砂卵石回填地基高壓旋噴樁處理技術(shù)應(yīng)用

羅 輝，向海泉，劉 民

（中鐵二局房地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，四川成都 610031）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快和城市面貌建設(shè)的不斷更新，建筑行業(yè)蓬勃發(fā)展，大量建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，而建筑的設(shè)計(jì)與施工是建筑安全和品質(zhì)呈現(xiàn)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。建筑起始于基礎(chǔ)，立足于地基。由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不可預(yù)見(jiàn)性，并在以高層或超高層建筑為城市建設(shè)常態(tài)的趨勢(shì)下，地基的正確處理尤為重要，其直接關(guān)系到建筑和生命的安全。陳俊任［1］在巖土工程勘察分析基礎(chǔ)上，指出地基遇未固結(jié)松散狀土可采用高壓旋噴樁加固，但具體如何設(shè)計(jì)和施工尚需探討。陳海軍等［2］在位于抗震不利地段成都某安置房采用了高壓旋噴樁進(jìn)行軟弱土加固，闡述了施工工藝流程和試驗(yàn)方法，論述了消除軟弱土不利抗震影響的作用。李鳴鶴［3］在對(duì)高壓旋噴樁復(fù)合地基概念、應(yīng)用和施工質(zhì)量控制的論述中，強(qiáng)調(diào)了施工時(shí)指標(biāo)參數(shù)的控制以達(dá)到地基強(qiáng)度及穩(wěn)定性目的。唐延貴等［4］從卵石地基高壓旋噴樁加固的方案、施工、檢測(cè)等方面進(jìn)行了研究，得出高壓旋噴注漿法處理類似軟弱層的可行性和適用性。

本文以成都某工程為例，對(duì)基于不明地質(zhì)條件誤挖天然地基后的加固處理難題進(jìn)行深入研究，提出區(qū)別于常見(jiàn)天然地基、回填地基等直接加固處理外的復(fù)合地基設(shè)計(jì)、驗(yàn)算和應(yīng)用，解決超挖、誤挖、半填半挖等類似地基加固難題，為類似工程地基處理提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

某工程位于成都市郫都區(qū)，由11棟高層住宅建筑、1棟商業(yè)建筑及二層地下室組成，總建筑面積281 683.45 m2，其中地基超挖樓棟7#樓建筑面積19 332.55 m2，建筑高度為88.6 m，地上30層，地下2層，場(chǎng)地類別Ⅱ類，基礎(chǔ)形式為筏板，厚度1.4 m，埋深9.9 m，結(jié)構(gòu)類型為剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)置于中密卵石層，設(shè)計(jì)地基承載力特征值為500 kPa，平面布置如圖1所示。

圖1 平面布置

1.2 巖土工程條件

場(chǎng)地地貌單元屬岷江I級(jí)階地，地層主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層的雜填土、素填土及第四系全新統(tǒng)沖洪積成因的粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂及砂卵石層組成。

場(chǎng)地地下水類型主要為第四系上層滯水、卵石層中孔隙潛水，通過(guò)管井降水措施，地下水位降至筏板基底以下約3.5 m。

1.3 地基現(xiàn)狀

開(kāi)挖至筏板以及電梯井基礎(chǔ)標(biāo)高時(shí)，發(fā)現(xiàn)基底分布有勘察報(bào)告未揭露中砂、松散卵石軟弱層，與報(bào)告的中密或密實(shí)卵石層迥異。經(jīng)五方聯(lián)合驗(yàn)槽，基于工期因素和最快捷方案處理原則，實(shí)施中砂、松散卵石軟弱層換填方案，在3個(gè)區(qū)域超挖3～5 m深度后，仍未見(jiàn)設(shè)計(jì)持力層后隨即叫停。后于現(xiàn)狀基底補(bǔ)充勘察6個(gè)孔位，其中3個(gè)孔位下仍以透鏡體形式存在約3～5 m砂、松散卵石層，且經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算深度修正后地基承載力仍無(wú)法滿足，同時(shí)基坑底涌現(xiàn)明水，基坑開(kāi)挖坡面松散卵石層無(wú)護(hù)坡措施，超挖部分基坑邊距相鄰1棟在建建筑約8.5 m，距整體地下室護(hù)壁樁支護(hù)面約6 m，現(xiàn)狀情況復(fù)雜，具有較大安全風(fēng)險(xiǎn)（圖2）。

