高压旋喷桩与CFG桩在岩溶地区软土加固中的应用

2015-12-19韦兴标

西部探矿工程 2015年3期

关键词：褥垫熟料成孔

邓忠，韦兴标

（广西水文地质工程地质勘察院，广西柳州545006）

高压旋喷桩与CFG桩在岩溶地区软土加固中的应用

邓忠*，韦兴标

（广西水文地质工程地质勘察院，广西柳州545006）

结合工程施工实际情况，介绍在某水泥熟料库采用高压旋喷桩与CFG桩对库内新近回填土、耕植土、软塑状—可塑状粉质粘土和基岩溶洞、溶沟或溶槽等软弱地基土进行联合加固处理；经处理后形成的复合地基土承载力得到大幅度提高，既降低工程成本，又缩短工程施工工期。

CFG桩；高压旋喷桩；岩溶地区；软弱地基土；联合加固处理；承载力提高；成本节约；缩短工期

1 概述

依据岩土工程地质勘察资料，某拟建水泥熟料库设计直径Ø62.00m，场地内普遍存在新近回填土、耕植土、软塑状—可塑状粉质粘土，且场地内岩溶发育，业主为降低工程成本和缩短工期，召集有关专家、勘察、设计、总承包等单位参加会议；会议提出3种方案：（1）钻（冲）孔灌注桩方案；（2）高压旋喷桩加固方案；（3）采用高压旋喷桩对基岩以上软弱地基土进行加固处理，同时采用CFG桩对基岩中溶洞、溶沟或溶槽等不良地质条件进行处理。业主综合考虑工程成本和工期及水泥熟料库承载力要求高等因素，在工程质量满足设计要求的前提下，优先采用方案（3），即高压旋喷桩和CFG桩对本水泥熟料库软弱地基土进行加固处理。经过3个月施工，共完成CFG桩132根，累计成孔进尺约3300m，其中基岩1056m，灌注C20混凝土约4200m3；高压旋喷桩749根，累计成孔进尺约13250m，消耗水泥约1330t；厚30cm褥垫层铺设面积约3700m2，共加固处理面积约3700m2。软弱地基土加固处理完成后，由业主委托第三方检测单位采取静载试验方法进行检测；检测结果：复合地基承载力特征值分别为385kPa、420kPa和400kPa，满足设计复合地基承载力特征值fak≥350kPa，工程质量合格。

2 场地内工程地质特征与水文地质条件

2.1 场地内工程地质特征

根据岩土工程地质勘察资料，场地地层自上而下为人工填土层（Qml4）、耕植土层（Qpd4）、冲积层（Qal4）、石蹬子组灰岩（C1sh）组成。各岩（土）层特性分述如下：

（1）人工填土层（Qml4）：结构松散，稍湿，主要由人工堆填的粉质粘土、红粘土组成，含少量碎石，遇水易湿陷；层厚0.80～6.80m，平均层厚3.38m；本层为新近回填土，未进行强夯或压实处理，其结构性差。

（2）耕植土层（Qpd4）：可塑状，局部松散，富含植物根系；层厚0.20～1.70m，平均层厚0.67m。

（3）软塑状粉质粘土（Qal4）：软塑状，主要由粉粒和粘粒组成，层厚2.10～8.60m，平均4.32m；本层土承载力特征值fak=80kPa。

（4）可塑状粉质粘土（Qal4）：可塑状，主要由粉粒和粘粒组成，层厚0.50～13.10m，平均2.67m；本层土承载力特征值fak=170kPa。

（5）微风化石灰岩（C1sh）：浅—深灰色，微晶质结构，中厚层状构造，局部裂隙稍发育—极发育，呈半边溶蚀。该层场地均有揭露，未揭穿，揭露厚度0.10～8.80m，该层承载力特征值fak=5000kPa。

2.2 水文地质条件

场地地下水主要由第四系土层中的孔隙水和深部基岩裂隙水组成。

（1）孔隙水：场区内地下水类型为上层潜水类型，主要赋存层位：素填土层、耕植土层含孔隙毛细水，属上层滞水；粉质粘土层为相对隔水层；地下水补给主要为大气降水补给，水力特点为无压或局部承压。

