MJS工法與高壓旋噴樁(雙重管)擠土效應(yīng)對比試驗研究

毛祖夏， 楊蘭強， 李佳明

(1. 寧波市鄞城集團有限責(zé)任公司， 浙江 寧波 315010； 2. 寧波市城建設(shè)計研究院有限公司， 浙江 寧波 315000)

0 引言

土體加固已逐漸成為深基坑支護工程、地基處理工程的主要手段。高壓噴射注漿[1]是一種非常有效的土體加固方式。高壓旋噴樁(文中未注明的均為雙重管法)主要是通過噴射很高的水泥漿壓力(一般>20 MPa)聯(lián)合空氣壓力切割土體，使得水泥與土體充分混合形成具有一定強度的水泥土加強體。高壓旋噴樁施工為孔口自然返漿，無法對排漿量及孔內(nèi)壓力進行控制。在深厚軟土地基施工時，如果排漿不暢，會使得加固區(qū)域瞬間產(chǎn)生很高的超靜孔隙水壓力，并引起周邊土體側(cè)向變形和隆起變形[2-3]。在軟土地區(qū)，由于高壓旋噴樁施工過程中對周圍環(huán)境影響較大，尤其是鄰近敏感性建(構(gòu))筑物(地鐵、文物保護建筑、淺基礎(chǔ)建筑等)，故其應(yīng)用受到了限制。

MJS(metro jet system)工法[4]是基于高壓旋噴樁改進的新型工藝，不僅具備了傳統(tǒng)高壓旋噴樁切割土體、加固土體的功能，而且還通過地內(nèi)壓力的監(jiān)測以及孔內(nèi)強制排漿措施控制地內(nèi)壓力，起到控制超靜孔隙水壓力的目的，進而減少對周邊環(huán)境的影響。目前，MJS工法在鄰近敏感建(構(gòu))筑物工程施工中的成功應(yīng)用已有一定報道。吳昌將等[5]針對盾構(gòu)側(cè)穿鄰近古建筑物，采用MJS工法進行加固，加固效果較好，鄰近古建筑物沉降較小。宋玉芹等[6]借助三維有限元方法，研究了上海長江西路越江隧道通過MJS工法土體加固，近距離穿越逸仙路高架樁基，取得了較好結(jié)果。

國內(nèi)外專家學(xué)者主要針對具體工程實例，借助數(shù)值模擬方法、現(xiàn)場監(jiān)測手段間接評估MJS工法和高壓旋噴樁擠土影響問題。趙香山等[7]借助有限元方法對比研究了MJS工法和高壓旋噴樁施工對周邊環(huán)境的影響。梁利等[8]在輕軌車站換乘通道工程中采用MJS工法成功解決了復(fù)雜環(huán)境下施工擾動控制難題。張品等[9]基于長沙地鐵4號線下穿2號線運營隧道MJS水平樁加固工程，通過獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了MJS工法施工對盾構(gòu)的影響。張?zhí)蟍10]詳細介紹了某工程采用MJS工法門式加固成功解決明挖基坑與軌道交通隧道呈小角度斜交上跨的安全難題。鄧開鴻[11]借助DEM和FEM方法，分別研究了高壓旋噴樁在黏性土和砂土的擠土效應(yīng)情況。MJS工法在軟土地區(qū)的應(yīng)用逐漸增多[12-15]，但鮮有關(guān)于MJS工法和高壓旋噴樁在軟土地區(qū)的擠土效應(yīng)對比性試驗的報道。本文通過MJS工法和高壓旋噴樁現(xiàn)場試樁試驗，實時采集MJS工法和高壓旋噴樁施工期間的土壓力、孔隙水壓力、深層土體位移等數(shù)據(jù)，分析和研究MJS工法和高壓旋噴樁施工對周邊環(huán)境的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗地點

試驗地點位于浙江省寧波市鄞州區(qū)，基于濱江北路(惠風(fēng)西路—鄞縣大道、三江橋—四明西路)工程開展了MJS工法和高壓旋噴樁的現(xiàn)場試驗研究。主要涉及土層以①0素填土、①1黏土、①2淤泥、②1淤泥質(zhì)黏土、②2淤泥質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土、④1-1粉質(zhì)黏土為主。土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 施工參數(shù)

