高压旋喷桩在拦河闸基础中的应用

2016-06-29边慧霞张瑜芝田维雄

水利科学与寒区工程 2016年4期

关键词：主要措施质量检测

边慧霞，张瑜芝,，田维雄

(1.华北水利水电大学，河南郑州 450045；2.山西省漳河水利工程建设管理局，山西太原 030002)

高压旋喷桩在拦河闸基础中的应用

边慧霞1，张瑜芝1,2，田维雄2

(1.华北水利水电大学，河南郑州 450045；2.山西省漳河水利工程建设管理局，山西太原 030002)

摘要：以山西省淜头水电站拦河闸基础处理工程为例，对高压旋喷桩在低液限黏土层、卵石混合土层及级配不良砾互层等复杂闸基加固中的施工过程进行了分析，并对桩体喷射中遇到的问题根据实际情况进行分析处理，通过现场取芯、单桩载荷试验桩径检测及桩间土检测对加固效果进行分析评价，可以为类似工程提供借鉴。

关键词：高压旋喷桩；闸基础；黏土层；喷射控制；主要措施；质量检测

高压旋喷桩属于高压喷射注浆法范畴。它是20世纪70年代日本首先提出，在静压注浆的基础上，采用高压水射流切割技术而发展起来的[1]。高压旋喷桩是以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合，形成连续搭接的水泥加固体[2]。它具有可灌性好、成效优良以及适用地层广、深度大、施工机具简单、施工简便、施工迅速等工艺特点，广泛应用于公路、铁路、建筑的软土地基处理，既有建筑的地基加固，水库防渗处理等工程中，是一项先进、有效、实用的技术。本文结合淜头水电站拦河闸基础处理工程，对高压旋喷桩施工进行具体分析，为类似工程提供借鉴。

1工程基本资料

1.1工程概况

淜头水电站工程位于山西省长治市平顺县北耽车村上游约400 m的浊漳河干流上，控制流域面积10 458 km2。工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级，临时建筑物为5级。淜头水电站主要建筑物由拦河闸坝和坝后左岸引水式电站组成。拦河闸坝包括闸室段、左右岸挡水坝段。

高压旋喷桩布置在左岸挡水坝段和闸室段。

1.2工程地质及水文地质

闸基地层岩性自上而下为：①全新统晚期沉淀物，上部为低液限黏土，厚4.0～12.5 m，主要分布于主河床左岸河漫滩，下部为卵石混合土，夹低液限黏土层，厚5.0～10.5 m，主河床及左岸河漫滩低液限黏土下均有分布。②全新统早期沉淀物，由低液限黏土、卵石混合土、级配不良砾互层相间组成，厚度10～25 m，分布于左岸Ⅰ级堆积阶段；③上更新统洪冲积物，上部为低液限黏土，厚5～20 m，下部为卵石混合土、级配不良砾，厚度3～13 m。④∈2x-1～∈2x-3岩组泥页岩、灰岩，岩性较软，易风化，强风化层厚度5～8 m，弱风化层厚度10～15 m。

1.3施工难点、重点及处理措施

由于坝址上部为低液限黏土、卵石混合土，夹低液限黏土层，中部10～32 m 为卵石混合土、级配不良砾互层，此种地质条件对高喷成孔影响极大，上部松散极易塌孔，下部卵石混合土、级配不良砾互层胶结较为密实，且含有卵石，成孔难度大，功效低，对机械磨损大。

由于闸基地质情况复杂，在施工中遇到不良地层，为便于成孔，施工采用PVC管护壁或加大循环泥浆浓度。

2高压旋喷桩加固设计

2.1加固范围

由于左岸挡水坝段及闸室段闸基(桩号渗0+000.00～渗0+160.00)地层岩性主要为低液限黏土和卵石混合土，地质条件复杂，为确保闸基的稳定及安全，需对该范围闸基进行高压旋喷桩加固。

2.2高压旋喷桩设计参数

高压旋喷桩有效桩径1.0 m，桩间距2.2 m，加密桩间距1.7 m，呈梅花形布置，钻孔深入岩面以下0.5 m，共1230根桩(其中加密区79根)。其28 d龄期的抗压强度要求：地层为低液限黏土的桩体抗压强度应大于1.5 MPa；地层为卵石混合土的桩体抗压强度应大于3.0 MPa;加固后基底复合地基容许承载力应不低于250 kPa。

3高压旋喷桩施工

施工现场经三次现场生产性试验研究[3]，最终确定了合适的施工工艺和旋喷参数。

3.1施工工艺流程

主要包括钻孔、下注浆管、喷射、成柱、封孔等[4]。

高压旋喷桩采用二管法和三管法施工，梅花形布桩，分两个工序进行，如图1所示，先施工Ⅰ

序孔，后施工Ⅱ序孔。

图1　高压旋喷桩施工工序示意图

3.2高压旋喷桩施工技术参数

旋喷参数详见表1。其中在桩号渗0+050.894～0+073.754段黏土层较厚，此处主要采用三管法进行旋喷施工；桩号0+000～0+050.894和桩号0+073.754～0+160.00段地层以卵石层和卵石间黏土层为主，此段采用二管法进行旋喷施工，施工范围见图2。

图2　高压旋喷桩加固范围示意图(单位：m)

