黃土區(qū)高壓旋噴樁復合地基承載力研究

張舉鵬，高鵬遠，許曉建，范光輝，葛 夏

（1. 甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 710010；2. 石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043；3. 中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；4. 中咨公路養(yǎng)護檢測技術(shù)有限公司，北京 100089；5. 中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

近年來，隨著科技水平的不斷提高，地基處理領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)得到較大發(fā)展，特別是關(guān)于軟土地基的處理的研究日益深入。高壓旋噴樁復合地基處理法作為軟土地基處理的常用方法，以其靈活實用的特點，在加固地基方面得到了廣泛應用，尤其是在黃土地區(qū)涵洞和隧道工程中的基底加固更是成為了熱門選擇。黃土具有強度低、結(jié)構(gòu)性強、水敏性強的特點，在工程上易導致眾多病害，進而威脅工后安全運營。采用旋噴樁加固軟弱地基能夠與周圍土體形成具有更高承載力的復合地基，可有效改善黃土地基承載力不足，沉降變形過大的缺點，對于土體抗?jié)B性也有提升。由此，國內(nèi)大量學者做了相關(guān)研究，取得了豐富的成果。劉平平［1］利用聚丙烯管進行模型試驗，模擬水泥樁來研究得出復合地基樁身軸力的變化規(guī)律。李小杰［2］通過計算分析，討論了承壓板下試驗樁數(shù)、加固深度與承臺寬度的比值、及不同計算方法對地基沉降的影響。賴金星［3］依托大酉山黃土隧道地基加固的實際工程，采用數(shù)值模擬對旋噴樁加固基底后黃土隧道的工后變形及加固效果進行分析，總結(jié)得出旋噴樁對控制黃土隧道變形效果顯著。吳紅剛［4］通過模型試驗和數(shù)值模擬對黃土路基斜向旋噴樁進行研究，得出了不同角度下的斜向旋噴樁的受力特征及變化規(guī)律。賈劍青［5］利用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬對旋噴樁復合地基承載能力和沉降狀況做了分析并得出相關(guān)規(guī)律，指出現(xiàn)場試驗條件對承載力的影響。Kauschinger 等［6］經(jīng)過大量實際工程的積累，總結(jié)出了旋噴樁成樁半徑的經(jīng)驗公式。Meyers J 等［7］通過對高壓噴射注漿技術(shù)處理公路邊坡實際工程的研究分析，得出高壓噴射注漿技術(shù)對提高邊坡的穩(wěn)定性具有顯著效果的結(jié)論。 Wu Y D［8］依托某高速公路旋噴樁加固工程，通過對旋噴樁加固效果加以分析總結(jié)出路基沉降的變化規(guī)律。Wong I H 等［9］通過分析旋噴樁施工過程中對周圍土及建筑的影響，得出旋噴樁加固開挖基坑可有效降低坑壁變形的結(jié)論。

近年來黃土區(qū)涵洞及隧道的基底多采用高壓旋噴樁加固方法，然而，加固后的復合地基承載力特征值多介于 150～250 kPa，對更高承載力的高壓旋噴樁復合地基尚無文獻可參考。有鑒于此，本文以蘭州新區(qū)某連接線互通立交箱型涵洞旋噴樁復合地基加固為依托，通過提高注漿壓力及控制較低的轉(zhuǎn)速來提升地基承載力，采用現(xiàn)場實測的方法，對高壓旋噴樁復合地基的承載能力進行分析。

1 旋噴樁加固原理

高壓旋噴樁是將水和水泥漿混合物或其他流體（空氣、水）通過注漿管上的小直徑噴嘴以極高的速度噴射到地基土中，漿液在高壓作用下會切削和破壞土體，與其形成一種新的水泥—土體結(jié)構(gòu)，注漿管以恒定速率旋轉(zhuǎn)，并緩慢向上提升，一段時間后，注入的漿液在地下凝固，最終形成具有高強度的圓柱形的膠結(jié)土體。