高壓旋噴樁、MJS工法施工參數(shù)及邊界條件見表2。其中，MJS工法試驗由1根直徑2.4 m半圓擺噴、1根直徑3 m全圓加固的水泥土樁組成，鉆孔深度6 m，有效樁長5 m，MJS工法搭接厚度為0.6 m。高壓旋噴樁試樁試驗由3根樁徑0.6 m的全圓加固的水泥土樁組成，鉆孔深度6 m，有效樁長5 m，樁間距1.5 m。

表2 高壓旋噴樁、MJS工法施工參數(shù)及邊界條件

1.3 監(jiān)測平面圖布置

MJS工法和高壓旋噴樁施工期間，分別在其周圍布置了土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、深層土體位移監(jiān)測點。MJS工法和高壓旋噴樁試樁監(jiān)測布置示意分別如圖1和圖2所示。

1.4 傳感器埋設(shè)及數(shù)據(jù)采集

孔隙水壓力傳感器、土壓傳感器、深層土體位移監(jiān)測設(shè)備提前1個月埋設(shè)完畢，隨后進行為期半個月的傳感器初始值采集，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后正式開展試驗。經(jīng)試驗前初始值觀測，不同位置同一深度的初始值差異控制在5%以內(nèi)。MJS工法試樁期間實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集見圖3，高壓旋噴樁試樁期間實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集見圖4。

(a) 監(jiān)測平面圖

(b) 監(jiān)測豎向布置圖

(a) 監(jiān)測平面圖

(b) 監(jiān)測豎向布置圖

圖3 MJS工法試樁實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

圖4 高壓旋噴樁試樁實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

1.5 各傳感器類型及規(guī)格

各傳感器類型及規(guī)格見表3。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 土壓力實時變化特點分析

MJS工法試樁期間，深層土壓力隨時間變化的監(jiān)測曲線如圖5所示。高壓旋噴樁試樁期間，深層土壓力隨時間變化的監(jiān)測曲線如圖6所示。圖中的B表示土壓力傳感器與MJS工法(高壓旋噴樁)的樁中心水平距離，H表示傳感器埋置深度。由圖5和圖6可知，高壓旋噴樁與MJS工法均隨著距離B增大，對應(yīng)同深度的土壓力逐漸降低，說明MJS工法、高壓旋噴樁的擠土效應(yīng)隨著水平距離增大影響也越來越小。

表3 各傳感器類型及規(guī)格

(a) B=2.2 m

(b) B=3.2 m

(c) B=5.2 m

(d) B=7.2 m

2.2 MJS工法與高壓旋噴樁最大土壓力對比

不同水平距離B處MJS工法、高壓旋噴樁最大土壓力值統(tǒng)計(H=6 m)見表4。高壓旋噴樁試樁的時間跨度相對于MJS工法要長一些，目的是盡可能減緩高壓旋噴樁密集施工導(dǎo)致的擠土效應(yīng)。盡管如此，以埋深H=6 m處土壓力傳感器為例，對于同一水平距離B，高壓旋噴樁引起的最大土壓力值均大于MJS工法引起的最大土壓力值； 高壓旋噴樁最大土壓力值與MJS工法最大土壓力值之比均大于2.0，說明高壓旋噴樁擠土效應(yīng)更明顯。

(a) B=2.2 m(高壓旋噴樁)

(b) B=3.2 m

(c) B=5.2 m

(d) B=7.2 m

表4 不同水平距離B處的MJS工法與高壓旋噴樁最大土壓力值統(tǒng)計(H=6 m)

當(dāng)B=2.2 m，埋深H=4～6 m時，MJS工法測試數(shù)值跳躍性較大。而本次MJS工法的鉆孔深度為6 m，有效樁長5 m，說明在有效樁長范圍內(nèi)，近距離測試MJS工法周圍土壓力時，受施工影響較明顯，但隨著深度H和水平距離B增大而逐漸消失。

2.3 土壓力隨深度變化分析

MJS工法、高壓旋噴樁施工期間，不同深度處土壓力隨水平距離B的變化曲線如圖7所示。由圖可知，不同深度處的初始壓力均小于靜止土壓力理論值。

對于MJS工法，不同深度處測試的土壓力值介于靜止土壓力理論值與初始壓力值之間。其中，當(dāng)B=7.2 m時，不同深度的土壓力與初始土壓力基本重合； 隨著水平距離B的增大逐漸增大，同一深度土壓力逐漸減小。說明MJS工法施工的擠土效應(yīng)隨著水平距離的增大影響也逐漸減小。