（2）基岩裂隙水：场地基岩为微风化灰岩，局部风化裂隙较发育，且发育裂隙水水量局部较丰富，裂隙水具有承压性。整个场地基岩岩溶较发育，溶蚀裂隙及溶洞较发育，溶洞大多为空洞，个别充填软—流塑粘性土及灰岩碎屑、碎块充填，其连通性较差，地下水水力联系较弱。

2.3 场地内不良地质条件

（1）素填土：场地内素填土为新近回填，主要为红粘土、粉质粘土、粘土，其中红粘土具有遇水、失水易变形，遇高温易收缩的特性，在进行设计及施工时应充分考虑其不利影响。

（2）软塑粉质粘土：场地内出露的粉质粘土位于原鱼塘底，力学性质较差。

（3）土洞：本次勘察有7个钻孔揭露到土洞，遇土洞率为0.04%；洞庭湖内填充软—流塑状粘性土，钻探时稍施压钻具下落或钻具自落。土洞洞顶埋深5.20～16.95m，洞底埋深9.70～31.45m；洞高1.90～14.50m。

（4）溶洞：本次勘察有53个钻孔揭露到溶洞，遇溶洞率为29.1%，部分钻孔有2层或多层溶洞（串珠状发育），溶洞多为空洞，个别内充填软—流塑状粘性土、灰岩碎石等。溶洞洞顶埋深4.70～38.00，洞底埋深7.80～40.80m；洞高0.40～12.30m，钻进时均有漏水现象。

3 CFG桩与高压旋喷桩设计

3.1 设计基本条件

（1）设计桩径：CFG桩径D=800mm,高压旋喷桩桩径D=700mm；

（2）CFG桩桩体混合料抗压强度为15MPa（C15），CFG桩有效桩长不小于15m；高压旋喷桩桩体混合料抗压强度为10MPa（C10），有效桩长不小于10m；

（3）褥垫层的设计要求：褥垫层的铺设厚度为300mm，夯填度不大于0.85。采用等边三角形布桩。

（4）设计要求：CFG桩与高压旋喷桩处理后形成的复合地基承载力特征值 fsk≥350kPa。

3.2 设计计算依据

（1）《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-82）；

（2）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）及本工程岩土工程勘察资料。

3.3 设计计算

（1）初步确定单桩承载力特征值（Ra）

式中：up——桩的周长，m；

n——桩长范围内所划分的土层数；

qsi——桩周土的侧阻力特征值，因桩端为微风化灰岩，端阻力特征值高，土层侧阻力不计；

qp——桩端端阻力特征值，微风化灰岩取4000kPa；

li——第i层土的厚度，m；

Ap——桩的截面积，其中CFG桩 Ap= 0.502656m2，高压旋喷桩Ap=0.38485m2。

经赋值计算，CFG桩Ra=2010.62kN，高压旋喷桩Ra=1539.38kN。

（2）验算桩身强度：

式中：fcu——桩体混合料试块（边长150mm立方体）标准养护28d立方体抗压强度平均值，kPa，设计桩体混合料抗压强度为10MPa（C10）。

CFG桩桩身混凝土抗压强度fcu=15.00MPa时，桩身砼强度满足规范要求；同理，高压旋喷桩桩身混凝土抗压强度fcu=10.00MPa时，桩身砼强度满足规范要求。

（3）确定面积置换率（m）：

由下式确定面积置换率：

式中:fspk——复合地基承载力特征值，kPa，为350kPa；

m——面积置换率；

Ra——单桩竖向承载力特征值,CFG桩Ra= 2010.62kN，高压旋喷桩Ra=1539.38kN；

β——桩间土承载力折减系数,β=0.80；

fsk——处理后桩间土承载力特征值，kPa,取60kPa；

经计算得：CFG桩m=6.1%，高压旋喷桩m= 13.4%。

（4）确定桩间距（s）：

由下式确定桩间距：

式中：d——桩身平均直径,CFG桩d=0.80m，高压旋喷桩d=0.70m；

de——一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，CFG桩de=3.24m，高压旋喷桩de=1.91m。