注入的流體進入土體前以極大的速度從噴嘴噴出，由于高壓噴射流沖擊土體時的能量消耗，噴射流的速度沿著噴射的方向產(chǎn)生變化，靠近噴嘴處的噴射流近似于恒定速度v0，而在距離噴嘴較遠處，由于漿體的黏性，部分能量轉(zhuǎn)移到周圍的水泥—土體結(jié)構(gòu)中，噴射流全橫截面的速度都會有一定程度的降低。

噴射流速度vx及其最大值vxmax見式（1）［10］。

式中：v0為噴嘴處的噴射流速度，m/s；Λ為不同噴嘴形狀的系數(shù)；N為噴射泥漿黏度ξf和水的黏度ξw之比（N=ξf/ξw）；d0為噴嘴直徑，m；vx為噴射流速度，m/s；r為表示噴射流橫截面外邊緣到噴射流中心軸的距離，m；x為表示噴射流距噴嘴的距離，m。

在距離噴嘴x處，噴射流橫截面的等效半徑req可通過使方程（2）中的vx/vxmax=ξ獲得，見式（3）。

式中：req為噴射流橫截面的等效半徑，m；ξ為噴射流速度與其最大值之比。

因此，噴射流橫截面積見式（4）。

為簡單起見，對于給定的x值，可假設噴射流速度vx在整個橫截面上都是恒定的，等于等效噴射流速度veq，見式（5）。

式中：c為土壤黏聚力，kPa；k＇為噴射流速度的校準系數(shù)。

既有研究［11-13］表明，高壓噴射流在推進的過程中，由于沖蝕能力的降低，噴射流的速度隨與噴嘴距離的增大而減小，最終會存在一個極限距離，此時噴射流不能夠侵蝕并破壞土體，這個距離就近似于旋噴樁半徑。

等效噴射流產(chǎn)生的單位橫截面上的力ψ見式（7）。

式中：γf為注入漿體的重度，kN/m3；vf為沖擊點處的噴射流速度，m/s；Ω1為考慮能量消耗的參數(shù)。

對于顆粒較小的黏性土，漿體不會滲入土體孔隙，土體表現(xiàn)為連續(xù)體。因此，假設土壤不排水破壞，以總應力進行分析。根據(jù)土體強度，定義一個極限噴射流速度vL，表示能夠侵蝕土體的最小速度。參考 Dabbagh 等人的實驗結(jié)果，Vc可用經(jīng)驗式（8）表示，這里vf與式（5）中的veq取值相等。

式中：α為一個取決于土壤類型的經(jīng)驗參數(shù)。

土體單位面積阻力ψc取決于其不排水黏聚力cu，見式（9）。

式中：Ω3為一個聯(lián)系土壤阻力與土壤強度cu參數(shù)。

當式（7）中的等效噴射流壓力Ψ等于土體阻力Ψc時，噴射流速度vf達到極限值vL，vL值取決于土壤強度cu，見式（10）。

式中：Ωc（=Ω3/Ω1）是根據(jù)實驗結(jié)果評估的參數(shù)。

令極限速度VL等于由式（5）計算的等效噴射流速度veq，則可得到理論最大旋噴樁半徑Rmax。

2 工程應用

蘭州新區(qū)某公路連接線項目，處于黃土地區(qū)，由于黃土地基具有諸多不利特性，需要對線路內(nèi)涵洞地基做加固處理，考慮到對黃土地基處理效果及現(xiàn)場施工條件影響，工程選用高壓旋噴樁復合地基處理方法，本文選取了其中某段工點為研究對象，對高壓旋噴樁復合地基承載力進行研究。工點地質(zhì)勘察結(jié)果如表 1 所示。

