沖積地層環(huán)境中的樁基加固施工技術(shù)

毛豹

（中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)，土地資源的充分利用變得尤為重要。沖積地層的承載力相對較低，無法滿足大型建筑物的需求[1]。通過樁基加固，可以在較小的區(qū)域內(nèi)提高地基的承載力，適應(yīng)更大的建筑荷載，滿足大型建筑物的建設(shè)要求[2]。沖積地層在地震等外力作用下容易發(fā)生液化現(xiàn)象，導(dǎo)致建筑物地基失去支撐力，從而引發(fā)建筑物沉降或傾斜。這種情況下進(jìn)行樁基加固可以提高地基的抗液化能力、穩(wěn)定性和抗震性能。在沖積地層中進(jìn)行樁基加固時(shí)，可以在地基上直接施工，無須進(jìn)行大量的土方開挖和土方填筑，節(jié)省時(shí)間和成本[3]。然而，沖積地層中的土壤松散，在進(jìn)行施工時(shí)可能會遇到土壤坍塌、失穩(wěn)等問題，增加了施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)。若進(jìn)行樁基加固施工，需要進(jìn)行振動等作業(yè)，可能會對周圍環(huán)境和建筑物產(chǎn)生影響，需要考慮振動對周圍結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響。而且在沖積地層中地下水位變化幅度大，可能導(dǎo)致施工現(xiàn)場的涌水問題，影響施工的穩(wěn)定性和安全性。目前存在將樁基施工分段進(jìn)行的施工方法，有利于適應(yīng)復(fù)雜地層的變化，提高施工精度。采用擾動射流系統(tǒng)可以清除施工過程中地層中的松散顆粒，為施工創(chuàng)造良好條件，分段施工和擾動-注漿可以根據(jù)地層情況進(jìn)行調(diào)整，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在這樣的背景下，研究提出擾動-注漿一體化樁基加固施工技術(shù)，對施工設(shè)備和流程進(jìn)行改良，以期為沖積地層環(huán)境中的樁基加固施工提供可行的技術(shù)參考。

2 擾動-注漿一體化樁基加固施工技術(shù)設(shè)計(jì)

沖積地層廣泛分布在河流流域、沿海沿湖地區(qū)、高原地區(qū)，地層的地質(zhì)情況多變。在進(jìn)行橋梁樁基修建時(shí)，沖積地層中的不同密度沖積物質(zhì)會導(dǎo)致樁基承載力分布不均勻，地層的孔隙水壓力變化會影響樁基穩(wěn)定性，沖積地層中的顆粒間摩擦力可能影響樁基的側(cè)向穩(wěn)定性。進(jìn)行樁基加固能夠在沖積地層中提高橋梁樁基的穩(wěn)定性。目前常用的灌注樁后注漿施工方式無法在沒有預(yù)埋注漿管的既有樁基上開展，且漿液流向難以控制，導(dǎo)致漿液的有效利用性降低。為了提升漿液的有效利用性，研究提出擾動-注漿一體化的樁基加固施工技術(shù)。在鉆孔所使用鉆機(jī)上增加鉆頭和封孔器改造成優(yōu)化鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)鉆孔和注漿過程的同時(shí)進(jìn)行，引入擾動射流系統(tǒng)工法進(jìn)行施工。施工的完整步驟設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 樁基加固施工步驟

