旋噴樁加固施工技術(shù)在房建工程中的應(yīng)用研究

石鳳武（中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300171）

復(fù)合地基指的是將天然地基在處理過程中對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，而補(bǔ)強(qiáng)后的部分與天然基礎(chǔ)共同構(gòu)成了一種人工基礎(chǔ)，其特點(diǎn)是在加載時(shí)原有基礎(chǔ)和補(bǔ)強(qiáng)體共同承擔(dān)加載作用力。由此可見，地基加固效果直接影響基礎(chǔ)承載力，所以必須采用合適的加固施工技術(shù)。目前，在鐵路、公路等工程中，已經(jīng)廣泛采用高壓旋噴樁法對(duì)地基進(jìn)行加固。

本文重點(diǎn)探討了在處于復(fù)雜基礎(chǔ)情況下的房建工程中高壓旋噴樁法的應(yīng)用情況，通過具體的工程案例詳細(xì)闡述了該技術(shù)的施工流程和加固原理，并根據(jù)相關(guān)計(jì)算規(guī)范對(duì)加固后的復(fù)合地基承載力進(jìn)行了驗(yàn)算，并對(duì)加固結(jié)果進(jìn)行分析。

1 工程概況

該項(xiàng)目處于凹陷盆地，基于工程勘察數(shù)據(jù)，各土層的特點(diǎn)如下所述：①素填土：顏色呈淡灰色，質(zhì)地干燥，土層厚度在0.4m～0.7m 之間；②粉質(zhì)黏土：顏色呈黃松色，質(zhì)地干燥，主要由粉質(zhì)黏土組成，厚度在0.5m～3.6m之間；③卵石：顏色呈雜色，主要以深灰色為主，夾雜著少許黃褐色，質(zhì)地濕潤且疏松。卵石大部分為亞圓形狀，粒徑最大可達(dá)到220mm，通常粒徑范圍在50mm～160mm之間。其中，卵石和漂卵石的含量分別為45%～80%和15%～20%；該土層骨架由漂卵石組成，空隙部分被砂土完全填充，土層厚度在0.6m～1.8m 之間，頂部深度在3.9m～6.6m之間；④中砂：顏色呈黃褐色及深灰色，質(zhì)地在疏松至稍密之間，主要由石英和長石顆粒組成，夾雜著一些卵石，其厚度在0.8m～1.5m之間。

項(xiàng)目所在區(qū)域沒有河流、溝渠等地表水經(jīng)過。該地區(qū)的地下水以孔隙滲透為主，產(chǎn)于第四紀(jì)沖洪積砂卵石層。補(bǔ)水方式主要以大氣降水為主，水位高度在495.8m～498.6m之間。

基于本工程實(shí)際情況，高壓旋噴樁法的技術(shù)方法在本工程主要是以三重管為主，施工示意圖如圖1所示[1]。

圖1 三重管法施工示意圖

2 高壓旋噴樁加固原理

采用高壓旋噴樁法對(duì)地基進(jìn)行加固處理，其原理是通過泥漿對(duì)地基進(jìn)行沖擊破壞，使泥漿與土?；旌隙鴮?shí)現(xiàn)水泥硬化，具體加固原理如下：

（1）泥漿沖擊對(duì)土體造成損傷。利用高壓水體對(duì)基礎(chǔ)中的泥土進(jìn)行切割，在超過其承受能力的情況下，土體將破碎，然后將泥漿充滿鉆孔后，泥漿會(huì)溢出滲入土體中的縫隙；其強(qiáng)化區(qū)域?yàn)槟酀{注入段及泥漿滲入段。

（2）泥漿與土?；旌?。在鉆頭和泥漿沖孔的共同作用下，土體會(huì)被沖擊成很多小土粒，一些小顆粒被射入的漿液取代，并被液流帶至地面，另一部分則與漿液混合在一起；在離心率、旋噴動(dòng)壓力和重力等因素的綜合影響下，剖面上的土顆粒按照一定的質(zhì)量和尺寸有序地分布，構(gòu)成泥漿主體的圓柱狀結(jié)構(gòu)。

