軟基海堤的除險(xiǎn)加固工程中，對(duì)在不良地質(zhì)段工程的安全施工具有重要意義。

1 除險(xiǎn)加固方法設(shè)計(jì)

軟基海堤除險(xiǎn)加固標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)主要是按照堤防等級(jí)重要性確定，結(jié)合海堤項(xiàng)目實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)風(fēng)浪計(jì)算后，需要提高海堤的厚度和堤寬，并針對(duì)堤基不穩(wěn)問(wèn)題進(jìn)行軟基海堤加固處理。此次軟基海堤除險(xiǎn)加固方法在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，將單管高壓旋噴樁以及單管高壓旋噴技術(shù)應(yīng)用其中，遵循該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理將其大體分為三個(gè)步驟，具體包括分析軟基海堤除險(xiǎn)加固的目的，設(shè)計(jì)單管高壓旋噴工藝流程以及技術(shù)參數(shù)，最終通過(guò)室外噴射實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)取樣試驗(yàn)，得出最終的加固結(jié)果[3]。優(yōu)化的軟基海堤除險(xiǎn)加固方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 軟基海堤除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)程序

一般來(lái)講軟基海堤可以分為三角洲相和海岸帶兩種類(lèi)型，其中三角洲相可以分為頂積層、前積層和底基層，而海岸帶可以分為礫石相、砂相和淤泥相等。結(jié)合研究的軟基海堤的實(shí)際工程項(xiàng)目，劃分軟土海堤的類(lèi)型，在此基礎(chǔ)上分析高壓旋噴注漿技術(shù)的作用機(jī)理[4]。

1.1 建立軟土海堤除險(xiǎn)加固力學(xué)等效模型

采用二維彈塑性有限元軟件進(jìn)行軟基海堤實(shí)際結(jié)構(gòu)、荷載、位移、約束等方面的模擬，計(jì)算出各個(gè)部位的應(yīng)力和變形，并進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的力學(xué)分析?？梢缘贸鲕浲梁５坛U(xiǎn)加固區(qū)域應(yīng)力表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

式中：σr為軟土海堤除險(xiǎn)加固區(qū)域切應(yīng)力;σθ為軟土海堤除險(xiǎn)加固區(qū)域正應(yīng)力;A和C均為常數(shù)，可以根據(jù)除險(xiǎn)加固區(qū)域的內(nèi)面邊界條件得出常數(shù)的具體取值[5];r為加固區(qū)域半徑值。同理可以得出除險(xiǎn)加固區(qū)域外應(yīng)力對(duì)應(yīng)的表達(dá)式。

在考慮加固位移的情況下，可以得出加固區(qū)和未加固區(qū)的彈性體的徑向位移表達(dá)式如式(2)所示：

(2)

式中：ur為加固區(qū)的分部節(jié)點(diǎn)；I和K分別為任意常數(shù)，用來(lái)表示與形變無(wú)關(guān)的剛體位移；E和μ分別為加固區(qū)的彈性模量和泊松比[6]；Cr表示加固區(qū)域邊界閾值；θ為未加固區(qū)域的分部值。根據(jù)加固與未加固區(qū)域接觸面上具有相同位移的關(guān)系，可以得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分量表達(dá)式如式(3)所示：

(3)

式中：n為加固區(qū)和未加固區(qū)彈性模量的比值；a和b分別為加固前后單管高壓旋噴樁的開(kāi)挖半徑;q為 加固區(qū)和未加固區(qū)的載荷。

1.2 高壓噴射流的流體力學(xué)特征

將單管高壓旋噴樁應(yīng)用到除險(xiǎn)加固工程中，需要利用高壓旋噴技術(shù)得到噴射流，并通過(guò)風(fēng)干得到最終的樁體[7]。在高壓旋噴過(guò)程中需要嚴(yán)格地控制噴射壓力，從而控制流體的速度和功率，對(duì)應(yīng)噴射流壓力與速度和功率的關(guān)系如表1所示。

表1 噴射流壓力與速度、功率關(guān)系

在外界環(huán)境以及空氣阻力的影響下，單管高壓旋噴流的速度和功率逐漸降低，按照旋噴流與噴嘴的距離可以將其劃分為初期區(qū)、遷移區(qū)、主要區(qū)和終結(jié)區(qū)四個(gè)部分，并得出各個(gè)階段旋噴流壓力的衰減規(guī)律，可以表示為式(4)：

(4)

式中：xn和K均為常數(shù)系數(shù);d0為旋噴流與噴嘴之間的距離；p0和pm分別為旋噴流的初始?jí)毫途嚯x噴嘴d0距離的壓力[8]。

1.3 成樁機(jī)理分析

使用單管高壓泵將水泥漿通過(guò)噴射裝置，水泥漿在高壓的作用下高速注入到軟基海堤土體中，其過(guò)程如圖2所示。

圖2 單管旋噴注漿示意圖

在單管高壓旋噴流的作用下對(duì)土體產(chǎn)生破壞作用，使得土體由整體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮顟B(tài)，噴射流的破壞力可以表示為式(5)：