表1 地質(zhì)勘察結(jié)果

高壓旋噴樁復合地基樁體采用采用 42.5 級普通硅酸鹽水泥，水灰比為 1.0，樁間距 1.5 m，梅花形布樁，樁徑 0.6 m，樁長 7.0 m。采用雙重管噴射流對漿體進行噴射，提高注漿壓力至 28 MPa，控制轉(zhuǎn)速至 16r/min 及提升速度 15 cm/min，保證成樁質(zhì)量，高壓旋噴樁現(xiàn)場施工如圖 1 所示，旋噴樁施工參數(shù)如表 2 所示。

圖1 高壓旋噴樁現(xiàn)場施工

3 單樁復合地基靜載試驗

3.1 試驗準備

靜載荷試驗是指對樁頂逐級施加豎向或水平力的作用，通過觀察分析荷載和位移的關(guān)系即p-s曲線，來檢測單樁的豎向或水平承載能力的試驗方法。本文隨機抽取 3 根成樁進行復合地基承載力試驗，將樁頭表面凝固的浮漿清除，樁頭打磨平整，在清理過程中盡可能避免對樁周巖土的擾動，嚴禁對樁周土采取預壓、換填等其他形式的擾動。樁頭打磨平整后，按承載板面積鋪設厚 150 mm 中粗砂墊層找平，以保證承載板與下部樁周土與樁頭接觸平整、密實。

試驗采用水泥配重塊壓重平臺反力裝置，配重塊質(zhì)量 200 t，由 250 t 千斤頂施壓，主梁由 3 根 18 號工字鋼組成，副梁由 12 根 18 號工字鋼組成，采用邊長 1.5 m 的正方形承壓板，面積為 2.25 m2。復合地基荷載試驗裝置如圖 2 所示。

圖2 復合地基載荷試驗示意圖

正式試驗前進行預壓，參考規(guī)范取預壓荷載為最大實驗荷載的 5 % 即 35 kPa，考慮到現(xiàn)場表層土較松軟取 70 kPa 為預壓荷載。試驗分十級加載，每級荷載為最大實驗荷載的 1/10，即 70 kPa，第一級可取分級荷載的兩倍即 140 kPa；卸載分五級，每級 140 kPa。

3.2 試驗結(jié)果及分析

為了確定單樁復合地基承載力及沉降變形，分為 3 組試驗（1 #、2 #、3 #），試驗以 JGJ 340-2015《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》［14］為依據(jù)。試驗前，先采用低應變對各樁進行完整性檢測，檢測表明各樁樁身完整。各單樁復合地基p-s曲線如圖 3 所示。

由圖 3 可知，單樁復合地基在樁頂豎向壓力作用下，荷載—沉降曲線為平緩的曲線，通常典型的p-s曲線可按發(fā)生順序分為壓密變形階段、局部剪損階段和整體剪切破壞階段 3 個階段，對應在曲線上的變化應該是直線段、緩變段和陡降段，但在圖 3 中可見此種趨勢并不明顯，比例極限和極限荷載不易看出。依據(jù) JGJ 340-2015《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，在p-s曲線為平緩的光滑曲線時，可根據(jù)相對變形值確定承載力特征值，取s/d=0.008，試驗所用承壓板邊長為 1.5 m，即12mm對應曲線上的荷載值為承載力特征值，有圖 3 可知，在最大試驗荷載 700 kPa 時各組承壓板沉降量在81.25～86.01，且 12 mm 對應的荷載均＞350 kPa。由于所取的承載力特征值不應大于最大試驗荷載的 1/2，將各單樁復合地基承載力特征值歸結(jié)如表 3 所示。

圖3 單樁復合地基 p-s 曲線

表3 單樁復合地基承載力特征值

4 結(jié)論

在增大樁徑、擴大樁底和樁頂、改變水灰比等改進措施下，高壓旋噴樁對于黃土地區(qū)涵洞的基底加固效果顯著，經(jīng)過旋噴樁加固后的復合地基承載力達到 350 kPa，最大試驗荷載 700 kPa 時的沉降量也可控制在 85 mm 左右。該研究結(jié)果將對黃土地區(qū)采用高壓旋噴樁加固復合地基承載力超過 300 kPa 提供數(shù)據(jù)參考。Q