高压旋喷桩作为承载桩技术在水利工程闸基础中的应用

郑 伟，曹宝海

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

1 工程概况

淜头水电站位于山西省平顺县浊漳河下游新安至耽车河谷段，水库设计库容441万m3，水电站设计装机容量为2400kW。本区地形地貌主要为剥蚀构造中山区与山前洪冲积、洪积区，位于吕梁太行断块的东南部。地层总体为NW向倾斜的单斜构造。地下水分为碳酸盐岩类溶裂隙水和松散岩类孔隙水两种类型，多由两岸向沟谷流动。

闸址位于北耽车上游浊漳河上。闸址地区高程588～910m，闸址段河谷平坦宽阔，宽190m，左岸岸坡较缓，右岸较陡。河流两岸发育I、II级堆积阶地，依据岩体工程地质特征将岩基划分成7个岩组。河谷常年流水，河床高程588.0～596m，河水位高程588m左右。河漫滩覆盖层具中等透水性。坝基基岩表层强风化层为中～强透水性岩体，弱风化及新鲜基岩，透水性较弱。本工程粉质黏土层厚度为1.5～12m，黏土黏性较大，切面光滑，有光泽，干密度较大，且干强度高，占到整个高压旋喷桩施工区域面积的1/3。

2 高压旋喷桩试验

2.1 试验目的

通过试验确定机具性能及施工工艺中的各项技术参数，包括浆液配比、旋喷参数、钻杆旋转和提升速度等。最终达到:地基采用高压旋喷桩处理后，复合地基承载力特征值不小于250kPa;单桩竖向抗压极限承载力不小于850kN(桩长10～15m);单桩竖向抗压极限承载力不小于1150kN(桩长＞15m);桩体在黏土层中芯样抗压强度值不小于1.5MPa，桩体在砂卵石层中芯样抗压强度不小于3.0MPa。

2.2 第一次生产性试验

2.2.1 试验区域的选择

高压旋喷桩试验区选择在高压旋喷桩施工区下游侧，即桩号渗0+62.332～渗0+66.142、坝下0+22.4～坝下0+20.2。试验桩数量为5根，呈梅花形布置，桩距2.2m，如图1所示。

图1 高压旋喷桩试验桩孔

2.2.2 高压旋喷桩试验桩的孔位参数

a.试验桩孔位参数

高压旋喷桩试验的设计孔位参数见表1。

表1 高压旋喷桩孔位参数

b.试验旋喷参数

根据以往施工经验，并在保证施工质量的前提下，依据相关的施工技术规范，高压旋喷桩主要的旋喷试验参数拟采用以下5种，见表2。

表2 高压旋喷桩试验参数一览

2.2.3 开挖效果检查

开挖后上部卵石层桩径均超过1.0，但黏土层桩径均未达到1.0m，且桩体喷射不均匀，原因是黏土层土质密实、干强度高，喷管喷射不开。为解决黏土层桩径问题，遂进行了第二次生产性试验。

2.3 第二次生产性试验

图2 黏土层高压旋喷试验桩孔位布置

为使黏土层桩径满足要求，在保证施工质量的前提下，拟采用10种不同参数进行试验桩施工。分两个试验区进行生产性试验:试验一区采用三管法，试验二区采用两管法。以此确定在不同参数及不同施工工艺下桩径能否满足设计要求。

2.3.1 两管及三管孔位布置图及孔位参数

试验桩孔位布置图见图2，旋喷试验参数见表3:

表3 高压旋喷桩孔位参数

2.3.2 三管法喷浆方法

a.GP-34-7号孔黏土层钻孔孔径采用150mm，黏土层喷浆采用复喷方式，喷浆步骤如下:喷管下到设计孔深后开始卵石层喷浆，喷浆至卵石层与黏土层结合面，停止送浆，用高压水按6cm/min的提升速度喷至计划实喷桩顶高程，然后将喷管下放至停浆部位以下30cm，开始送浆，按8cm/min的提升速度喷至计划实喷桩顶高程。