圖2 工程現(xiàn)狀及補(bǔ)充勘察孔位示意

2 地基處理方案

2.1 方案選擇

經(jīng)多家專業(yè)地基處理資深單位、注冊(cè)巖土專家、注冊(cè)結(jié)構(gòu)專家、圖審專家等多次現(xiàn)場(chǎng)踏勘和多方案研究，最終提出地基加固方案如表1所示。

表1 地基加固方案

經(jīng)多次論證，最終從安全、工期、成本、質(zhì)量等方面綜合擇優(yōu)選取高壓旋噴樁復(fù)合地基加固方案。

2.2 高壓旋噴樁設(shè)計(jì)

根據(jù)方案對(duì)該建筑基礎(chǔ)筏板超挖范圍采用級(jí)配砂卵石回填后，利用高壓旋噴樁滿堂布樁進(jìn)行復(fù)合地基處理，基底與樁頂之間設(shè)置300 mm厚中砂級(jí)配碎石褥墊層，復(fù)合地基處理后承載力特征值不小于500 kPa。經(jīng)計(jì)算布置高壓旋噴樁756根，設(shè)計(jì)樁徑500 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為2.3～8.7 m，以中密及以上卵石層作為樁端持力層，且進(jìn)入持力層不小于0.5 m。

2.3 高壓旋噴樁計(jì)算

2.3.1 單樁豎向承載力計(jì)算

根據(jù)補(bǔ)充勘察數(shù)據(jù)擇取最不利BK2孔、超挖深度較淺的BK4孔及未超挖的BK3孔計(jì)算（表2），以 《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）［5］相關(guān)規(guī)定，引入單樁豎向承載力特征值估算公式：

表2 回填和現(xiàn)狀補(bǔ)充勘察土層數(shù)據(jù)

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；up為樁的周長(zhǎng)，m，up=1.57 m；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；lpi為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；ap為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值1.0；qp為樁端端阻力特征值，kPa；Ap為樁的截面積，m2，Ap=0.196 m2。

據(jù)表2和勘察報(bào)告給出的表3土層阻力特征值數(shù)據(jù)代入式（1），可得表3中Ra。

表3 力學(xué)參數(shù)和單樁豎向承載力計(jì)算

2.3.2 單樁豎向承載力確定

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）相關(guān)規(guī)定，復(fù)合地基樁身強(qiáng)度應(yīng)滿足公式為

式中：fcu為樁體試塊（邊長(zhǎng)150 mm立方體）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，kPa，（工程主要加固土層為卵石層，旋噴后樁體抗壓強(qiáng)度取8MPa）；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值0.9。

代入式（2）計(jì)算得出，滿足樁身強(qiáng)度條件下單樁豎向承載力特征值Ra≤435.56 kN，綜合對(duì)比式（1）與式（2）計(jì)算結(jié)果，基于安全余量和計(jì)算便利最終Ra取值420 kN。

2.3.3 置換率計(jì)算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）相關(guān)規(guī)定，初步設(shè)計(jì)時(shí)復(fù)合地基承載力特征值可采用估算公式為

式中：fsk為處理后復(fù)合地基承載力特征值，kPa，該值設(shè)計(jì)要求為500 kPa；m為面積置換率；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值1.0；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa，以最不利的回填卵石層取值200 kPa，即達(dá)到地勘報(bào)告對(duì)應(yīng)的松散卵石層標(biāo)準(zhǔn)。

代入式（3），計(jì)算求得理論面積置換率m=0.174。

2.3.4 布樁計(jì)算

將單樁承擔(dān)的實(shí)際處理面積看著一個(gè)圓，當(dāng)單樁處理面積相等時(shí)，引入等效圓直徑來(lái)計(jì)算復(fù)合地基置換率公式為［6］

