旋喷灌浆加固地基的分析

周彬

摘 要：使用旋喷灌浆桩提高承载能力、降低地基沉降，旨在结合理论分析及现场考察，规划完整的设计过程。该文在文献报道的试验数据基础上进行，该文献指出旋喷灌浆桩能够将较大的竖直荷载分散至相邻土壤，并且由于其横截面突然缩减或与不良的土壤胶结作用，该处仍可能发生结构塌陷。为了调查旋喷灌浆桩及其与周围土壤之间的力学作用特性，特别进行了足尺试验，通过分析试验结果关注以上方面的内容。分析的结果作为数值方法的基础，该方法模拟由大量桩支撑的竖向加载筏的变化。使用荷载传递曲线方法模拟轴向加载桩的非线性荷载—沉降变化，该方法通常适用于具有不规则形状的旋喷灌浆桩。通过考虑桩与上层混凝土筏相互间的作用，进一步分析整体加固地基。通过现场试验结果统计评价并以概率模型模拟桩性质的变化，将其纳入带有统计试验模拟技术的计算过程。该方法的优点在于，能以可接受的破坏概率表示地基的设计极限荷载，由于旋喷灌浆过程造成的不确定性可通过试验定量表示，并合理反映在分析过程中。最终，通过将该方法应用于实际工程案例，讨论由旋喷灌浆方法加固地基的优点以及局限性。

关键词：旋喷灌浆桩 直径 强度 现场试验 变异性 概率性分析

中图分类号：U445.72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（a）-0-08

将水泥—水混合物快速注入预先钻好的钻孔中以形成类似圆柱的胶结土桩，旋喷灌浆是广泛使用的（基于此的流行的）地基处理技术。在其他可行的应用中，地基工程通常使用此技术作为桩的替代方法，旨在将荷载传递至更深、承载力更强的地层。一些情况下，桩互相重叠形成独特的胶结土物质，当性能要求大大减小沉降并且对水平荷载有较强抵抗能力时，该种方法非常有效。然而，最通常的解决方法是采用由大量的钢筋或钢管加固的规则间距桩，旨在形成与桩基础原理类似的支撑系统。在参考文献中，提及了在新建建筑物的地基或者已有结构的支撑中应用该种加固方法。然而，由于缺少普遍认可的准则，这些地基系统的设计通常基于经验、目的及过分简单的方法而进行。事实上，合理的设计过程应能够有足够准确度来预测桩的尺寸以及其应力应变特性，并证明已充分考虑不确定性的效应。

关于后者问题，目前依据现有的标准针对旋喷灌浆提出了不同的方法。日本准则是将桩直径及胶结土强度设计值作为旋喷灌浆系统（两倍或三倍流动性）以及未扰动土性质（NSPT数）的函数，为不同类型的结构设置了统一的安全因子来应对其加固效果的不确定性。相反，欧洲标准及美国准则针对旋喷灌浆性质不推荐代表数值，但强调了最初现场试验以及为量化而进行的质量—控制至质量—确保试验的重要性。尤其是ENV12716标准集中评估了喷旋灌浆特性的变异性以及其对结构性能的影响。

试验结果表明，取决于喷注系统与原始土壤性质的结合状况，桩直径可从几分米到超过两米不等，并且，无约束胶结土的压缩强度依据原始土壤类型及灌浆合成物，从1至20 mPa不等。然而，必须考虑到土壤底层状况可能非常不均匀，如果采用大的平均值，桩的直径及强度可能在这些点急剧减少，影响桩的整体抵抗能力。由现场及实验室足尺试验证实该方面与地基桩变化的相关性，这些试验有Maertens及Maekelberg进行，发现轴向加载桩上层部分的突然塌陷远在土壤—桩混合物整体破坏之前。

已有几位作者通过足尺试验研究了地基桩及周围土壤间的相互作用。一致认为，较大荷载将会从桩侧面传递至相邻土壤。针对埋入可移动变形测量计的旋喷灌浆桩的轴向加载试验表明，极限横向应力比文献中钻孔灌注桩的数值大了约两倍。Maertens及Maekelberg发现，同钻孔灌注桩相比，旋喷灌浆桩较大的位移使其横向应力得到有效分散。

目前，已开发了程序，以试验定量化上述方面，并将其引入加固地基的设计过程。该方法的目的在于，对处理无明确治理效果的方法，我们通常采用一种合理的过程质量控制来实现。

1 旋喷灌浆桩的性质

2 荷载—沉降分析

基于以往的工程案例，Mandolini、Viggiani及Mandolini等人认为减少沉降是桩地基设计的最重要的要求。过去几十年中，学者们花费很多精力建立多种分析方法，使能够模拟加载早期土壤、桩以及筏之间的作用关系。若将这些方法延伸应用至旋喷灌浆桩，需要规划具有试验背景的应用。

目前，多使用荷载—传递曲线方法模拟单个桩的非线性荷载—沉降变化。通过考虑相邻桩之间的耦合作用，以及与上层筏的相互作用，将该分析方法扩展至整个加固地基。不同于更高级以及成熟的方法，优先使用了该近似方法，因为更有可能减少大量计算工作量，按要求将大量计算植入采用的概率分析中。然而，已通过分析有限元（FEM）计算的试验结果，校准该模型中的关系。

