高压旋喷桩在城市道路旧路改造路基加固中的应用

唐义仁

摘要：高压喷射注浆法是用高压水泥浆通过钻杆由水平方向的喷嘴喷出，形成喷射流，以此切割土体并与土拌和形成水泥土加固体的地基处理方法，我国简称为高压旋喷桩。文章结合具体的工程实践，着重介绍了高压旋喷桩加固路基设计，阐述了旋喷桩设计参数、试桩后参数修正及施工质量检验，为同类工程提供借鉴。

关键词：高压旋喷桩；复合地基；地基加固；质量检验；城市道路；旧路改造 文献标识码：A

中图分类号：U412 文章编号：1009-2374（2015）04-0040-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0303

1 概述

高压喷射注浆法（Jet Grouting）是用高压水泥浆通过钻杆由水平方向的喷嘴喷出，形成喷射流，以此切割土体并与土拌和形成水泥土加固体的地基处理方法。我国简称为高压旋喷桩。

20世纪60年代末期，日本NIT公司创造出这种全新的施工法——高压喷射注浆法。它是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻至土层的预定位置后，用高压设备使浆液或水以20MPa左右的高压流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定的速度渐渐向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个均匀的固结体，其地基加固和防水止渗效果良好。当时定名为CCP工法（Chemical Churning Pile or Pattern，我国现称单管法）。在1973年莫斯科举行的第八届国际土力学学会（ISSMFE）会议上，这一发明得到各国岩土工程专家的称赞与重视。

1972年，铁道部科学研究院率先开发高压喷射注浆法。1975年，我国冶金、水电、煤炭、建工等部门和部分高等院校，也相继进行了试验和施工。至今，高压喷射注浆法已成功应用于已有建筑和新建工程的地基处理、深基坑地下工程的支挡和护底、构造地下防水帷幕防止砂土液化、增大土的摩擦力和粘聚力以及防止基础冲刷等方面。据不完全统计，我国已有近千项工程应用了高压喷射注浆技术。

2 旋喷桩的加固机理

高压喷射注浆法是地基处理的方法之一，其原理是利用钻机把带有特制喷嘴的注浆管钻到预定深度的土层，压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层。被破坏的土颗粒，较细者随浆液或水沿钻杆冒出地面，其余土粒在射流的冲击力、离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小重新排列，凝固后便在土中形成一个固结体。

第一，旋喷流对土体的破坏作用对于高压旋喷喷射流，破坏土体结构强度的最主要因素是喷射动压。根据动量定律，在空气中喷射时的破坏力为：

P=ρQvm

式中：

P——破坏力（kg·m/s2）

ρ——密度（kg/m3）

Q——流量（m3/s），Q=vm·A

mv——喷射流的平均速度（m/s）

P=ρAv2m

式中：

A——喷嘴截面积（m2）

由上式可知，破坏力对于某一种密度的液体而言，是与该射流的流量、流速的乘积成正比，而流量又为喷嘴断面积与流速的乘积。所以在一定的喷嘴面积的条件下，为了取得更大的破坏力，需要增加平均流速，也就是需要增加旋喷压力，一般要求高压脉冲泵的工作压力在20MPa以上，这样就使射流像刚体一样，冲击破坏土体，使土与浆液搅拌混合，凝固成圆柱状的固结体。旋喷时，高压喷射流在地基中把土体切削破坏。其加固范围就是喷射距离加上渗透部分或压缩部分的长度为半径的圆柱体。一部分细小的土粒被喷射的浆液所置换，随着液流被带到地面上（俗称冒浆），其余的土粒与浆液搅拌混合。由于旋喷体不是等颗粒的单体结构，固结质量不均匀，通常是中心部分强度低，边缘部分强度高。