式中：d為樁身平均直徑，m；de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，m。

代入式（4），計(jì)算得de=1.2 m。

根據(jù)正方形布樁規(guī)則de=1.13s，可得出s=1.06 m。

因此，樁間距s取值1.05 m進(jìn)行正方形布樁計(jì)算，從表4可知，面積置換率符合要求。

表4 布樁結(jié)果

2.3.5 壓縮模量計(jì)算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）相關(guān)規(guī)定，復(fù)合地基壓縮模量等于該天然地基壓縮模量的ζ倍，可按下式確定：

式中：fak為基礎(chǔ)底面下天然地基承載力特征值，kPa，取值為200 kPa。

代入式（5），可得ζ=2.5。復(fù)合地基壓縮模量Es=天然地基壓縮模量×ζ=35 MPa。

由計(jì)算過(guò)程和結(jié)果可知，采用級(jí)配砂卵石回填后，利用高壓旋噴樁進(jìn)行復(fù)合地基處理方案是可行的。

3 高壓旋噴樁施工工藝

3.1 回填壓實(shí)

基礎(chǔ)超挖部分采用級(jí)配砂卵石回填壓實(shí)，卵石粒徑以5～12 cm為宜，占總量的70% ～80%，分層回填和壓實(shí)，分層厚度不超過(guò)0.5 m，壓實(shí)機(jī)械反復(fù)碾壓3～5遍，達(dá)到地勘報(bào)告對(duì)應(yīng)的松散卵石層密實(shí)度，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)N120超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)判定；另一方面高壓旋噴樁施工前施工參數(shù)和工藝應(yīng)經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樁確定。

3.2 引孔工藝

為保證成樁質(zhì)量和降低機(jī)械損耗，采用SH-30型潛孔鉆機(jī)跟管引孔，引孔直徑不小于130 mm，孔內(nèi)置入?75PVC管件以備旋噴時(shí)鉆桿下放。

3.3 旋噴工藝

考慮成都地區(qū)地基卵石粒徑較大，高壓旋噴注漿過(guò)程中有一定切割力損失，采用雙管法進(jìn)行旋噴施工。

高壓噴射注漿采用強(qiáng)度等級(jí)為P.O.42.5級(jí)及以上等級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比0.8～1.2，注漿管樁底停留時(shí)間不少于3 min，注漿過(guò)程中注漿射流壓力大于25 MPa，流量大于35 L/min，注漿管的提升速度0.1～0.2 m/min，氣流壓力0.7 MPa，噴射管旋轉(zhuǎn)速度小于20 r/min，樁頂l.0 m范圍及砂層應(yīng)進(jìn)行復(fù)噴，成樁直徑應(yīng)大于500 mm，樁身強(qiáng)度不小于8.0 MPa。

3.4 褥墊層

為保證旋噴樁與樁間土共同作用，高壓旋噴樁樁頂完成截樁后鋪設(shè)褥墊層，鋪設(shè)范圍至筏板外側(cè)外延200 mm。褥墊層采用中砂級(jí)配碎石，砂石比例為1∶3，最大粒徑不宜大于20 mm，虛鋪厚度340 mm，壓實(shí)后厚度為300 mm，夯填度不應(yīng)大于0.9（夯填度即為夯實(shí)后的厚度與虛鋪厚度的比值，300/340=0.88＜0.9）。

4 施工周期和試驗(yàn)檢測(cè)

4.1 復(fù)合地基施工周期

2020年12月14日進(jìn)場(chǎng)對(duì)超挖區(qū)域回填壓實(shí)，2021年1月22日高壓旋噴樁全部實(shí)施完畢，2021年2月2日靜載試驗(yàn)完畢，期間遇重度污染天氣限制延誤12 d，試驗(yàn)檢測(cè)12 d，因此實(shí)際工期為40 d。

4.2 試驗(yàn)檢測(cè)