项目黏土层(三管法)卵石层(双管法)卵石层间黏土层(双管法)钻孔孔径/mmΦ150Φ110Φ110水压力/MPa≥33//水流量/(L·min-1)70～80//水喷嘴孔径/mm及个数1.8(2个)//气压力/MPa≥0.7≥0.7≥0.7气流量/(m3·min-1)1.01.01.0气喷嘴个数2个2个2个浆压力/MPa≥1.0≥33≥33浆流量/(L·min-1)≥70≥70≥70浆密度/(g·cm-3)1.511.451.45浆喷嘴孔径/mm及个数6～12(2～3个)2.0(2个)2.0(2个)回浆密度/(g·cm-3)>1.2>1.3>1.3提升速度ν/(cm·min-1)土层初喷5(无浆)10土层5提升速度ν/(cm·min-1)土层复喷7(送浆)10土层5提升速度ν/(cm·min-1)砂卵石1210卵石层10旋转速度/(r·min-1)121010

3.3施工机具

根据本工程地质情况及施工进度要求，施工机具采用“两钻一喷”进行配置，外加5台全液压根管钻机，具体设备投入详见表2。

表2　高压旋喷桩机具设备表

3.4施工材料

(1)水泥:高压喷射浆液采用P.O42.5拌制。

(2)水:就近原则，采用浊漳河河水。

(3)浆液:采用纯水泥浆液，三管法水灰比为1∶1，两管法水灰比为1.2∶1。

3.5喷射控制

(1)地面试喷、定向：钻孔验收、高喷台车就位并对准孔口后，首先进行地面试喷。

(2)开喷：喷管下至指定深度后，静喷3 min，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，即按既定的提升速度和旋转速度进行喷射灌浆。

(3)高压喷射灌浆全孔自下而上连续作业。作业中因拆卸喷射管而停顿后，搭接高喷灌浆长度不小于0.2 m。

(4)灌浆中断

高压喷射灌浆因故中断后重新恢复施工前，应对中断孔段进行复喷，搭接长度不小于0.5 m。

(5)提升速度的控制

位于30～41列(桩号渗0+050.894～0+073.754段)设计桩顶处于粉质黏土地层的高喷桩，高喷桩喷浆步骤如下：喷管下到钻孔终孔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5 cm/min的提升速度喷至超出设计桩顶高程50 cm，然后将喷管下放至停浆部位以下30 cm，开始送浆，再按7 cm/min的提升速度喷至超出设计桩顶高程50 cm。

位于6～29列及位于43～91列(桩号0+008.205～0+050.894和桩号0+073.754～0+160.00段)设计桩顶处于卵石地层的高喷桩：①对于卵石层中的黏土夹层，卵石层提升速度10 cm/min，黏土层提升速度5 cm/min，卵石层与黏土层结合面上下30 cm范围，降低提速按5 cm/min提升，以确保结合面喷浆质量；②在喷至距设计桩顶高程50 cm时，静喷1 min后按8 cm/min的速度提升2 min后再静喷1 min，再按8 cm/min的速度提升2 min再静喷，直至设计高程，然后继续按8 cm/min的速度提升直至超过设计高程50 cm。

(6)装、卸喷射管时，采取密封、加快装卸动作的措施以防止喷嘴堵塞。

(7)当喷射到超出设计高程50 cm后迅速拔出喷射管，及时将各管路冲洗干净，以防堵塞。

(8)回灌：喷浆结束后，利用下一孔喷浆过程中的回浆和新制浆液两种方法进行回灌，直至孔内浆面不再下沉为止。

(9)封孔：高压喷射灌浆孔经回灌后，空孔部分采用壤土回填。

3.6施工中遇到的问题及处理措施

(1)在注浆过程中，出现相邻两孔或隔孔冒浆，这表明闸坝地基已经劈裂，串浆两孔之间浆脉已经沟通。处理这种情况，一是将冒浆孔用止浆塞堵，然后在注浆孔再继续注浆，另一种是将注浆孔与冒浆孔并联，同时进行灌注。

(2)在进浆正常的情况下，孔口回浆密度变小，回浆量增大，需要降低气压并加大进浆浆液密度或进浆量。

(3)在高喷灌浆因故中断后重新恢复施工前，需要对中断孔段进行复喷，搭接长度要大于0.5 cm[5]。

(4)在施工过程中，压力徒增，流量为零，要马上停机检查，若停机后压力仍不变，可能是喷嘴堵塞，则需要疏通喷嘴。

4质量检测

4.1桩体抽芯抗压强度检测

高压旋喷桩的取芯在旋喷桩成桩28 d后进行[6]，取芯孔共选取了13个孔，芯样抗压强度检测39组，其中黏土层桩体12组，最大值5.6 MPa，最小值3.1 MPa，均满足设计要求(大于1.5 MPa)；卵石层桩体27组，最大值8.3 MPa，最小值3.6 MPa，均满足设计要求(大于3.0 MPa)。

4.2单桩载荷试验及复合地基载荷试验

单桩复合地基载荷试验，共检测6组，复合地基承载力全部达到250 kPa，满足设计要求。

单桩竖向抗压载荷试验，共检测6组，检测值分别为1150 kN、1150 kN、1150 kN、1150 kN、850 kN和850 kN，满足设计要求(不低于1100 kN/800 kN)。

单桩复合地基载荷试验桩与单桩抗压载荷试验桩分布详见图3。