高速公路路基高壓旋噴樁處治施工技術(shù)

趙民介

（石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

我國(guó)軟土的分布范圍廣，許多高速公路需要修建在軟土路基上。軟土壓縮性小、強(qiáng)度低、透水性差的特性加大了高速公路修建的難度，軟土路基的加固處理成為高速公路修建的關(guān)鍵，不進(jìn)行軟土處理的高速公路將出現(xiàn)不均勻沉降、平整度低、甚至路面開裂等現(xiàn)象[1]。現(xiàn)有的加固處理方法有換填法、排水固結(jié)法、夯實(shí)地基法、復(fù)合地基法等，每種處理法有其自身的優(yōu)越性。本文主要研究復(fù)合地基法中的高壓旋噴樁法，該方法具有適用范圍廣、施工簡(jiǎn)便、成樁形式靈活多變、施工中噪音小等優(yōu)點(diǎn)。

1 高壓旋噴機(jī)理

1.1 高壓噴射流體力學(xué)特征

當(dāng)高壓設(shè)備將水泥漿從小直徑噴嘴噴出時(shí)水泥漿即刻獲得一個(gè)很大的動(dòng)力勢(shì)能，高速、高壓的流動(dòng)態(tài)漿液獲得的初速度按以下流體力學(xué)公式計(jì)算：

式（1）中：v0為液體的初速度（m/s）；φ為噴嘴流速系數(shù)；g為重力加速度，取9.8m/s2；p為入口壓力（Pa）；γ為流體的重度（N/m3）。

根據(jù)計(jì)算得到的流體初速度便可計(jì)算每秒內(nèi)高壓設(shè)備能夠噴射出的流體量，計(jì)算公式如下：

式（2）中：Q為單位時(shí)間內(nèi)的噴射量（m3/s）；μ為流量系數(shù)；A0為噴嘴的面積（m2）。

高壓噴射可分為四種噴射流（見表1）。通常把單管噴射流、多重管噴射流歸類為單液壓噴射流，三重管噴射流以及雙重管噴射流歸類為混合高壓噴射流。圖1為單液高壓噴射流的3個(gè)重要階段：初期區(qū)域、主要區(qū)域、終期區(qū)域。噴嘴處液體被均勻噴出，隨著距離的增大液體的動(dòng)能減小，流速也會(huì)變小，擴(kuò)散不再均勻，擴(kuò)散角度變大；液體進(jìn)入主要區(qū)域擴(kuò)散速率保持穩(wěn)定，充分與土體顆粒發(fā)生融合；終期區(qū)域內(nèi)液體轉(zhuǎn)變?yōu)殪F化狀態(tài)，流速接近為零，此時(shí)擴(kuò)散寬度達(dá)到最大[2-3]。

表1 四種噴射流

圖1 單液高壓噴射流構(gòu)造

1.2 成樁機(jī)理

水泥-土骨架結(jié)構(gòu)的形成：經(jīng)高壓噴出的水泥漿擁有將土體切削破壞的能力，破壞后的細(xì)小土顆粒與水泥漿充分混合在一起形成土-水泥混合物，在噴射與混合過程中土顆粒將會(huì)以小顆粒在中、大顆粒外側(cè)邊緣的排布方式重新排列，水泥水化進(jìn)一步使得土體被包裹，同樣土體內(nèi)部會(huì)伴隨著結(jié)晶物的生長(zhǎng)與延伸，形成一種較致密且具有一定強(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；水泥持續(xù)的水化反應(yīng)，土-水泥混合物繼續(xù)固化，最終將生成一種新的水泥-土骨架結(jié)構(gòu)[4]。

旋噴樁的形成：噴射管提升的方式有多種，不同提升方式形成的水泥-土骨架結(jié)構(gòu)旋噴樁形狀各有不同，比如有邊旋轉(zhuǎn)邊提升的圓柱體、不旋轉(zhuǎn)只提升的壁狀體、邊擺動(dòng)邊提升的扇形體。

1.3 施工流程

高壓旋噴樁施工流程可劃分為以下幾個(gè)階段：平整場(chǎng)地→孔位放樣→鉆機(jī)就位→造孔→鉆機(jī)移位→成孔校驗(yàn)→噴射裝置就位→地面噴射→地下試噴→噴射注漿作業(yè)→下管靜壓回填注漿作業(yè)→下沖洗機(jī)具→高噴臺(tái)車移位→間歇性回填注漿。

2 復(fù)合地基受力特性

2.1 復(fù)合地基承載力計(jì)算

復(fù)合地基承載力由旋噴樁極限承載力與原地基極限承載力按一定原則復(fù)合而成，可以用樁直徑、樁長(zhǎng)、地質(zhì)資料計(jì)算得到單樁的極限承載力[5]。下面將分別介紹兩種極限承載力計(jì)算方法：