按等边三角形布桩时de=1.05s，因此，CFG桩间距s=3.08m，高压旋喷桩间距s=1.82m。

4 软弱地基土加固施工技术

4.1 CFG桩与高压旋喷桩加固处理机理

CFG桩又称水泥粉煤灰碎石桩，是在碎石桩的基础上加入一些石屑、粉煤灰和少量水泥，加水搅拌和制成的一种具有一定粘结强度的桩；而高压旋喷桩是利用高压泥浆泵提供的高压喷射流冲击破坏土体结构，使水泥浆与土体颗粒得到充分搅拌混合，凝固成圆柱状的固结体，即高压旋喷桩。CFG桩和高压旋喷桩加固软弱地基土，是利用CFG桩和高压旋喷桩与桩间土在一起通过褥垫层的作用形成CFG桩和高压旋喷桩的复合地基，共同承担上部建筑物荷载。即CFG桩和高压旋喷桩是高粘结强度桩，是通过褥垫层作用使桩与桩间土形成复合地基，加固软弱地基主要通过桩体作用、挤密作用和褥垫层作用，提高软弱地基的承载力。

4.2 软弱地基土加固施工顺序

本软弱地基土加固处理是采用高压旋喷桩对熟料库及其附近范围内基岩面以上的新近回填土、耕植土和软塑状粉质粘土等软弱地基土进行加固处理，而采用CFG桩对熟料库及其附近范围内溶洞、溶沟或溶槽等地段的软弱地基土进行加固处理，即不仅要基岩面以上的软弱地基土进行加固处理，而且还要对基岩面以下的溶洞、溶沟或溶槽进行加固处理，故加固施工顺序是“先施工CFG桩，再施工高压旋喷桩”。

4.3 加固范围的确定

该熟料库设计直径Ø64000mm，熟料库内普遍存在新近回填土、耕植土和软塑状粉质粘土，为确保熟料库地基土的稳定性和熟料库使用安全，需要对熟料库外扩3.00m作为加固范围，即该熟料库软弱地基土加固范围是Ø70000mm。

4.4 CFG桩施工技术

4.4.1 长螺旋钻孔泵压CFG桩施工工艺流程

长螺旋钻孔泵压CFG桩采用长螺旋钻机成孔，泵送混合料成桩技术，提钻与成桩同步进行，既加快施工进度，又能避免水下灌注混合料的缺点，其施工工艺流程如图1所示。

图1 施工工艺流程图

4.4.2 CFG桩的成孔技术

（1）测量放样,确定桩位：由测量工程师采用南方355S全站仪进行测量放样,确定桩位；桩位允许偏差控制在20mm以内。

（2）钻机就位安装时，应当调直桩架挺杆与地面的垂直度，对好桩位，保证桩位中心与钻具中心在同一直线上，且保证设备水平、周正、稳固，确保在成孔钻进过程中不发生移位或倾斜；桩架挺杆与地面的垂直度偏差应当不大于1%。

（3）本工程CFG桩需要钻穿灰岩溶洞顶板，且溶洞顶板多在1.00～3.00m，故选择冲孔桩机进行机械成孔。为确保机械成孔顺利，避免孔壁在新近回填土中坍塌，需要采用钢护筒护壁，钢护筒埋设深度要求进入耕植土1.00m以上。

（4）在钻架上应当设置控制钻孔深度的标尺，以利在成孔过程中进行观测或丈量；在成孔过程中，应当有成孔记录，记录做到及时、准确。

（5）当钻孔达到设计深度后，携带泥浆输送管的冲击钻头应当保持在孔底，利用泥浆泵提供泥浆清除孔底残渣或岩屑，使孔底干净，然后提钻泵送CFG混合料。

（6）因场地基岩面起伏较大，钻机钻至基岩面时，应当降低钻进速度，避免出现钻孔偏斜或卡钻事故。

4.4.3 CFG桩的成桩技术

（1）当钻孔深度满足设计要求后,在利用泥浆清除桩底残渣或岩屑的同时，应当严格按照试验室提供的配合比进行投料搅拌，要求搅拌均匀，和易性好。当钻孔底部的残渣或余土清除干净后，应当及时泵料提钻，混合料自孔底而上自致密实成桩。