而高壓旋噴樁施工期間，測試的土壓力值均大于同深度靜止土壓力理論值?？梢?，高壓旋噴樁的擠土效應(yīng)相比于MJS工法更為明顯。但高壓旋噴樁也具備MJS工法相同特征，即高壓旋噴樁的擠土效應(yīng)隨著水平距離B的增大影響逐漸減小。

圖7 不同深度處土壓力隨水平距離B的變化曲線

2.4 孔隙水壓力實時變化特點分析

根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，MJS工法和高壓旋噴樁施工期間的擠土效應(yīng)實際為超靜孔隙水壓力。當(dāng)MJS工法、高壓旋噴樁在噴射水泥漿液時，會導(dǎo)致附近孔隙水壓力驟增，而淤泥質(zhì)土滲透系數(shù)較低，導(dǎo)致孔隙水壓力來不及消散，故造成明顯的“擠土效應(yīng)”特點。

MJS工法施工期間，深層孔隙水壓力隨時間變化的監(jiān)測曲線如圖8所示。高壓旋噴樁試樁期間，深層孔隙水壓力隨時間變化的監(jiān)測曲線如圖9所示。圖中的C表示孔隙水壓力傳感器與MJS工法(高壓旋噴樁)樁中心的水平距離，H表示傳感器埋置深度。由圖可知，MJS工法和高壓旋噴樁施工期間，隨著水平距離C逐漸增大，同一埋深的孔隙水壓力均呈現(xiàn)逐漸下降的特點，同樣說明MJS工法和高壓旋噴樁的擠土效應(yīng)影響均隨著水平距離C的增大而逐漸減小。

(a) C=2.2 m

(b) C=3.2 m

(c) C=5.2 m

(d) C=7.2 m

(a) C=2.2 m

(b) C=3.2 m

(c) C=5.2 m

(d) C=7.2 m

2.5 MJS工法與高壓旋噴樁最大孔隙水壓力對比

MJS工法、高壓旋噴樁施工期間，不同水平距離C處的最大孔隙水壓力統(tǒng)計(H=6 m)見表5。以傳感器埋深H=6 m為例，同一埋深H的孔隙水壓力計隨著水平距離C越遠，對應(yīng)的孔隙水壓力呈現(xiàn)逐漸下降的特點； 對于同一水平距離C，高壓旋噴樁施工導(dǎo)致的孔隙水壓力均大于MJS工法施工導(dǎo)致的孔隙水壓力。高壓旋噴樁最大孔隙水壓力值與MJS工法最大孔隙水壓力值之比均大于1.33，說明高壓旋噴樁擠土效應(yīng)更明顯。

2.6 孔隙水壓力隨深度變化分析

MJS工法、高壓旋噴樁施工期間，不同埋深H處孔隙水壓力隨水平距離C的變化曲線如圖10所示。由圖可知，對于MJS工法，當(dāng)C>5.2 m時，測試的孔隙水壓力值均小于同深度對應(yīng)的孔隙水壓力理論值； 當(dāng)C<3.2 m時，測試的孔隙水壓力值均大于同深度孔隙水壓力理論值?？梢?，MJS工法的擠土效應(yīng)隨著水平距離C的增大影響也越來越小。

表5 不同水平距離C處的MJS工法與高壓旋噴樁的最大孔隙水壓力統(tǒng)計(H=6 m)

對于高壓旋噴樁，其孔隙水壓力均大于同深度孔隙水壓力理論值?？梢?，高壓旋噴樁的擠土效應(yīng)相比于MJS工法更為明顯。此外，高壓旋噴樁也具備MJS工法相同特點，即高壓旋噴樁的擠土效應(yīng)隨著水平距離C增加而影響逐漸降低。

圖10 不同埋深H處孔隙水壓力隨水平距離C的變化曲線

2.7 深層土體位移分析

為了獲取施工期間深層土體位移，埋深1根柔性PVC管。埋設(shè)的PVC管易受產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力影響，造成PVC管擠壓變形。再通過活動式測斜儀量測儀器軸線與鉛垂線之間的夾角變化量，計算出土體不同深度的水平位移。