（3）水泥硬化。將水泥與土粒進(jìn)行充分拌和的過程中，其會(huì)產(chǎn)生一系列的硬化反應(yīng)，從而形成一種高硬度的攪拌樁；而強(qiáng)度高、滲透小的圓柱體是由漿液主體攪拌混合、壓縮和滲透并經(jīng)過長時(shí)間固化形成的[2]。

3 高壓旋噴樁加固計(jì)算

按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因該工程地下存在中砂層，在使用高壓旋噴樁對(duì)其進(jìn)行地基處理時(shí)，按照基底標(biāo)高的差異劃分成2個(gè)加固區(qū)域，分別為加固1區(qū)及加固2區(qū)，基礎(chǔ)處理面積總計(jì)140m2。其中，加固2區(qū)由于其底部的土體厚度小，再加上施工條件的特殊性，使得該區(qū)域施工較為困難。

3.1 計(jì)算樁長及樁徑

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需將旋噴樁埋設(shè)于中砂地層的底部，并將中密卵石地層用作樁端持力層，當(dāng)樁身承受荷載時(shí)，其主要處于應(yīng)力集中狀態(tài)，由此降低對(duì)軟黏土的壓力。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，旋噴樁需加固至持力層700mm 位置處。由于本工程需加固面積較小，僅涉及一個(gè)勘探孔，以該鉆井?dāng)?shù)據(jù)和現(xiàn)場狀況為依據(jù)，加固1區(qū)平均處理深度為3.5m，加固2 區(qū)平均處理深度為2.0m。通過對(duì)現(xiàn)有成樁設(shè)備的分析，旋噴樁直徑選擇為550mm。

3.2 計(jì)算樁距

（1）計(jì)算地基承載力特征值fak

依據(jù)勘察報(bào)告所示的有關(guān)承載力參數(shù)，中砂層承載力特征值確定為fak=150kPa。

（2）計(jì)算單樁豎向承載力特征值Ra

基于相關(guān)地基處理規(guī)范中給出的計(jì)算方法，可以確定單樁豎向承載力特征值Ra，見式（1）和式（2），并取二者計(jì)算結(jié)果中的較小值[3]：

式中η為強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.33；fcu為樁身試塊的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，取9000kPa；Ap為樁的截面積。

根據(jù)式（1）可以計(jì)算得到特征值Ra=ηfcuAp=705.26kN。

式中μp表示樁長；n表示樁身長度區(qū)間內(nèi)劃分的土壤層數(shù)；qsi表示樁身周圍第i層土體的抗側(cè)向力特征值，在本區(qū)域以往施工經(jīng)驗(yàn)中，中砂、中密卵石及密實(shí)卵石分別取值為35kPa、75kPa及80kPa；qp表示為樁身周圍第i層土體的樁端承載力特征值，按照中密卵石取值為1500kPa；li表示第i層土體的厚度，基于勘察報(bào)告可知，中砂層、中密卵石層及密實(shí)卵石層厚度分別為2.0m、0.4m及0.7m。

基于上述公式，對(duì)單樁豎向承載力計(jì)算可知：加固1區(qū)特征值Ra取較小值為Ra= 625.60kN；加固2區(qū)特征值Ra取較小值為Ra= 501.258kN（基礎(chǔ)底部標(biāo)高低于1區(qū)基礎(chǔ)高度2.1m）。

（3）計(jì)算面積置換率

基于地基處理相關(guān)技術(shù)規(guī)范可得面積置換率m的計(jì)算公式為：

式中fspk表示復(fù)合地基承載力特征值，規(guī)范要求需達(dá)到530kPa；fsk表示加固處理之后樁間土體承載力特征值，其取值為150kPa；β表示樁間承載力折減系數(shù)，取值為0.4。

基于式（3）計(jì)算可知，加固1 區(qū)的面積置換率為0.183，加固2 區(qū)的面積置換率為0.229。根據(jù)面積置換率可以得到加固1 區(qū)和加固2 區(qū)等效影響直徑de分別為1.285m和1.149m。

