高压旋喷桩加固技术在工程中的应用

陈 邛 李 明 徐 典

(1.重庆建工工业有限公司，重庆 400030; 2.江西省浩风建筑设计院有限公司，江西南昌 330017;3.重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331)

复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体(天然地基土体或被改良的天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。地基处理常用的方法有:换土垫层法、振密法、挤密法、排水固结法、置换法、胶结法等［1］。高压旋喷桩已经在铁路桥梁、公路等软弱地基加固中广为应用［2-4］，本文主要研究民用商住楼在复杂地基条件下高压旋喷桩复合地基的加固技术，以工程实例为背景，介绍了高压旋喷桩复合地基加固的施工流程、加固原理，并对加固后的复合地基承载力按规范给出的方法进行计算，验证了地基加固的效果。

1 工程概况

拟建商住楼的场地位于成都坳陷盆地。该盆地西距南北走向的龙门山褶皱带约60 km，东距北东走向的龙泉山褶皱带约20 km。

根据岩土工程勘察资料，场地内分布地层为第四系人工填土层(Qml4)、第四系上更新统冲洪积层(Qal+pl4)的砂土、卵石土。各土层的结构和特征分述如下:①素填土:浅灰色，干，为近期堆填形成，土层厚度在0.5 m～2.6 m之间。②粉质粘土:浅灰色混少量黄褐色，干～稍湿，以粉质粘土为主含有砂土，上部砂土含量较少，向下砂土含量逐渐增多，局部以砂土为主。该层在场地上部呈似层状分布，层厚在0.6 m～3.4 m之间。③卵石:杂色，以深灰色为主夹少量黄褐色，湿～饱和，松散～密实，级配一般～较好。卵石磨圆度较好，多呈亚圆形，卵石粒径最大接近20 cm，一般粒径在4 cm～15 cm之间，卵石含量在50%～85%之间，漂卵石含量在10%～15%之间，漂卵石构成了该层骨架，空隙由砂土充填，根据钻探揭露在卵石层中存在透镜体状中砂，厚度在0.5 m～1.6 m

之间。层顶埋深在3.8 m～6.4 m之间。④中砂:黄褐色、深灰色，松散～稍密，成分以石英、长石颗粒为主，含有白云母片，以中砂为主混有粉土，局部含有少量卵石，厚度在0.5 m～1.6 m之间。拟建场地内无河流、水沟等地表水流经过。地下水类型主要为赋存于第四系冲洪积砂卵石层中的孔隙潜水。主要受地表水和大气降水补给，卵石层透水性良好。水位高程为496.7 m～497.58 m。

2 高压旋喷桩复合地基施工流程

2.1 施工机具设备及工艺流程

主要施工机具:NJ1200泥浆搅拌机，1台;XPZ-50型旋喷钻机，1台;高压旋喷注浆泵ZJB/BP-30型及配套装置(90 kW)，1台套;SH-30型勘察钻机，2台套。

流程:基坑开挖→测放旋喷点位→钻机取土、引孔→下PVC塑料管→将旋喷喷嘴置入钻孔孔底→由下至上旋喷注浆→桩体养护→地基加固效果检测→土方检底→桩顶褥垫层施工。

2.2 施工技术要求

1)土方开挖:应避免对地基土的扰动。挖至设计基底以上0.3 m时必须停止，将余土作为预留层，待旋喷施工之后再以人工检底挖除。

2)取土、引孔:用SH-30型勘察钻机动探引孔。引孔孔径8 cm，引孔深度要求穿过各层软弱层嵌入预计的下伏稳定卵石层(中密以下)0.7 m ～1.0 m。

3)下PVC塑料管。

4)旋喷注浆:先空转旋喷管直至孔口返浆，再提升旋喷管自下而上旋喷施工，直至孔口。注浆材料采用P.O32.5水泥。制备的水泥浆浆液水灰比为0.5～1.1。喷射注浆压力为30 MPa～35 MPa，喷嘴旋转速度(20±5)r/min，喷嘴提升速度(20±5)cm/min，并在孔口处复喷一次。

5)回灌补浆、桩头处理:旋喷作业完成后，应将不断冒出地面的浆液引回到桩孔内，避免浆液凝固收缩在孔口形成空洞。

6)土方检底、褥垫层施工:桩体养护28 d后进行静载荷试验检测。检测合格后以人工检底将基底以上余土挖除，若基底以下尚有填土层未至老土，则必须按照结构设计要求，将其全部挖除直至老土层顶面以下不少于200 mm为止，超挖部分回填级配砂卵石并作夯实处理。检底后即铺设级配砂卵石褥垫层，厚度0.3 m，夯填度(夯实后的厚度与虚铺厚度之比)不得大于0.9，最大粒径不宜超过3 cm。

3 高压旋喷桩复合地基加固原理

3.1 地基加固处理方法、目的与要求

当基底下存在软弱下卧层时，其强度和变形不能满足上部荷载要求，需对其进行加固处理。本工程根据场地工程地质条件，设计采用高压旋喷桩对其进行加固处理，以处理后的复合地基作基础持力层。加固处理后，要求满足复合地基承载力特征值fspk≥530 kPa，压缩模量 Esp≥40 MPa。

3.2 加固原理

高压旋喷桩是利用高压泵将水泥浆液通过钻杆端头的特制喷头，以高速水平喷入土体，借助液体的冲击力切削土层，同时钻杆一面以一定的速度旋转，一面低速徐徐提升，使土体与水泥浆充分搅拌混合凝固，形成具有一定强度的圆柱固结体(即旋喷桩)，从而使地基得到加固。旋喷桩的特点是:可提高地基的抗剪强度;能利用小直径钻孔旋喷成比孔大8倍～10倍的大直径固结体;施工噪声低，振动小;可用于任何软弱土层，可控制加固范围;设备较简单、轻便，机械化程度高;料源广阔，施工简便。