委托檢測(cè)中心依據(jù)《四川省建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（DBJ51/014—2013）［7］采用超重型動(dòng)力觸探儀、慢速維持荷載法進(jìn)行了回填卵石土層N120超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)及單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，其中依據(jù)規(guī)范觸探試驗(yàn)按1點(diǎn)/100 m2標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)9處，靜載試驗(yàn)分別按不少于總樁數(shù)的0.5%且不少于3個(gè)點(diǎn)試驗(yàn)4根樁。

以其中3處N120超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測(cè)曲線為例（圖3），動(dòng)阻力以探頭每貫入地層10 cm的實(shí)際錘擊數(shù)表示，記為N120。以動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行地基密實(shí)度評(píng)價(jià)（表5），9處回填土密實(shí)度為松散～密實(shí)，滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 地基密實(shí)度評(píng)價(jià)

圖3 N120超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測(cè)曲線

擇取單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)最大沉降量545#樁為例，其荷載-沉降（Q-s）曲線、沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)（s-lg t）曲線和沉降-荷載對(duì)數(shù)（s-lg Q）曲線如圖4所示。

圖4 545#樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)檢測(cè)曲線

在樁頂沉降速率達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，從試驗(yàn)記錄（表6）可知，545#樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)9次分級(jí)荷載逐級(jí)等量加載達(dá)設(shè)計(jì)最大加載值時(shí)樁頂累計(jì)沉降值為8.18 mm，4次分級(jí)荷載逐級(jí)等量卸載后樁頂殘余沉降量為5.32 mm；由抽檢的4根樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)匯總結(jié)果（表7）可知，4根樁分級(jí)荷載逐級(jí)等量加載至設(shè)計(jì)單樁豎向抗壓承載力特征值兩倍即840 kN，各級(jí)荷載加載下樁頂沉降速率相對(duì)穩(wěn)定，且累計(jì)最大沉降量為8.18 mm＜40 mm，滿足規(guī)范合格標(biāo)準(zhǔn)。因此，抽檢的4根樁單樁豎向抗壓承載力特征值不小于420 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 545#樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)記錄

表7 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)匯總結(jié)果

擇取單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)最大沉降量630#樁為例，其荷載-沉降（P-S）曲線如圖5所示。

圖5 630#樁單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)P-S曲線

在承壓板沉降量達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，從試驗(yàn)記錄（表8）可知，630#樁單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)9次分級(jí)荷載逐級(jí)等量加載達(dá)設(shè)計(jì)最大加載值時(shí)承壓板累計(jì)沉降值為8.19 mm，4次分級(jí)荷載逐級(jí)等量卸載后承壓板殘余沉降量為5.92 mm；由抽檢的4根樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)匯總結(jié)果（表9）可知，4根樁分級(jí)荷載逐級(jí)等量加載至復(fù)合地基設(shè)計(jì)承載力特征值兩倍即1 000 kN，各級(jí)荷載加載下承壓板沉降量相對(duì)穩(wěn)定，且累計(jì)最大沉降量為8.19 mm＜63mm（承壓板寬度1 050 mm的6%），滿足規(guī)范合格標(biāo)準(zhǔn)。因此，抽檢的4根樁復(fù)合地基承載力特征值不小于500 kN，復(fù)合地基壓縮模量不小于35 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

表8 630#樁單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)記錄

表9 單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)匯總結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文圍繞地基基于不明復(fù)雜地質(zhì)條件超挖后有別于原始天然地基或回填地基加固處理的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)綜合比較確定采用高壓旋噴樁技術(shù)實(shí)施復(fù)合地基加固處理，通過(guò)高壓旋噴樁加固方案的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算，從理論上驗(yàn)證了方案的可行性和安全性。施工中合理采用引孔工藝與安全質(zhì)量控制措施，確保了高壓旋噴樁復(fù)合地基安全、質(zhì)量、工期及成本的有效控制。觸探和靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，高壓旋噴樁加固處理后的復(fù)合地基能完全滿足設(shè)計(jì)地基承載力要求，在首保安全前提下兼具實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，其成功經(jīng)驗(yàn)可為超挖、回填、半填半挖、軟弱地基等類似地基加固提供思路參考和實(shí)例借鑒。