（4）確定樁距

①按照三角形狀布置樁時(shí)，取de=1.05s，可知加固1區(qū)和加固2區(qū)樁距s分別為1.223m和1.09m。

②按照正方形樁布置樁時(shí)，取de=1.13s，可知加固1區(qū)和加固2區(qū)樁距s分別為1.137m和1.07m。

3.3 樁布置方案

旋噴樁加固區(qū)域處于中砂分區(qū)，根據(jù)規(guī)范相關(guān)要求，在保證加固區(qū)域樁面積置換率不小于設(shè)計(jì)值的條件下，將樁位平均分布到基礎(chǔ)之下。該工程采用正方形狀進(jìn)行布樁，加固1 區(qū)樁間距為1.137m，加固2 區(qū)樁間距為1.07m。樁頂部插入中密卵石層1 倍樁徑之上，確定為0.7m，加固1 區(qū)和加固2 區(qū)的樁長分別不低于3.0m和1.5m[4]。

兩個(gè)加固區(qū)域的樁都采用正方形狀進(jìn)行布置，共計(jì)124根，加固1區(qū)和加固2區(qū)的平均樁長分別為3.0m和1.5m，預(yù)期總加固深度達(dá)333m。

3.4 承載力驗(yàn)算

4 高壓旋噴樁施工技術(shù)

4.1 施工準(zhǔn)備

高壓旋噴樁施工技術(shù)準(zhǔn)備工作與最后地基加固效果有著直接關(guān)系，同時(shí)也與對(duì)應(yīng)的高壓旋噴樁施工作業(yè)流暢性有著緊密聯(lián)系。所以，必須嚴(yán)格控制前期準(zhǔn)備工作的相關(guān)要求。例如：施工現(xiàn)場平整作業(yè)時(shí)，要求作業(yè)人員將施工現(xiàn)場內(nèi)的一切雜物和地下2m 范圍內(nèi)的各種障礙物全部清除，確保相應(yīng)場所具有理想的施工效果，為后續(xù)具體操作奠定良好的基礎(chǔ)。

4.2 材料配置

有效開展旋噴樁施工技術(shù)，需要將相應(yīng)施工材料配置工作做好，保證其合理性和可靠性，特別是在施工材料的水灰比、力學(xué)試驗(yàn)以及有關(guān)噴漿量等方面，均需嚴(yán)格檢查，并開展試驗(yàn)分析，這樣才可以保證后續(xù)施工得到有效實(shí)施，防止由于含水量不合理或是本身力學(xué)強(qiáng)度不足，進(jìn)而導(dǎo)致整體施工效率受到影響。在材料配置過程中，還要注意對(duì)各種外加劑的選取與控制，并與特定施工現(xiàn)場要求與施工特點(diǎn)相聯(lián)系，以保證外加劑可以發(fā)揮出最大使用效果。

4.3 試樁操作

試樁操作是旋噴樁在施工前的一項(xiàng)重要工作，選定試驗(yàn)點(diǎn)打設(shè)樁基，并對(duì)其試樁結(jié)果進(jìn)行分析，從而不斷地根據(jù)其實(shí)際效果進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以確定其對(duì)應(yīng)的噴漿量和操作工藝參數(shù)，從而切實(shí)保證高壓旋噴樁施工可以發(fā)揮出更有效的實(shí)際作用。

4.4 鉆井就位

在實(shí)際施工中，為了有效實(shí)施高壓旋噴樁施工技術(shù)，需要對(duì)其對(duì)應(yīng)的鉆機(jī)就位進(jìn)行有效控制，并與對(duì)應(yīng)的放線結(jié)果相聯(lián)系，進(jìn)行有效修正，使得其具有比較理想的精度，以免在各個(gè)步驟中產(chǎn)生比較明顯的偏差。為有效保證對(duì)應(yīng)鉆機(jī)的就位效果，還必須對(duì)其固定效果進(jìn)行適當(dāng)控制，以防止后期產(chǎn)生顯著偏差，減少可能存在的施工操作誤差，提高施工質(zhì)量。

4.5 鉆孔作業(yè)

為了有效提高旋噴樁施工效果，鉆孔作業(yè)無疑是其最重要的一環(huán)。鉆孔作業(yè)的操作方法很多，而本文使用的三管旋噴法在施工作業(yè)中可以發(fā)揮出良好的實(shí)效性，可以提高整個(gè)過程的流暢度，而且可以保證在鉆孔作業(yè)完成后呈現(xiàn)出良好的使用效果。在鉆孔作業(yè)完成后，對(duì)應(yīng)的插管也要順暢，特別要注意避免可能發(fā)生的管道堵塞問題，為后續(xù)旋噴注漿作業(yè)做好準(zhǔn)備。

