高压旋喷桩在防洪墙地基处理中的应用

2015-12-24江忠爱

湖南水利水电 2015年3期

江忠爱

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市 410007）

1 高压旋喷桩的机理

高压喷射注浆法处理地基在我国已有了广泛的应用，它是通过高压旋喷流切割破坏土体作用、混合搅拌作用、升扬置换作用、填充压密作用以及渗透固结作用，致使浆液和土粒强制搅拌混合凝固后，在土中形成一个加固体。常用来加固软弱地基、挡土围堰、基坑止水防渗及塌方整治等。

高压旋喷桩复合地基是以高压水泥浆液和地基土混合固结形成的一种桩土复合材料，是桩和土的共同作用，即利用天然地基土的强度又使之强化，具有强化地基和防水止渗的作用，适用于处理各类地基，它具有强度高、加固质量均匀、加固体形态可控，经济适用及基本无污染等特点；同时施工时无振动、无噪声，施工空间要求不高，施工机械简单，可多工序平行作业，能有效缩短施工工期，降低成本，经济效益明显，因此高压旋喷桩在地基加固中的应用也越来越广泛。

2 工程概况

拟建防洪墙位于湖南省湘江中下游，采用C15混凝土衡重式结构，防洪标准为50年一遇，工程等别Ⅲ等，建筑物级别为3 级，墙高15 m，墙底基础厚1 m。稳定计算结果表明，防洪墙地基承载力特征值应不小于350 kPa。

拟建场地位于集镇边缘，堤线沿湘江Ⅰ级阶地后缘布置，沿线岸坡较陡。工程区内主要为第四系全新统冲积堆积，墙底地层结构从上到下分别为①粉细砂：厚（13～14.0）m，重度γ=18.5 kN/m3，天然含水率W=14.2%，孔隙比e=0.859，内摩擦角Ф=20°，压缩系数K1-2=0.24 MPa-1,压缩模量ES=15 MPa，标贯击数为（9～15）击，承载力标准值fak=130 kPa。②泥灰岩：青灰色，隐晶质结构，中厚层构造，岩石较坚硬，多为弱风化层直接出露，强度高，局部发育薄层强风化层，承载力标准值为fak=450 kPa。

拟建防洪墙基础埋深1.5 m，基础持力层为粉细砂，持力层粉细砂的天然地基承载力特征值130 kPa＜350 kPa，无法满足设计要求，需进行基础处理。本工程防洪墙临街布置，距防洪墙（5～15）m 有大量居民建筑物，防洪墙施工时应尽量避免大开挖、大面积强夯振动等工程措施。

3 加固方案的选择

根据本工程地质情况，可采用扩大基础减小基底应力或通过桩基础地基处理提高地基承载力，两种措施均可满足工程需要，保证防洪墙稳定。其主要特点为：

（1）扩大基础方案，由于防洪墙较高、天然地基土承载力又差，因此要求扩大基础断面较大，为满足扩大基础的布置和临时开挖，需要增加移民征地拆迁，其中征地32 亩，拆迁房屋60 多栋，而本工程移民配套资金严重缺乏，拆迁难度大，采用扩大基础方案将影响工程整体进度。

（2）桩基础方案，由于现场施工条件限制了挖孔桩、冲钻孔桩及深层搅拌桩等桩基处理措施，因此仅考虑高压旋喷桩方案。高压旋喷桩施工时，只需要在土层中钻一个小孔，便可在土层中喷射成直径（0.4～2）m 的固结体，因而能贴近已有建筑物施工；施工时振动很小，噪声也较低，不会对周围建筑物带来振动影响及噪声、公害，更不存在污染水域，毒化水源的问题。

经综合比较后，选用高压旋喷桩复合地基加固方案。高压旋喷又分为单管法、双管法和三管法。根据工程地质情况、施工能力及相应的工程经验，拟采用双管法进行加固。

4 高压旋喷桩复合地基设计与计算

根据各土层的物理力学指标，按侧摩阻力和端阻力计算的单桩承载力小于按水泥土强度计算的单桩承载力，因此，为满足处理后复合地基承载力特征值不小于350 kPa，选择泥灰岩作为端桩持力层，并要求旋喷桩深入持力层不小于1.5 m。

4.1 旋喷桩直径的确定

旋喷桩固结体直径的大小由加固土层种类、注浆管类型、喷射技术参数等共同确定。本工程加固土层为粉细砂层，通过工程类比初拟固结体设计直径为1.2 m。

4.2 旋喷桩数量的确定

（1）单桩竖向承载力特征值计算。为要有足够的承载力，高压旋喷桩必须同时满足两个条件，即桩身强度足够高，不被所承受的荷载压垮；桩径足够大，桩身足够长，以提供足够的桩侧阻力和桩端阻力。根据《建筑地基处理技术规范》,高压旋喷桩单桩竖向承载力特征值应通过现场试验确定，设计时可按下列二试计算并取其中的小值。

式（1）中： fcu桩身试块的无侧限抗压强度平均值（取fcu=5 MPa）；η 为桩身强度折减系数（取η=0.33）；Ap为桩身截面面积（取Ap=1.131)。计算后到得Ra=1 492 kN。