1)高压喷射流切割破坏土体作用。喷流动压以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现空洞。

2)混合搅拌作用。钻杆在旋转和提升的过程中，在射流后面形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向(即阻力小的方向)移动，与浆液搅拌混合后形成固结体。

3)置换作用。高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩空气而把一部分切割下的土粒排出灌浆孔，土粒排出后所空下的体积由灌入的浆液补入。

4)充填、渗透固结作用。高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙，析水固结，还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体。

5)压密作用。高压喷射流在切割破碎土体的过程中，在破碎带边缘还有剩余压力，这种压力对土层可产生一定的压密作用，使高喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。

4 高压旋喷桩复合地基加固计算

依据相关规程、规范、标准，商住楼基底下存在中砂软弱层，采用高压旋喷桩对其进行地基处理，根据基底标高不同，分为2个加固区域(加固1区和加固2区)，共处理面积约140 m2。其中加固2区因下部软弱层厚度较薄，且结合现场实际情况，加固处理难度大。

4.1 确定桩长、桩径

按设计要求旋喷桩处理深度应穿过中砂层进入下部中密卵石层，并以中密卵石层作为桩端持力层，此时桩体在荷载作用下主要起应力集中的作用，从而使软土负担的压力相应减少。结合本场地地质条件，高压旋喷桩加固至持力层(中密卵石层)70 cm。因本工程处理面积小(约140 m2)，处理范围内仅涉及ZK15一个勘察孔，参照该钻孔资料及现场情况，本工程加固1区高压旋喷桩平均处理深度为3.0 m;加固2区高压旋喷桩平均处理深度为1.5 m。根据所采用的成桩设备，本工程旋喷桩桩径确定为550 mm。

4.2 确定桩间距［5，6］

1)确定天然地基承载力特征值fak。

根据地勘报告提供相关承载力参数，中砂层地基承载力特征值取fak=150 kPa。

2)计算单桩竖向承载力特征值Ra。

依据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范提供的方法来计算单桩竖向承载力特征值Ra，并取其中较小值。

其中，Ra为桩竖向承载力特征值，kN;η为桩身强度折减系数，取0.33;fcu为桩试块在标准养护条件下28 d龄期的立方体抗压强度的平均值，取9 000 kPa;Ap为桩的截面积，m2。

则按式(1)计算的单桩竖向承载力特征值为:Ra=ηfcuAp=705.26 kN。

其中，μp为桩的周长，m;n为桩长范围内所划分的土层数;qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa，成都地区经验中砂取35 kPa，中密卵石取75 kPa、密实卵石取80 kPa;qp为桩周第i层土的桩端端阻力特征值，kPa，按中密卵石取1 500 kPa;li为第i层土的厚度，m，按勘察报告第15号孔，中砂取2.0 m，中密卵石0.4 m，密实卵石0.7 m。

计算得单桩竖向承载力特征值为:

地基加固1区:Ra=625.60 kN，单桩竖向承载力特征值Ra取小值625.60 kN。

地基加固2区(基底标高比地基加固1区低2.1 m):Ra=501.258 kN，单桩竖向承载力特征值Ra取小值501.258 kN。

3)计算面积置换率m。

依据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范公式9.2.5计算面积置换率m。

其中，fspk为复合地基承载力特征值，kPa，设计要求530 kPa;m为面积置换率;fsk为处理后桩间土承载力特征值，即取地基土承载力平均值150 kPa;β为桩间土承载力折减系数，取0.40。

按式(3)计算面积置换率m:

加固 1 区:m=0.183;加固2 区:m=0.229。

由面积置换率m，分别得等效影响直径de，加固1区:de=1.285 m;加固2 区:de=1.149 m。

4)确定桩间距s。

a.按三角形布桩，则 de=1.05s，得加固 1 区:s=1.223 m，加固2区:s=1.09 m。

b.按正方形布桩，则 de=1.13s，得加固 1 区:s=1.137 m，加固2区:s=1.07 m。

4.3 布桩方案

旋喷桩加固范围为中砂分布范围。按照规范要求，在确保旋喷桩面积置换率不低于设计值(加固1区0.183，加固2区0.229)的前提下将桩位均匀布置到基础下，本工程按正方形布桩，桩间距加固1区1.10 m，加固2区1.00 m。桩端进入下卧中密卵石层1倍桩径以上，即0.7 m，且桩长加固1区不小于3.0 m，加固2区不小于1.5 m。

加固1区与加固2区均按照矩形布桩方式，总桩数为124根，加固1区平均桩长3.00 m，加固2区平均桩长1.50 m。预计总加固深度333 m。

4.4 复合地基承载力验算

5 结语

本文对高压旋喷桩地基加固技术进行了研究，以成都某商住楼为工程背景，详述了采用高压旋喷桩进行地基加固的施工流程和相应的施工技术要求，并分析了该方法的加固原理。最后按《建筑地基处理技术规范》给出的方法，计算了加固后的复合地基承载力，得出了加固1区和加固2区的地基承载力均大于530 kPa的结论，验证了高压旋喷桩加固技术的有效性。

［1］龚晓南.地基处理手册［M］.第3版.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］陈开圣.高压旋喷桩在邵怀高速公路软基加固中的应用［J］.路基工程，2010，18(3):69-71.

［3］龙 刚，宣以琼.高压旋喷桩在桥梁桩基加固工程中的应用［J］.安徽建筑工业学院学报，2010，18(3):55-58.

［4］付艳斌，谢永健.基坑旋喷桩施工对周边环境的影响及改进措施［J］.建筑技术，2008，20(5):42-46.

［5］GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］.

［6］JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范［S］.