4.6 旋噴注漿

在旋噴注漿施工過程中，設(shè)備的選擇是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。旋噴注漿作業(yè)應(yīng)該選擇比較適合的設(shè)備，保證其壓力比較精確，并使用前期試樁時(shí)記錄的理想狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，從而防止在實(shí)施中出現(xiàn)過多對(duì)施工質(zhì)量造成影響的因素。在實(shí)際施工過程中，注意控制好泥漿使用量和旋轉(zhuǎn)速率，保證其速率與噴射要求相符，防止在噴射時(shí)發(fā)生停頓或速率過高等問題，噴射注漿示意如圖2所示[5]。

圖2 噴射注漿示意圖

4.7 沖洗和補(bǔ)漿

施工完成后的沖洗作業(yè)應(yīng)將注漿管進(jìn)行全面清洗，防止其發(fā)生堵塞，對(duì)后續(xù)應(yīng)用造成更大困難。另外，對(duì)于注漿結(jié)束后可能產(chǎn)生的收縮應(yīng)采取相應(yīng)措施，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿作業(yè)，以保證注漿的總體效果，提高整個(gè)工程的質(zhì)量。

4.8 具體施工注意事項(xiàng)

（1）噴射孔到高壓灌漿泵之間的間距應(yīng)控制在50m以內(nèi)，鉆孔位置與設(shè)計(jì)位置的誤差應(yīng)控制在50mm 以內(nèi)。鉆孔作業(yè)時(shí)，對(duì)于每一個(gè)孔洞的位置、深度和孔洞下方障礙物、水流、滲水及與地質(zhì)勘查報(bào)告不一致的情況，都必須有詳細(xì)的記錄[6]。

（2）在監(jiān)理工程師現(xiàn)場監(jiān)督下，對(duì)注漿流量、注漿壓力和噴嘴提升等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

（3）在施工過程中，加固區(qū)附近不可進(jìn)行抽水作業(yè)，若地下土層為砂土或是粉質(zhì)黏土?xí)r，必須在旋噴樁施工作業(yè)完成3d 后才可進(jìn)行抽水，有相關(guān)抽水作業(yè)需求的，可以在注漿施工中采用快速固化或早強(qiáng)型材料。

（4）泥漿攪拌體系必須配備可靠的測(cè)量設(shè)備。水泥漿液最好在噴射之前1個(gè)多小時(shí)進(jìn)行拌合，施工過程中的出漿率要控制在10%～25%之間。

（5）施工中需注意文明施工，應(yīng)事先制定方案，過程中產(chǎn)生的廢棄泥漿應(yīng)及時(shí)排出現(xiàn)場，以維持現(xiàn)場施工環(huán)境。

（6）對(duì)測(cè)量位置、泥漿比例、噴注壓力、注漿流量、噴嘴抬升速度、注樁深度、二次旋噴等施工過程進(jìn)行詳細(xì)的紀(jì)錄。

（7）樁之間搭接施工間隔不得超過24h，如果施工間隔過久，必須及時(shí)報(bào)告監(jiān)理，經(jīng)其確認(rèn)后，在施工質(zhì)量無法確保的情況下，可采用部分補(bǔ)樁法或灌漿法。

（8）在旋噴注漿施工中，如發(fā)現(xiàn)任何不正?，F(xiàn)象，應(yīng)立即與監(jiān)理工程師聯(lián)系，找出問題的根源，并采取相應(yīng)的對(duì)策，重新旋噴高度不能低于500mm。

5 結(jié)語

綜上所述，在建設(shè)施工中遇到復(fù)合地基時(shí)，采用高壓旋噴樁法對(duì)地基進(jìn)行處理是一種較為行之有效的方法。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用要對(duì)每一個(gè)基本環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的整體控制，保證相關(guān)施工技術(shù)可以更加順暢、有效，從而達(dá)到對(duì)已有基礎(chǔ)加固的目的，提升類似房建工程的使用性能和安全性。