由圖1 可知，在施工時(shí)首先需要對施工現(xiàn)場環(huán)境和地質(zhì)條件進(jìn)行評估，對施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后開始進(jìn)行施工。施工時(shí)，首先使用優(yōu)化鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，在既有樁基周圍等距離位置進(jìn)行自鉆旋轉(zhuǎn)沖擊土體，形成指定深度的成孔。鉆孔的深度由加固深度和樁長確定。在鉆孔深度達(dá)到方案指定深度后，對樁基加固進(jìn)行分段施工。在鉆孔底部的位置向上一邊提升一邊旋轉(zhuǎn)將鉆桿位置提高，使用噴嘴噴射高壓水對周圍土體進(jìn)行切割，高壓水的噴射流動壓破壞土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使土塊和土顆粒從土體中分離。部分土塊和土顆粒與水混合，形成土水混合體。水土混合體孔隙較大、強(qiáng)度較低，使用振動錘逐漸將樁壓入地下，形成擾動區(qū)，作為施工的擾動區(qū)域。擾動過程中控制振動錘的頻率和振幅，以避免過度振動引起地層破壞。完成擾動后，將注漿管向下移動到擾動區(qū)域的底部位置，使用噴嘴噴出高壓水泥漿。水泥漿與擾動后的水土混合體在擾動區(qū)域內(nèi)進(jìn)行混合，混合體中的壓力差導(dǎo)致漿液和土粒進(jìn)行移動，形成新的混合體。在高壓注漿達(dá)到鉆孔底部位置時(shí)，停止注漿管的移動，噴頭管道保持注漿。在漿液未流出地面時(shí)，噴嘴進(jìn)行水泥漿的低壓靜注，將擾動區(qū)域進(jìn)行填充和壓密，并滲透區(qū)域外近距離的土體。若漿液流出地面，則開啟封孔器進(jìn)行注水封孔，并膨脹擠壓周圍的土體，阻止混合漿液在孔頂部流出。完成注漿壓漿后等待混合體凝固，形成固結(jié)體，即完成一段加固。之后對是否完成全段加固進(jìn)行判斷，若未完成，則從擾動流程再次進(jìn)行新一段的加固。在擴(kuò)建工程中進(jìn)行加固時(shí)，存在既有樁基，既有樁基在施工過程中僅承受自重的載荷。施工時(shí)分段由下到上進(jìn)行施工，減小樁基施工時(shí)的沉降量。

在實(shí)際施工時(shí)，若靜注漿壓力和注漿量已滿足設(shè)計(jì)要求，則可停止注漿；但若注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值后，靜注漿壓力不足，則需進(jìn)行間歇注漿，注入體積為方案中水泥漿設(shè)計(jì)值的30%～50%；在靜注漿壓力已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)值并且保持10 min不變后，若此時(shí)注漿量低于方案設(shè)計(jì)值，則只需將注漿量補(bǔ)充到方案設(shè)計(jì)值的80%以上。施工時(shí)需要對振動頻率、振幅和沉降情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，確?，F(xiàn)場安全，進(jìn)行注漿時(shí)需要監(jiān)測注漿流量和注漿壓力，確保注漿均勻。擾動-注漿一體化過程中土體遭受到脈沖形式的高壓水射流動壓沖擊，射流邊界存在紊流對土體產(chǎn)生吸卷作用，使土體擾動均勻性得到提升。在擾動和動注漿過程中，孔口會存在部分細(xì)土顆粒的排出，再由水泥漿液對原位空間進(jìn)行置換充填，提升樁周土體的強(qiáng)度。加固體的直徑是注漿加固方案設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的參數(shù)。研究對單孔加固直徑計(jì)算方式進(jìn)行構(gòu)建，以鉆桿直徑作為固定參數(shù)，將極限切削距離與折減系數(shù)積的兩倍與鉆桿直徑相加，得到單孔加固直徑。計(jì)算過程中的極限切削距離由高壓水射流噴嘴的出口速度、噴嘴直徑、高壓水噴射流量、噴嘴個(gè)數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、特征速度、土體抵抗力、土體不排水抗剪強(qiáng)度、有效摩擦角進(jìn)行綜合分析得到。

3 擾動-注漿一體化樁基加固施工技術(shù)的有效性

為了對研究提出的樁基加固施工技術(shù)的有效性進(jìn)行分析，對不同注漿深度的樁基進(jìn)行加固數(shù)值模擬測試，得到不同注漿深度的樁基荷載-沉降曲線，如圖2 所示。