2.1 单根桩

然而，不同桩直径的范围，如图4中阴影部分所示，同理论模型预测的漏斗状函数有良好的吻合性，且在后续分析中使用该模型将几何轮廓延伸至更深土层。通过对加固桩钻取的试样进行实验室试验，平均试验结果即得到胶结土特性。

2.3 加固筏

2.4 概率分析

考虑到旋喷灌浆解决方案的多样性（基于不同注入参数的单、双、三个动态系统可被应用于几乎所有土壤种类）以及对处理效果了解的局限性，无法用确定的方法得到满意的解析结果来涵盖所有情况。该方法中除桩性质明确外，其余以全局安全因子控制其不确定性。事实上，表1及表2中的数据显示，应定义比例因子为变量的最大系数（如荷载以及抵抗力因子设计方法要求），但此定义在所有情况下均太保守，阻碍旋喷灌浆在一些本该有利的情况下的适用。另一方面，有限的案例记载表明并不排除在一些情况下可能有更大的变异性（因此需要减小更多）。

基于上述原因，在相同的工程地點使用最初现场试验评价桩的性质（包括其变异性）更为合适。然而，即使在该种有利的情况下，同时减小地基中所有桩的因子将导致超尺度的处理结果。除此以外，考虑到桩的变化受几何及力学特性影响，且地基加强可能有很多不同布局，仍较难评价整个地基加固的效果，该变化由综合每个变量的安全水平所得。

预测地基变化时另一个不确定性的因素为土壤性质的变异性。在建议设计过程中，假设可从下层土调查得到有意义的数据库，这方面可以通过扩展参数荷载—传递曲线（图 10，等式（3）及（4））策略来解决。另一可行的解决方案为，对于其他岩土结构，按照现行标准的规定继续进行设计，即通过衡量试验所得安全因子与规定值，选择设计土壤性质。

2.5 数值应用

通过将建议的算法应用于相对简单案例，即筏承受均布荷载由规则几列阵桩支撑，可分析旋喷灌浆加固方法的优点以及局限性。该种假设的地基包括直径为12.6 m的圆形筏，由19根均匀分布于同轴顶点上的桩支撑（12根位于半径为5.4 m的外圆上，6根位于半径为2.7 m的内接圆上，1根位于中心）。在此设定的基础上，筏的可变形性被证明与厚度0.5 m的加固—钢筋结构无关，则在计算中可忽略。当然，同样的位置不能同时承受非常大以及弹性地基结构。胶结土的力学特性，桩的直径，以及土的特性均被设置为Bojszowy Nowe现场试验的平均值。通过假设CPT端阻力保持10 mPa不变，并采用之前分析中采用的理论模型计算桩的直径，将计算深度扩大。

2.6 无变异性桩

3 结语

尽管越来越多的使用旋喷灌浆方法，但并没有针对所有可能结构均有可靠的设计过程。尤其是非常需要具体的调查及理论的分析，以定量化桩的特性并将其与执行该设计过程相联系，评价其对于结构整体力学变化的作用。根据旋喷灌浆桩加固地基，该文解决了相关问题。

通过收集分析有关旋喷灌浆土壤性质的试验结果得知，不能认为桩是理想圆柱体，必须考虑桩的几何尺寸和力学性质的变异性。通过足尺试验以及有限元分析的结果，得到这些特性对于轴向加载桩变化的影响，发现桩底部的荷载—传递机制同钻孔灌注桩的机制类似，但在桩外侧表面的应力作用是完全不同的。不同学者也发现，旋喷灌注桩侧面传递的荷载较大，部分由于同钻孔桩相比，喷浆过程引起更少周围土的扰动，部分由于桩的不规则形状造成。正如其他学者针对桩已证实的，针对相邻桩之间力学作用的三维有限元分析证实了线性耦合关系的存在。使用这些结果校正数值模型的关系，以提供加固地基的荷载—沉降变化以及支撐桩内部的应力分布。假设将该模型应用于由相同跨度桩支撑的圆形筏情况，结果证明了旋喷灌浆在减少地基沉降方面的效果，并且，桩的坍塌能够抑制地基性质的发展。实际上，将桩的最优长度定义为极限长度，意味着任何超过该范围的处理深度将是无效的。针对同一地基的概率计算表明，桩特性的变异性大大减小了桩的最优长度以及相应的极限荷载。通过在新建或已成型桩内埋入钢筋或钢管可显著改善其性质，当桩受水平荷载时，必须采用该加固方法。

总的来说，该设计策略旨在定义一个逻辑过程，以解决旋喷灌浆结构的安全定义这个复杂问题，其中随机变量将影响结构的性质。计算表明，它不能明确定义一个唯一的安全因子，因为必须做非常保守的假设来涵盖所有情况。并且，若针对桩直径及胶结土强度分别作概率预测，将高估两者变异性的综合效应。该方法主要的优点是极限荷载同APF直接相关，而基于叠加结构的风险分析可确定APF，并且可通过具体的现场试验定量统计旋喷灌浆性质的不确定性。从这个意义上说，该程序代表了欧洲标准（ENV 12716）中说明条款的应用。

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