式（2）中：up为桩的周长（m），qsi为桩周第i 层土的侧阻力特征值，由于高压旋喷桩桩径不规则，呈犬牙交错状，因此qsi取值应比其它桩型大（粉细砂层，取qsi=20 kPa）；qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值（泥灰岩层，取qp=450 kPa）。计算后得Ra=1 335 kN。

根据式（1）、式（2）的计算结果，取其较小值，因此单桩竖向承载力特征值Ra=1 335 kN。

（2）复合地基承载力特征值的验算。

式中 fsk——桩间土承载力特征值（粉细砂层，取fsk=130 kPa）；

β——桩间土折减系数（取0.35）。

计算后得到m=0.268。

根据工程提高地基承载力，减少沉降的加固目的，结合防洪墙地基受力情况分析，按基础满堂布桩，布置方式为正方形，桩间距用l 表示：

取l=2 m，计算得fspk=368.85 kPa>350 kPa，处理后复合地基承载力特征值满足设计要求。

4.3 高压旋喷桩复合地基设计方案

根据上述计算成果，采用高压旋喷桩处理地基方案的具体设计参数为：平均桩径1.2 m，桩间距2 m，正方形布置，平均有效桩长为14 m，面积置换率为28.2%。设计要求处理后复合地基承载力特征值不小于350 kPa，单桩承载力特征值不小于1 335 kN，最大沉降量不大于150 mm。

为更有效地传递上部荷载，充分发挥桩土复合地基的作用，减少基础沉降量，桩顶和基础之间设置（200～300）mm 的碎石顶层；考虑到上部桩体的质量，要求先施工防洪墙基础，再进行旋喷桩施工。

5 施工参数及施工工艺

（1）主要施工参数。由于喷射流的“软切割”，高压旋喷桩的桩径很难控制，不同性质的土层，对高压旋喷射流的反应效果不一样，在正式施工前必须通过试验性施工，并开挖检查凝固体质量确定正式施工参数。

本工程在正式施工前，试打了3 根工艺桩，最终选用的技术参数如下： ①采用双管法进行施工； ②选用425#普通硅酸盐水泥浆，水灰质量比为（0.95～1）；③压缩气压力为0.75 MPa，流量为1.2 m3/min，气嘴1 个；④水泥浆压力为35 MPa，流量为75 L/min,密度为1.6 g/m3，回浆密度≥1.2 g/m3，直径为2.8 mm 喷嘴一个；⑤注浆管提升速度为（8～12）cm/min，转速为（10～20）r/min。

（2）施工工艺。双管法的特点是同时喷射高压浆液和空气两种介质射流冲击破坏土体。具体施工工艺流程为：钻机就位→钻孔与插管→喷射作业→冲洗器具、移开机具→回填注浆。

（3）其它要求。①由于本工程桩周地质情况影响着最后单桩竖向承载力及最终复合地基承载力，因此要求施工单位每隔20 m 打一个先导孔，复核地层情况及地基持力层深度。②为防止浆液凝固收缩，产生加固地基与基础不密贴和脱空现象，旋喷桩必须超喷至基础顶面。③本工程采用二序孔施工，以防施工过程中，在浆液未硬化前，有效喷射范围内的地基土因受到扰动而强度降低，从而产生附加变形，因此在施工中还应注意控制好施工速度和顺序，并对附近建筑物进行变形监测。

6 复合地基检测及沉降观测

本工程在施工过程中，对附近建筑物及居民的生产生活没有产生大的影响。施工完成后，根据相关规范，由检测单位对该工程进行桩身完整性、单桩竖向承载力及复合地基静载荷试验检测。检验结果表明，桩身质量和完整性较好，各项指标均满足设计和相关规程规范的要求。

6.1 单桩承载力检测

本工程取3 根单桩进行竖向抗压静载试验，试验曲线见图1。

图1 单桩竖向抗压静载试验曲线

由图1 可知三条试验曲线均为缓变形曲线，未出现极限荷载，取试验中的最大加载量作为单桩极限荷载（即设计要求的2 倍竖向抗压承载力特征值），对应的最大沉降值为12.1 mm。由于各桩极限承载力极差不超过过平均值的30%，满足要求。

6.2 复核地基承载力检测

本工程进行3 组复合地基竖向静载荷试验，试验曲线见图2。

图2 复合地基静载试验曲线

从载荷试验结果看，3 条曲线均为缓变形曲线，没有出现极限荷载，故宜按相对变形来确定复合地基承载力特征值。对于旋喷桩复合地基，可取S/b（S为沉降量；b 为承压板宽度）=0.006 所对应的压力值作为复合地基承载力特征值，该工程b=2 m，故可取S=12 mm 所对应的压力值作为复合地基承载力特征值。本工程采用极限加载量2 800 kN 时，对应的最大沉降量S1=11.8 mm＜12 mm，极限承载力特征值700 kPa（承压板为4 m2），极限承载力为要求的设计承载力特征值的2 倍，满足要求。