圖2 樁基荷載-沉降曲線

由圖2 可見，不同注漿深度的樁基在荷載較小時(shí)的沉降高度沒有明顯差別，隨著荷載升高，沉降高度差值越來越大。在未注漿樁基中，在荷載達(dá)到2 000 kN 時(shí)沉降量開始明顯升高，約達(dá)19 mm；在荷載達(dá)到5 000 kN 時(shí)沉降量約達(dá)329 mm。在2～5 m 注漿樁基中，在荷載達(dá)到3 000 kN 時(shí)沉降量開始明顯升高，達(dá)到約31 mm；在荷載達(dá)到5 000 kN 時(shí)沉降量達(dá)到約299 mm。在2～8 m 注漿樁基中，在荷載達(dá)到3 000 kN 時(shí)沉降量開始明顯升高，達(dá)到約29 mm；在荷載達(dá)到5 000 kN 時(shí)沉降量達(dá)到約234 mm。在2～11 m 注漿樁基中，在荷載達(dá)到3 500 kN時(shí)沉降量開始明顯升高，達(dá)到約34 mm；在荷載達(dá)到5 000 kN時(shí)沉降量達(dá)到約92 mm。在2～14 m 注漿樁基中，在荷載達(dá)到4 000 kN 時(shí)沉降量開始明顯升高，達(dá)到約32 mm；在荷載達(dá)到5 000 kN 時(shí)沉降量達(dá)到約73 mm。在2～16 m 注漿樁基中，在荷載達(dá)到1 000 kN 時(shí)的沉降量約4 mm；在荷載達(dá)到2 000 kN時(shí)的沉降量為約11 mm；在荷載達(dá)到3 500 kN 時(shí)的沉降量為約29 mm；在荷載達(dá)到4 000 kN 時(shí)的沉降量為約31 mm；在荷載達(dá)到5 000 kN 時(shí)的沉降量為約46 mm。從圖2 中可以看出，注漿深度越高，樁基所產(chǎn)生的沉降量越小，沉降量隨荷載增大的升高速度越慢。根據(jù)JTG/T 3512—2020《公路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行計(jì)算，可以確定不注漿樁基的極限承載力為2 787.5 kN；2～5 m 注漿樁基的極限承載力為3 190.24 kN；2～8 m 注漿樁基的極限承載力為3 459.12 kN；2～11 m 注漿樁基的極限承載力為4 037.20 kN；2～14 m 注漿樁基的極限承載力4 362.20 kN；2～16 m 注漿樁基的極限承載力4 569.50 kN。說明研究方法能夠有效提升樁基的承載力。使用有限元分析軟件對不同加固體厚度的樁基豎向應(yīng)力云圖進(jìn)行生成，如圖3 所示。

圖3 樁基豎向應(yīng)力云圖

由圖3 可見，在加固體厚度為60 cm 的樁基中，樁基豎向應(yīng)力在頂端短距離出現(xiàn)下降情況，之后逐漸上升，在接近底端位置達(dá)到最高值，在底端位置再次出現(xiàn)小幅度下降。在加固體厚度為80 cm 的樁基中，樁基豎向應(yīng)力在頂端短距離出現(xiàn)下降情況，之后逐漸上升，在接近底端位置達(dá)到最高值，在底端位置再次出現(xiàn)小幅度下降，整個(gè)過程中的應(yīng)力相較加固體厚度為60 cm 的樁基略高。在加固體厚度為100 cm 和120 cm的樁基中的樁基豎向應(yīng)力情況接近，在頂端達(dá)到最低值，之后隨著深度增加，樁基豎向應(yīng)力上升，在接近底端位置達(dá)到最高值，在底端位置再次出現(xiàn)小幅度下降。經(jīng)過計(jì)算分析得到，加固體厚度為60 cm 的樁基承載力提升幅度達(dá)到72.26%；加固體厚度為80 cm 的樁基承載力提升幅度達(dá)到90.90%；加固體厚度為100 cm 的樁基承載力提升幅度達(dá)到113.40%；加固體厚度為120 cm 的樁基承載力提升幅度達(dá)到115.70%。說明研究方法能夠有效對沖積地層環(huán)境中的樁基進(jìn)行加固。

4 結(jié)語

沖積地層環(huán)境中樁基的穩(wěn)定性決定了施工安全和工程質(zhì)量。研究通過將樁基加固施工過程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提出了一種沖積地層環(huán)境中的樁基加固施工技術(shù)。過程中在鉆機(jī)上增加鉆頭和封孔器，引入擾動射流系統(tǒng)工法進(jìn)行施工，將樁基施工中的擾動和注漿進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，最后對研究方法進(jìn)行了數(shù)值模擬測試。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，研究方法在不同注漿深度的樁基荷載-沉降測試中，2～14 m 注漿樁基在荷載達(dá)到4 000 kN 時(shí)沉降高度開始明顯升高，達(dá)到約32 mm；在極限承載力計(jì)算結(jié)果中，2～16 m 注漿樁基的極限承載力為4 569.50 kN；在樁基豎向應(yīng)力云圖測試中，樁基在接近底端位置達(dá)到應(yīng)力最高值。說明研究方法能夠有效提升樁基的承載力，對樁基進(jìn)行加固，且工序的重新設(shè)計(jì)減少了施工煩瑣度。但研究方法僅進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，后續(xù)將進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用分析，以豐富實(shí)驗(yàn)結(jié)果并對方法進(jìn)行優(yōu)化。