第二，高压旋喷注浆体的成桩机理由于高压喷射流对土体的破坏作用，使土体由整体状态变为松散状态。随着喷射流的连续冲切和移动，土体破坏的深度和范围不断扩大。旋喷时，高压喷射流是水泥浆液，即以水泥作为硬化剂，边旋转边以一定的速度缓慢提升，被切削下来的一部分细小土粒由于被浆液置换而发生升扬置换作用，随着液流以泥浆的形式被带到地面。其余的土颗粒在喷射动压力、离心力和重力的共同作用下，在横断面上按质量大小有规律地重新排列并与浆液搅拌混合形成一种新型的水泥-土网络结构。一般小颗粒在中间部位居多，外侧或边缘部分土颗粒较大。随着喷射流在终了区域失去了冲切力，四周的土体未被切削下来，不能与浆液发生混合搅拌，但它仍有挤压力，对周围土体有挤密压缩作用。

3 工程实例

3.1 工程概况

龙眠山路是安庆市与合安高速衔接的重要道路，也是安庆城市规划中的南北向城市主干道之一。其北起于高速公路收费站，南至华中路，道路全长6.65千米，共分A、B、C三段，红线宽度60米，其中C段全长2717.957米。现状龙眠山路C段道路为水泥混凝土路面结构，原道路修建时路段多为填滨填塘上修筑而成，由于工期紧路基处理深度不能达到设计要求。随着城市经济的发展，交通量迅速增长，特别是高速公路出入大吨位车辆不断增加，超载车辆过多、过大，导致道路再现断板、唧泥、翻浆、错台、桥面破损等病害，行车舒适性差，路面使用性能降低，通行能力下降，严重影响了城市经济发展和道路服务水平。

3.2 现状道路调查

3.2.1 路面破损率调查：现状道路水泥混凝土路面多处大面积破损，机动车道板块严重破损率28.23%，中等破损率27.90%。

图1 路面交叉、网状裂缝、碎板 图2 路面沉陷

3.2.2 地质勘察报告：高速出入口至纬五路路段路基地质情况：在勘察深度范围内，自上而下分为5层：混凝土面板、人工含砾填土（水泥稳定层）、人工素填土、粉质粘土和粘土。道路主要持力层为人工素填土和粉质粘土。地下水位高，埋深为0.85～1.76m。人工素填土层厚度为1.59～4.86m，土层密实度差，孔隙比为0.56～0.93，平均值0.74，接近天然软土孔隙比标准（0.9）；压缩性高，压缩模量仅为4.2MPa，容许承载力低于设计要求。

纬五路至柘山路路段路基地质情况：在勘察深度范围内，自上而下分为4层：碎石（水泥稳定层）、素填土2、素填土2～1、粉质粘土。道路主要持力层为人工素填土和粉质粘土。地下水位较高，埋深为1.4～1.9m。素填土2层物理特性与高速出入口至纬五路路段人工素填土类似。素填土2～1层层厚0.2～1.9m，与素填土2层相比，本层土孔隙比更高，均值为0.81；压缩性更高，压缩模量仅为2.3MPa；容许承载力仅为60kPa，严重低于设计要求。

图3 拆除旧水泥混凝土 图4 高压水泥旋喷桩

路面后路基 平面布置示意图

3.3 路基设计

龙眠山路高速公路出入口连接市区重要城市主干道，且道路两侧地块均已开发，要求道路改造工期短，对两侧地块影响尽量降到最低，因此常规换填等地基处理方法不适合本工程。结合地基土层的物理力学性质，充分考虑到高压旋喷桩在处理软土地基中的显著作用及该工程周围的具体条件，决定该道路机动车地基处理采用高压旋喷桩法。

3.3.1 高压旋喷参数设计。本项目设计高压旋喷桩，桩径Φ400～Φ500mm，桩间距为1.2m呈梅花形布置，桩长4.0～6.0m，设计水灰比为0.6，设计注浆压力选择20MPa。