b.GP-34-8号孔喷浆方法同a，提升速度如表4所示。

c.GP-33-7号孔黏土层钻孔孔径采用150mm，喷浆采用单喷方式，喷浆步骤如下:喷管下到设计孔深后开始卵石层喷浆，喷至卵石层与黏土层结合面以下30cm，开始按5cm/min的提升速度喷至计划实喷桩顶高程。

d.GP-32-7号孔孔喷浆方法同c，提升速度如表4所示。

e.GP-32-8号孔黏土层钻孔孔径采用110mm，喷浆方法同c，按7cm/min的提升速度喷至计划实喷桩顶高程。

表4 三管高压旋喷桩试验参数一览

2.3.3 两管法喷浆方法

两管法试验参数如表5所示。

a.GP-34-2号孔黏土层钻孔孔径采用150mm，喷浆采用复喷方式，喷浆步骤如下:喷管下到设计孔深后开始卵石层喷浆，喷至卵石层与黏土层结合面，停止提升，将浆换成水，按6cm/min的提升速度喷至计划实喷桩顶高程，然后将喷管下放至停浆部位以下30cm，再将水换成浆，按8cm/min的提升速度喷至计划实喷桩顶高程。

b.GP-34-3号孔喷浆方法同a，提升速度见表5。

表5 高压旋喷桩试验参数一览

c.GP-33-2号孔黏土层钻孔孔径采用150mm，喷浆采用单喷方式，喷浆步骤如下:喷管下到设计孔深后开始卵石层喷浆，喷至卵石层与黏土层结合面以下30cm，开始按5cm/min的提升速度喷至计划实喷桩顶高程。

d.GP-32-2号孔喷浆方法同 c，提升速度为7cm/min。

e.GP-32-3号孔黏土层钻孔孔径采用110mm，喷浆方法同d。

2.4 桩体开挖情况

试验桩施工结束后7天，开始试验一区、二区桩体开挖，开挖深度均为地面以下3m。卵石层中所有试验桩的有效桩径均超过1m，而黏土层中试验一区开挖后有效桩径93～110cm，桩体均匀性较好，强度较高;试验二区两管开挖后有效桩径80～90cm，桩体喷射不均匀，个别部位存在分层夹泥现象。从开挖结果来看，黏土层中采用“三管法”成桩好于“双管法”。

2.5 试验参数确定

2.5.1 黏土层中试验参数确定

由开挖结果发现黏土层三管法成桩桩径较大，确定黏土层的高喷桩采用“三管复喷法”旋喷的形式。为保证桩径符合设计要求，确定黏土层开孔孔径为150mm，而施工参数在GP-34-7参数基础上有所调整，个别参数指标有所降低，黏土层中水喷的提速由6cm/min降低至5cm/min;浆喷提速由8cm/min降低至7cm/min，浆液采用1∶1浆。施工参数见表6。

表6 最终黏土层(三管法)参数

续表

2.5.2 卵石层中施工参数确定

卵石层的施工参数按第一次生产性试验确定的卵石层施工参数施工，采用双管法，但浆液由原来的1.3∶1变成 1.2∶1，即浆液密度由 1.42g/cm3，提高到1.45g/cm3，为确保施工质量，最终卵石层施工参数如下表7。

表7 卵石层(双管法)施工参数一览

2.5.3 卵石层间黏土层施工参数确定

卵石层间夹杂黏土层的施工参数确定的卵石层施工参数施工，采用双管法，但浆液由原来的1.3∶1变成1.2∶1，即浆液密度由 1.42g/cm3，提高到 1.45g/cm3，土层中的提速由6cm/min降至5cm/min，最终确定施工参数见表8。

表8 卵石层间黏土层(双管法)参数一览

续表

3 试验重点、难点研究

由于本地区黏土层致密、干强度高，为解决黏土层桩径问题，施工中生产性试验耗费了大量的施工时间。工程成功在于两点:a增大开孔孔径，减少喷射阻力，增大喷射直径;b采用三管复喷法，黏土层中采用水浆复喷，保证了桩体喷射范围，增加了桩体有效直径。