（2）桩身混合料的搅拌严格按照试验室提供的配合比进行过磅投料,水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级32.5MPa；碎石粒径0.5～2.5cm石场生产的碎石；粉煤灰为电厂生产的二级粉煤灰；混合料坍落度为160～220mm。为提高桩身混合料可泵性和桩身强度，桩身混合料由原来的C15变更为C20，坍落度不变。

（3）灌注过程中，严禁先提钻后泵料。

（4）灌注过程的连续性：混合料的供给要求均匀、充足，是保持灌注过程应当连续进行的基础。

（5）提钻速度的控制：提钻速度要匀速控制，通常情况下，应当控制在1.2～1.5m/min，如遇淤泥或淤泥质土，提钻速度应适当放慢，避免出现桩身缩径或断桩等现象。

（6）保护桩长的控制：本工程CFG桩桩顶设计标高至地面标高的距离小于0.50m，保护桩长控制在30cm左右，上部用土封顶。

4.5 高压旋喷桩施工技术

（1）钻机设备就位安装：钻机安放在设计桩位上并保持垂直；钻机安装要求水平、周正、稳固，施工过程中，钻机不得发生移位或倾斜。

（2）钻孔：采用GY-100型钻机进行机械成孔，采取冲击取土法进行成孔，如遇孔壁坍塌，应采取钢管护壁；钻孔开孔直径：Ø150mm和Ø130mm，终孔直径：Ø130mm和Ø110mm；孔深控制：以钻至基岩面为准，大部分钻孔深度在18.0m左右。

（3）插管：当钻孔深度满足设计要求后，应将插管及时插入孔底，并拔出护壁用钢管。当采取回转钻进方法成孔时，及时将钻具提出孔外，并将插管及时插入地层预定深度；在插管过程中，为预防泥砂堵塞喷嘴，可采取边喷射水、边插管，但水压一般不得超过1MPa；如压力过高，容易造成孔壁坍塌。

（4）喷射施工：当喷管插入预定深度后，开动高压泥浆泵和空压机，高压泥浆泵将搅拌的水泥浆抽送，利用空压机提供的压缩空气，采取自下而上、二重旋喷法对软弱地基土进行喷射施工。在喷射施工过程中，现场技术人员应及时检查水泥浆的水灰比、浆液的初凝时间、注浆流量、风量、压力和提升速度等技术参数是否符合设计要求，并随时做好施工记录。

（5）旋喷技术参数控制：旋喷压力控制在20MPa以上；喷射流量控制在100L/min；钻机回转速度控制在20r/min左右；提升速度控制在0.2～0.8m/min；水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥强度等级为32.5MPa；水泥浆水灰比控制在1∶1左右，其相对密度为1.50。

（6）冲洗机具：喷射施工完成后，应及时将泥浆泵、注浆管、高压胶管和喷嘴等机具设备冲洗干净，管内不得残留水泥浆，否则会影响下一根旋喷桩喷射作业，即会出现管道堵塞等现象。通常情况下，将浆液换成清水，在地面上喷射，直到泥浆泵、注浆管、高压胶管和喷嘴内的水泥浆液全部排除干净为止。

4.6 褥垫层的施工技术

在完成CFG桩和高压旋喷桩施工后，应当清除桩间土和凿除桩头；清除桩间土和凿除桩头后，应当及时验桩和验槽。CFG桩和高压旋喷桩复合地基承载力和地基基础开挖满足设计要求后，应当及时施工褥垫层。垫层材料采用级配良好的碎石中粗砂按照6∶4进行拌合。将拌合好的碎石中粗砂进行摊铺，待摊铺完成后，采用平板振动器夯实至设计厚度（300mm）。对较干的砂石料，摊铺时应当适当洒水再进行夯实；褥垫层的夯填度不大于0.85。