MJS工法、高壓旋噴樁試樁期間，不同深度H處土體水平累計位移曲線如圖11所示。由圖可知，高壓旋噴樁施工期間導(dǎo)致的土體水平位移明顯比MJS工法施工導(dǎo)致的水平位移大。兩者深層土體水平位移特點基本一致，均表現(xiàn)“上大下小”的特征。

圖11 深層土體水平累計位移曲線

MJS工法施工時，導(dǎo)致的土體水平位移最大為9.54 mm，而高壓旋噴樁導(dǎo)致的土體水平位移最大為207 mm?？梢姼邏盒龂姌侗萂JS工法的擠土效應(yīng)更為顯著。

此外，高壓旋噴樁樁長僅5 m，但地表以下6～12 m區(qū)域均有明顯的水平位移。分析認為，由于土質(zhì)主要以淤泥土為主，含水率高，滲透系數(shù)小，高壓旋噴樁引起的超靜孔隙水壓力來不及消散，不僅水平向傳遞，而且向下也有所傳遞，故地表以下6～12 m也出現(xiàn)明顯的水平位移特征； 而MJS工法擠土效應(yīng)不明顯，故對應(yīng)的地表以下6～12 m水平位移不明顯。

3 結(jié)論與討論

為了更好地研究和反映高壓旋噴樁、MJS工法兩者之間的擠土效應(yīng)差異，通過現(xiàn)場MJS工法和高壓旋噴樁試樁試驗，實時監(jiān)測施工期間的土壓力、孔隙水壓力和深層土體位移變化情況，得到如下結(jié)論：

1)MJS工法和高壓旋噴樁在施工期間均表現(xiàn)出不同程度的擠土效應(yīng)，高壓旋噴樁擠土效應(yīng)更明顯。MJS工法雖表現(xiàn)一定程度的擠土效應(yīng)，但基本可以忽略不計。

2)高壓旋噴樁引起最大土壓力及最大孔隙水壓力均大于MJS工法所引起的最大土壓力和最大孔隙水壓力。二者最大土壓力值之比均大于2.00，最大孔隙水壓力值之比均大于1.33。

3)MJS工法施工期間，同深度處測試的土壓力介于靜止土壓力理論值與初始壓力值之間，測試的同深度孔隙水壓力值位于孔隙水壓力理論值兩側(cè)。而高壓旋噴樁施工期間，同深度處測試的土壓力值均大于靜止土壓力理論值，測試的同深度孔隙水壓力值均大于孔隙水壓力理論值。

4)隨著水平距離逐漸增大，MJS工法、高壓旋噴樁施工引起的同深度土壓力、孔隙水壓力均呈逐漸下降特點。說明MJS工法、高壓旋噴樁施工的擠土效應(yīng)影響隨著水平距離增大而逐漸降低。

5)高壓旋噴樁施工期間引起的土體水平位移明顯大于MJS工法施工導(dǎo)致的土體水平位移。二者深層土體水平位移特點基本一致，均表現(xiàn)“上大下小”的特征。

通過MJS工法和高壓旋噴樁現(xiàn)場試驗，直接反映出MJS工法與高壓旋噴樁擠土效應(yīng)的異同。但也存在以下不足之處：

1)在有效樁長范圍內(nèi)，近距離測試MJS工法周圍土壓力時，有明顯“跳躍性”。這種“跳躍性”的原因是施工操作不當(dāng)還是客觀存在，還需進一步研究確定。

2)1根樁的實際施工時間只需30～60 min，但監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，由于超靜孔隙水壓力難以快速消散，導(dǎo)致“擠土效應(yīng)”時間較長，故測試時間也比打樁時間跨度要長，而這種時長可能與打樁數(shù)量成正相關(guān)。打樁數(shù)量與擠土效應(yīng)時長的關(guān)系將是后續(xù)研究工作的重點。

3)在制定試驗方案前期，計劃獲取鉆桿下沉、提升、旋噴時的數(shù)據(jù)，但實際監(jiān)測結(jié)果很難與這個過程做到一一對應(yīng)。故下一步將爭取獲得一一對應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)。