设计的提升速度为50cm/min，旋转速度为20r/min。施工采用单管法，注浆中喷嘴直径选用2.0～3.2mm。旋转速度为20r/min。通过试桩来调整。

设计复合地基承载力为130kPa，土基施工结束、道路铺基层之前必须测土路基层回弹模量，E0>30MPa。

图5 施工现场

表1

序号 荷载

（kN） 历时（min） 沉降（mm）

本级 累计 本级 累计

0 0 0 0 0.00 0.00

1 36 75 75 0.33 0.33

2 54 60 135 0.27 0.60

3 72 75 210 0.32 0.92

4 90 75 285 0.42 1.34

5 108 60 345 0.48 1.82

6 126 90 435 0.66 2.48

7 144 60 495 0.78 3.26

8 162 60 555 0.87 4.13

9 180 60 615 1.06 5.19

10 144 15 630 -0.48 4.71

11 108 15 645 -0.56 4.15

12 72 15 660 -0.64 3.51

13 36 15 675 -0.68 2.83

14 0 120 795 -0.68 2.15

最大沉降量：5.19mm

最大回弹量：3.04mm；回弹率：58.6%

3.3.2 试桩后得到参数。通过试桩检测后得到参数为桩径Φ400～Φ500mm，桩间距为1.2m，桩长4.0～6.0m，设计水灰比调整到0.5，注浆压力为20MPa，提升速度为50cm/min，旋转速度为20r/min。施工采用单管法，注浆中喷嘴直径选用2.8mm双喷嘴。

3.3.3 单桩竖向静载试验。根据国家标准《建筑地基基础设计规范GB50007-2002》《建筑基桩检测技术规范JGJ106-2003》的有关规定，进行单桩竖向抗压静载试验。

图6 Q-s曲线图 图7 s-lgt曲线图 图8 s-lgQ曲线图

试验桩单桩竖向抗压静载试验可以看出，加荷至180kN时，累计沉降量为5.19mm，Q-s曲线呈缓变型，s-lgt曲线各级载荷所对应的曲线均较为平坦。根据《建筑基桩检测技术规范JGJ106-2003》4.4.2，取该单桩竖向抗压极限承载力为180kN。

3.3.4 复合地基承载力检测。本次试验根据中华人民共和国建设部行业标准《建筑地基处理技术规范JGJ79-2002》附录A.复合地基载荷试验要点中的有关规定，共进行了三个点的单桩复合地基载荷试验。

表2

序号 荷载

（kN） 历时（min） 沉降（mm）

本级 累计 本级 累计

0 0 0 0 0.00 0.00

1 82 90 90 0.95 0.95

2 123 90 180 0.56 1.51

3 164 90 270 0.72 2.23

4 205 90 360 0.83 3.06

5 246 90 450 0.92 3.98

6 287 90 540 1.10 5.08

7 328 150 690 1.20 6.28

8 246 30 720 -0.81 5.47

9 164 30 750 -0.87 4.60

10 82 30 780 -1.20 3.40

11 0 180 960 -1.45 1.95

最大沉降量：6.28mm；最大回弹量：4.33mm

回弹率：68.9%；压板面积：1.26m2

图9 Q-s曲线图 图10 s-lgt曲线图 图11 s-lgQ曲线图

单桩复合地基载荷试验可以看出加荷至328kN时，累计沉降量为6.28mm，地基沉降量较小，P-S曲线为缓变形，从S-lgt曲线看各级载荷所对应的曲线较平坦，未见下弯。以上情况说明该载荷板试验未进入极限状态，承载能力尚有一定余量。取所对应荷载值的1/2为单桩复合地基承载力fak=328/2/1.26=130kPa。满足设计要求。

3.3.5 土路基顶面弯沉值检测。设计回弹模量值换算成弯沉值实测<258.8×10-2mm。复合地基弯沉值检测平均值为177.50×10-2mm，满足设计要求。

图12 高压旋喷桩施工完成

4 结语

根据现场工程地质条件，设计高压旋喷桩桩长L=4.0m，穿透较软弱的人工填圭层，进入持力层粉质黏土层约1m；桩径Φ=0.4m，采用单管搅拌桩；桩间距1.2m；置换率：10.6%。采用此方案对孔隙率较高的人工填土地基进行了处理。旋喷桩处理软基工程，工期短，地基加固效果良好，地基承载力、单桩竖向承载力和复合地基承载力达到设计要求，地基稳定性较好。

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（责任编辑：秦逊玉）