（1）單樁豎向承載力極限值計(jì)算

剛性樁地基和柔性樁地基的承載力極限值都是采用以下兩種計(jì)算方式，在取值時(shí)取兩者之間的較小者。

式（3）中：Ap為旋噴樁的橫截面面積（m2）；f為旋噴樁周摩擦力極限值（kPa）；SA為摩擦樁的周長(zhǎng)（m）；Li為按土層劃分的大樁長(zhǎng)（m）；R為樁端土極限承載力（kPa）。

式（4）中：q為旋噴樁樁體的極限抗壓強(qiáng)度（kPa）。

（2）復(fù)合地基承載力極限值計(jì)算

當(dāng)軟土地基中加壓旋噴形成復(fù)合地基時(shí)，其承載力極限值按下式計(jì)算：

式（5）中：pcf為旋噴樁單樁極限承載力（kPa）；psf為天然地基承載力（kPa）；k1為反映復(fù)合地基中樁體實(shí)際極限承載力與單樁極限承載力不同的修正系數(shù)；k2為反映復(fù)合地基中樁間土實(shí)際極限承載力與天然地基極限承載力不同的修正系數(shù)；γ1為反映復(fù)合地基破壞時(shí)，樁體發(fā)揮其極限強(qiáng)度的比例，稱為樁體極限強(qiáng)度發(fā)揮度；γ2為反映復(fù)合地基破壞時(shí)，樁間土發(fā)揮其極限強(qiáng)度的比例，稱為樁間土極限強(qiáng)度發(fā)揮度；m為復(fù)合地基面積置換率。

2.2 旋噴樁地基受力特性

2.2.1 樁土荷載傳遞性

上部荷載由旋噴樁與樁間土共同承擔(dān)。部分荷載通過樁間土傳遞到地基，另一部分荷載將通過旋噴樁傳至地基，荷載傳遞路線如圖2所示。

圖2 地基荷載傳遞示意

在上部荷載作用下，樁間土、旋噴樁都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的位移，由于兩種材料屬性不一致導(dǎo)致下降速度不同，土體與樁之間產(chǎn)生相對(duì)位移。土層從淺到深位移速度逐漸變緩，樁的位移速度保持不變，在一定深度D0內(nèi)土層速度大于樁體，土層對(duì)旋噴樁有一個(gè)向下的摩擦力且隨深度變深而減小，當(dāng)深度大于D0時(shí)，旋噴樁會(huì)受到土層向上的摩擦力，樁身軸力變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 樁身軸力隨深度變化示意

2.2.2 樁側(cè)摩阻力

高壓旋噴樁優(yōu)點(diǎn)之一在于其能夠利用自身側(cè)摩阻力來(lái)抵消上部荷載，側(cè)摩阻力的大小直接影響樁的耐久性，提高樁身摩阻力是該技術(shù)的關(guān)鍵步驟。樁身側(cè)摩阻力的影響因素及影響效果見表2。

表2 樁身側(cè)摩阻力影響因素及影響效果

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程背景

某高速公路因修筑多年且受該地基軟土影響已出現(xiàn)小幅不均勻沉降等病害，經(jīng)有關(guān)部門相關(guān)技術(shù)分析決定對(duì)其地基進(jìn)行高壓旋噴樁加固處理，該高速公路全線長(zhǎng)100km。本次高壓旋噴樁施工選用水泥為膠結(jié)材料，技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 高壓旋噴樁施工參數(shù)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)

（1）鉆芯取樣檢測(cè)。高壓旋噴樁養(yǎng)護(hù)28d后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鉆芯，對(duì)芯樣的表觀狀態(tài)以及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。所試驗(yàn)的3根芯樣上中下3個(gè)部位噴灰量均正常，硬度、樁長(zhǎng)皆滿足設(shè)計(jì)要求；三根芯樣的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.7MPa，滿足規(guī)范所要求的1.6MPa。

（2）低應(yīng)變法檢測(cè)旋噴樁完整性。該方法采用穩(wěn)態(tài)激振原理使樁頂產(chǎn)生輕微振動(dòng)，進(jìn)而測(cè)得樁頂?shù)乃俣葧r(shí)程曲線進(jìn)行波動(dòng)分析，以檢測(cè)樁的完整性。樁身的完整性分類如表4所示。

表4 樁身完整性分類

本項(xiàng)目隨機(jī)選取100條旋噴樁，低應(yīng)變?cè)囼?yàn)檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 旋噴樁低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

從表5可以看出這100根旋噴樁中92%是Ⅰ類樁，其余的都是Ⅱ類樁，說明該工程旋噴樁施工質(zhì)量滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

高速公路路基高壓旋噴樁技術(shù)是一種簡(jiǎn)單、有效的軟土加固技術(shù)，旋噴樁不僅能夠依靠自身強(qiáng)度抵抗上部荷載，同時(shí)能夠運(yùn)用土層對(duì)其側(cè)摩阻力來(lái)抵抗上部荷載，減少了路面的沉降，保證了車輛的行駛安全。通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)高壓旋噴樁體的無(wú)限側(cè)壓強(qiáng)度高且樁體合格率較高，極大地保證了施工質(zhì)量。