4 高压旋喷桩施工

本标为下闸址处闸基基础处理，主体工程为闸基处的高喷桩处理工程，高压旋喷桩布置在闸基闸室段范围内，桩号为渗0+000.00～渗0+160.00。有效桩径1.0m，总根数约为1213根，桩距2.2m(加密区桩距1.7m)，梅花形布置，钻孔深入岩面以下0.5m。

4.1 施工程序

高压旋喷桩卵石层采用二管法、黏土层采用三管法施工。分二序进行，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。施工工序主要包括钻孔、下注浆管、喷射、成桩、封孔等。高压旋喷桩施工工艺流程见图3。

4.2 测量布孔

根据设计提供的《地基处理设计图》，由测量人员进行孔位放样。孔位偏差不大于设计要求值，孔号用木桩标记。

4.3 钻机就位

首先将钻机对准孔位，用水平尺掌握机身水平，垫稳、垫牢、垫平机架，保证钻机的平整稳固。

4.4 钻孔

a.为保证旋喷桩施工质量，钻孔采用跟管钻机钻孔，孔径采用φ150mm。钻进过程中跟管钻进，成孔后下设PVC管的方法。

图3 高压旋转喷桩施工程序

b.钻孔孔位、方位、倾角，应严格按设计图进行施工，所有钻孔统一编号。

c.孔位误差不得大于5cm，成孔偏斜率不得大于1.5%，孔深应符合设计要求。

d.钻孔时应根据设计要求对孔内出现的各种情况，如土层厚度、卵石层厚度、地层类别、塌孔等情况及其位置做详细记录，作为喷浆施工和验收分析质量的依据。

4.5 试验水泥浆液的配比

水泥选用普通硅酸盐水泥，标号为P.O42.5级。两管法水灰比用1.2∶1，三管法水灰比用1.1∶1，两种配比参数选其优，具体配比见表9。

表9 1∶1及1.2∶1浆液配比

4.6 制浆

采用ZJ-400型高速搅拌机拌浆，使用BW-200型泥浆泵送浆液至试验区JJS-2B型贮浆搅拌机内，浆液配比为试验设计配合比。纯水泥浆液的搅拌时间应大于30s。浆液在使用前应过筛，自制备到用完时间宜小于4h。

4.7 喷射控制

a.地面试喷、定向:钻孔验收、高喷台车就位并对准孔口后，为了直观检查高压系统的完好性以及是否能够满足使用要求，首先应进行地面试喷。

b.开喷:喷管下至指定深度后，拌制水泥浆液，即可供浆、供风开喷。待各压力参数和流量参数均达到要求，且孔口已返出浆液时，即可按既定的提升速度进行喷射灌浆。

c.高喷灌浆保持全孔连续一次作业。作业中因拆卸喷射管而停顿后，重复高喷灌浆长度不小于0.2m。

d.装、卸喷射管时，采取措施密封、加快装卸动作以防止喷嘴堵塞。

e.为了使浆液更好地与基岩面接触，当喷浆提升接近基岩与覆盖层接触面位置时，静止旋喷30s后再向上提升。

f.在高喷灌浆过程中，出现压力突降或骤增、孔口回浆浓度和回浆量异常，甚至不返浆等情况时，查明原因后及时处理。

g.喷射作业完成后，应连续将冒浆回灌至孔内，直到浆液面稳定为止。在黏土层或淤泥层内进行喷射时，不得将冒浆进行回灌。

h.当喷射到设计高程后迅速拔出喷射管，及时将各管路冲洗干净，以防堵塞。

4.8 回灌

为解决凝结体顶部因浆液析水而出现的凹穴现象，当喷射结束后，随即在喷射孔内进行静压充填注浆，直至孔口液面不再下沉为止。

4.9 封孔

高压喷射灌浆至设计高程，以上空孔部分采用壤土封孔。

5 质量控制

高压旋喷桩施工除需保证使用合格的水泥外，还需桩深、有效半径、桩身连续完整及材料均匀性等要素达标。主要施工技术控制要素为孔距、孔深及孔斜率、水泥浆、气体的喷射压力、水泥浆液比重和注入地层的浆量、提升速度。难点是钻孔斜率、喷射浆、气的压力的控制。