F=pQVm

(5)

式中：F為單圈高壓旋噴流介質(zhì)的輸出節(jié)點(diǎn)；p和Q為單圈高壓旋噴流介質(zhì)的密度和流量；Vm為流體的平均旋噴速度。

隨著旋噴流的沖切和移動(dòng)，將配置完成的水泥漿注入到單管中，水泥在軟基海堤內(nèi)部發(fā)生水解和水化反應(yīng)[9]。水泥漿中水泥顆粒表面的礦物會(huì)和軟基海堤中的水發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鈣、硅酸鈣等化合物，在不同含量的水環(huán)境下水化的速度與程度不同。另外水泥漿在軟基海堤環(huán)境中的水化作用也就是碳酸化作用，高壓旋噴注入的水泥漿中有利的氫氧化鈣與水中以及空氣中的二氧化碳混合，生成不溶于水的碳酸鈣物質(zhì)。通過(guò)一系列的化學(xué)以及風(fēng)干反應(yīng)，注入的水泥漿在軟基海堤中逐漸固結(jié)與硬化，最終得到單管高壓旋噴樁。

2 高壓旋噴樁施工工藝

在軟基海堤除險(xiǎn)加固處理過(guò)程中，為了保證單管高壓旋噴樁得到更好的應(yīng)用，滿足除險(xiǎn)加固的要求與軟基海堤的施工要求，必須嚴(yán)格按照施工工藝流程進(jìn)行施工，具體的施工過(guò)程如圖3所示。

圖3 單管高壓旋噴樁施工工藝流程

單管高壓旋噴樁施工就是先將注漿管插入指定的軟基海堤中，自下而上進(jìn)行高壓旋噴作業(yè)。

2.1 準(zhǔn)備噴射注漿材料

單管高壓旋噴樁的注漿主劑可以分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩種類(lèi)型，其中無(wú)機(jī)類(lèi)型包括單液水泥類(lèi)、水泥黏土類(lèi)、水玻璃類(lèi)等；而有機(jī)類(lèi)型可以分為木質(zhì)素類(lèi)、丙烯酰胺類(lèi)等[10]。結(jié)合軟基海堤土質(zhì)類(lèi)型的基本特征，使用單液水泥漿液為主劑，按照一定的比例，并添加一定量的附加劑，配置成漿液材料。不同配比的噴射注漿材料的基本性能如表2所示。

表2 不同配比水泥漿材料的基本性能

2.2 選取高壓旋噴樁的施工設(shè)備

需要準(zhǔn)備的高壓旋噴樁施工設(shè)備包括高壓泥漿泵、旋噴鉆機(jī)、旋噴器以及材料攪拌系統(tǒng)等，將各個(gè)設(shè)備按照其施工工藝流程連接在一起，得出的高壓旋噴樁施工設(shè)備連接情況如圖4所示。

圖4 高壓旋噴樁設(shè)備示意圖

其中對(duì)旋噴鉆機(jī)的要求包括：鉆機(jī)提升速度為10～30 cm/min，旋轉(zhuǎn)速度為15～30 r/min等。滿足上述參數(shù)要求的旋機(jī)設(shè)備包括SH30-2 型、76 型和GD-2 型等，可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工環(huán)境進(jìn)行具體的設(shè)備型號(hào)選擇[11]。另外旋噴器包括上部送液器、中部鉆桿、下部噴射頭三個(gè)部分組成，其中送液器的作用是將漿液、水等設(shè)備輸送到噴射頭中，鉆桿是將送液器中的液體按照不同的壓力介質(zhì)送到噴射頭中，鉆桿的厚度強(qiáng)度計(jì)算公式為式(6)：

(6)

式中：δ為變形量；d為管壁直徑;pg為桿內(nèi)產(chǎn)生的壓力;m和σ為安全系數(shù)和抗拉強(qiáng)度。

同理對(duì)設(shè)備中的噴射頭的型號(hào)進(jìn)行選擇，最終得出單管高壓旋噴樁的施工設(shè)備。

2.3 單管高壓旋噴樁設(shè)計(jì)與布置

單管高壓旋噴樁呈正三角形布置，其橫斷面布置的具體情況如圖5所示。

圖5 旋噴樁橫斷面布置示意圖

另外還需要布置旋噴樁的孔位，計(jì)算孔位之間的距離以及孔位深度[12]。

2.4 確定單管高壓旋噴樁施工參數(shù)

根據(jù)軟基海堤土質(zhì)條件、加固要求確定單管高壓旋噴樁施工參數(shù)，旋噴壓力施工參數(shù)的計(jì)算方法如式(7)：

(7)

式中：φ為旋噴嘴的流速系數(shù)；Q為噴射泵量。

另外還需要對(duì)單管高壓旋噴樁設(shè)備的旋噴直徑進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，直徑的計(jì)算公式為式(8)：