高喷法施工的质量控制点是:施工原始纪录、钻孔深度、注浆长度、工艺参数、施工流程、桩孔偏差。应注意检查浆液比重、浆液初凝时间、注浆流量、风量、压力、提升速度等参数是否符合设计要求。

6 质量检查与验收

高压旋喷桩工程质量检测主要是桩身的连续性、完整性和均匀性及承载力符合要求。抽芯检验、单桩及复合地基承载试验必须在成桩龄期28d后进行，试验前需凿除桩顶0.5m软桩头。

6.1 N10检测

高喷桩用轻便触探器进行N10检测，检测频率为总桩数的10%。根据设计要求采用轻便圆锥动力触探进行初步检测，操作规范执行《岩土工程勘察规范》(GB—50021)，轻便圆锥动力触探检测结果;现场检测抽检桩体贯入15cm的读数N10均大于50击，本场工程桩体密实度较好，质量合格。

6.2 抽芯检验

抽芯检验主要用于评价桩身质量，如抗压强度、含灰量、坚硬程度、搅拌均匀性等。抽芯检验的数量为总桩数的1%，且每个施工作业点不少于6根。一般应按比例随机抽取，且分布基本均匀。对怀疑有问题的桩及结构设计为关键部位的桩应重点抽取。抽芯检验不合格的桩应在其附近加倍进行抽芯检验，以判断是否为个别现象，如仍出现不合格桩，则应查清范围，采取必要的补救措施。

本工程高喷桩总计1231根，抽芯检测桩13根，钻孔取芯后，每根桩取上、中、下三个部位进行芯样抗压试验，试验芯样长度30cm，每个取芯孔试验3组。设计要求桩体在土层中，芯样的抗压强度不小于1.5MPa，芯样在卵石层中，芯样抗压强度不小于3.0MPa。试验结果:28天龄期芯样抗压强度结果:土层中芯样抗压强度3.1～5.6MPa，砂卵石中芯样抗压强度为3.6～8.3MPa，芯样试验结果全部满足设计要求。

6.3 单桩载荷试验

用于单桩荷载试验桩的数量不低于总桩数的0.5%，且每个施工作业点不少于3根。一般应按比例随机抽取，且分布基本均匀，试验得到的单桩承载力不得低于设计要求，本工程沿着坝体轴线分布随机抽取6根桩进行单桩竖向抗压极限承载力检测，检测结果见表10。

表10 单桩竖向抗压静载试验结果

根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2003)，对上表中各试验桩的单桩竖向抗压极限承载力进行统计。本场地4组高压旋喷桩(桩长＞15m)的单桩竖向抗压极限承载力平均为1150kN，极差不超过平均值的30%，故取平均值1150kN作为该工程高压旋喷桩(桩长＞15m)的单桩竖向抗压极限承载力;本场地2组高压旋喷桩(桩长10～15m)的单桩竖向抗压极限承载力均为850kN，满足设计要求。

6.4 复合地基载荷试验

用于复合地基载荷试验桩的数量不低于总桩数的0.5%，且每个施工作业点不少于3根。一般应按比例随机抽取，且分布基本均匀，试验得到的复合地基承载力不得低于设计要求。复合地基检测结果见表11。

表11 桩复合地基静载试验结果

依据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2002)进行统计，6组静载试验点的单桩复合地基承载力特征值平均为250kPa，极差不超过平均值的30%，故取平均值250kPa作为本工程高压旋喷桩的复合地基承载力特征值，满足设计要求。

7 结语

采用高压旋喷桩对地基加固，是工程建筑地基加固中一种效果好、成本低的地基处理方法。高压旋喷桩技术在山西省淜头水电站工程拦河闸基础处理工程中的成功应用，不仅提高了软土的地基承载力，克服了施工场地狭小的不利条件，缩短了工期，节约了投资，也为同类工程问题的解决提供了一个成功的范例。相信随着研究工作的进一步开展，高压旋喷桩将会得到起来越广泛的应用，在我国的基本建设中发挥更大的作用。■