(8)

式中：D0為噴嘴直徑；σc和vt為軟基海堤土的抗壓強(qiáng)度和噴管提升速度[13]。

在此基礎(chǔ)上，按照?qǐng)D3中表示的施工程序流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)單管高壓旋噴樁的施工工藝。

2.5 施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量檢查

為了保證軟基海堤除險(xiǎn)加固的質(zhì)量，需要對(duì)單管高壓旋噴樁的施工結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，質(zhì)量檢測(cè)分為施工前檢查、施工后檢查兩個(gè)部分[14]。其中施工前檢查就是檢查樁與樁之間的連接是否嚴(yán)密，而施工后的質(zhì)量檢查就是在旋噴施工一個(gè)階段完成后或整個(gè)施工項(xiàng)目竣工后進(jìn)行的，檢查施工固結(jié)體是否存在異常情況。最終結(jié)合施工質(zhì)量的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行糾偏調(diào)整，從而保證單管高壓旋噴樁的施工質(zhì)量，以及軟基海堤的除險(xiǎn)加固質(zhì)量。

3 應(yīng)用效果測(cè)試試驗(yàn)分析

為了測(cè)試單管高壓旋噴樁在軟基海堤除險(xiǎn)加固工作中的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)，并觀察不同加固方法的加固效果。設(shè)置應(yīng)用效果的檢測(cè)指標(biāo)為軟基海堤表面的沉降量和變形量，使用位移傳感器設(shè)備得出量化的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果。為了形成試驗(yàn)對(duì)比，將傳統(tǒng)的軟基海堤除險(xiǎn)加固方法以及文獻(xiàn)[7]中提出的基于云模型的病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固方法作為此次試驗(yàn)的兩個(gè)對(duì)比方法，分別將三種除險(xiǎn)加固方法應(yīng)用到相同的軟基海堤加固工程中，對(duì)比不同方法下的加固效果。

3.1 軟基海堤除險(xiǎn)加固工程概況

此次試驗(yàn)選擇的加固工程項(xiàng)目為位于廣東沿海的某個(gè)軟基海堤，該工程土層層位穩(wěn)定，厚度變化小，連續(xù)性良好。

3.2 設(shè)置單管高壓旋噴設(shè)備參數(shù)

在試驗(yàn)工程環(huán)境下，分別準(zhǔn)備旋噴鉆孔和高壓注漿泵機(jī)設(shè)備，兩設(shè)備的型號(hào)分別為xpz-50和bwt100/30，另外還需要準(zhǔn)備Lj660型號(hào)的立式攪拌機(jī)以及JQB2-10的潛水泵等單管高壓旋噴設(shè)備，并得出對(duì)應(yīng)的成樁結(jié)果，其中部分旋噴樁的成樁結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 單管高壓旋噴樁設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.3 軟基海堤除險(xiǎn)加固效果檢測(cè)對(duì)比結(jié)果

為了形成試驗(yàn)對(duì)比，此次試驗(yàn)選擇多次測(cè)量取平均值的方式，分別在各個(gè)軟基海堤上加載不同大小的荷載，每次加荷后間隔15 min觀測(cè)一次，記錄海堤的沉降情況與變形情況，并結(jié)合傳感器中的讀數(shù)得出量化結(jié)果。綜合各個(gè)位置的沉降與變形結(jié)果得出試驗(yàn)的應(yīng)用效果對(duì)比結(jié)果，其中在50 MPa荷載下沉降與變形的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果 mm

從表4中可以看出，在50 MPa外力荷載下，應(yīng)用傳統(tǒng)和文獻(xiàn)[7]中提出的除險(xiǎn)加固方法得出的平均沉降量分別為62.7 mm和42.3 mm，而平均變形量分別為91.2 mm和80.2 mm。而應(yīng)用單管高壓旋噴樁的除險(xiǎn)加固方法的平均沉降量和變形量分別為28.3 mm和48.8 mm。由此可見(jiàn)在這種外力荷載狀態(tài)下，應(yīng)用單管高壓旋噴樁的除險(xiǎn)加固方法的加固效果更優(yōu)。同理可以得出在其他外力荷載下的試驗(yàn)結(jié)果，綜合所有試驗(yàn)結(jié)果可以得出，將單管高壓旋噴樁應(yīng)用到軟基海堤除險(xiǎn)加固工程中，具有較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié) 論

單管高壓旋噴樁是軟基海堤進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理的一種有效型式，可以通過(guò)與樁間土形成復(fù)合地基，從而提高軟基海堤的承載能力，縮小沉降與變形程度，對(duì)其工程的適用性和應(yīng)用領(lǐng)域拓展具有指導(dǎo)意義。然而由于首次采用單管高壓旋噴工藝處理，可利用的施工參數(shù)較少，加上施工工藝復(fù)雜，因此會(huì)出現(xiàn)施工時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，需要在未來(lái)的研究工作中進(jìn)一步優(yōu)化。