高压旋喷桩在软弱土夹层地基处理中的应用

2021-01-06方常芳

河南建材 2021年6期

方常芳

福建省电力勘测设计院（350003）

1 工程概况

某电厂冷却塔，塔高为115.7m，喉部标高为91.1m；冷却塔水池外侧半径为49.0m，喉部半径为24.5m；塔筒最小壁厚为170mm，最大壁厚为700mm。冷却塔基础采用环形基础，环基宽度为4.5m。冷却塔塔身自重产生的地基反力约为140kPa；考虑风荷载时环基基底最大地基反力约为240kPa。

2 地质概况

地质勘探资料显示，工程场地的地质较为复杂，存在软弱夹层，环形基础范围内土层软硬不均；场地下方发育有一定程度的岩溶，多为充填溶洞；灰岩面上局部区域分布较厚的极软弱土层（最厚达9m），具体基础地层分布如下:

②粉质黏土:冲洪积，广泛分布,可塑～软塑状,均匀性较差，一般厚度为1～1.5m，属于物理力学性质较差的土层，承载力特征值为120kPa。

③含泥卵石:冲洪积，广泛分布,虽物理力学性质较好,具备较高强度,但分布厚度不均，厚度为1.5～5.5m，承载力特征值为300kPa。

⑤-2粉质黏土:残积，物理力学性质较差,厚度为1～5m，压缩性高，压缩模量为4.0MPa，承载力特征值为100kPa。

⑥-1含角砾石黏土:残积，局部分布，厚度不均，最大厚度为7m，物理力学性质较好，承载力特征值为230kPa。

⑥-2含角砾石黏土:残积，物理力学性质较差,压缩性高,压缩模量仅为1.0MPa，最大厚度为9m；该土层局部地段出现过钻探钻头直接坠落的现象；约1/3地基范围分布有该土层。

⑧强风化泥质粉砂岩:物理力学性质较好，压缩模量为20MPa，土层厚度为1～20m，约1/2基础范围分布有该土层。

⑨中风化石灰岩:地层面起伏变化较大，局部溶洞发育。

3 地基处理设计

3.1 方案的选择

自然通风冷却塔为双曲线钢筋混凝土薄壳结构，除对地基承载力有基本要求外，地基是否均匀沉降也是设计必须考虑的重要因素。冷却塔环基对地基承载力要求不高，从土层岩土力学指标看，可以利用③含泥卵石层作为冷却塔的持力层，采用挖除②粉质黏土层换填砂碎石的方式进行地基处理，但是，由于工程区域土层软硬不均，而且还处于大面积回填区，场地回填厚度达4～6m，大面积填土及上部结构自重产生的附加荷载导致不均匀沉降远远超出规范要求，必须对冷却塔地基进行处理。

拓展阶段分为两部分：小组讲台汇报和教师引导讨论。十个小组依据抽签书序，选取代表上台汇报叙述性描写特征（每组2分钟）（组内一位同学在黑板书写句子），汇报后同学和老师给予评价反馈（每组1分钟）。所有组汇报结束后，教师引导讨论给出一个综合性的概括，然后结合文章和同学一起逐一详细找出和解释叙述性描写的应用（共25分钟）。最后的5分钟为整个讲解及授课的综合答疑和布置作业。

由于灰岩面起伏变化极大，局部灰岩面陡峭，灰岩面下分布着大量的小型溶洞，若选用冲孔灌注桩并以中风化石灰岩为持力层，则必须通过地质钻探来判断桩端以下3倍以上桩径范围内是否存在软弱破碎带或洞穴分布，这对需要大量桩基处理的工程显然不合适。设计考虑采用高压旋喷注浆法对软弱土层进行土体加强。

3.2 高压旋喷桩布置设计

高压旋喷注浆法是在静压注浆法基础上发展而来的化学处理地基的方法。采用带有特殊喷嘴的注浆管，以20MPa左右的压力，将能凝固的浆液注入土层中预定深度的位置；利用高压喷射流强力冲击并破坏土体，同时以一定的速度边旋转边提升注浆管，使浆液与土搅拌混合，经固化后在土体中形成固结体，用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善土的变形性质。

设计利用高压旋喷注浆形成的桩体与桩间土组成复合地基，从而调整冷却塔环基的沉降量，达到均匀沉降的目的。经高压旋喷注浆处理后的复合土层的压缩模量按下式计算:

Esp=mEp+（1-m）Es

式中，Esp为复合土层的压缩模量；Ep为旋喷桩桩身的压缩模量；Es为桩间土的压缩模量；m为桩土面积置换率。

本工程设计时，参考类似地质条件已完工工程的试验数据，取桩体压缩模量为120MPa，进行沉降变形计算。地基处理施工结束后，对旋喷桩及桩间土进行钻孔取芯试验，试验结果表明：旋喷桩桩体压缩模量均大于120MPa，桩间土压缩模量也有不同程度的提高。为了设计安全，桩间土压缩模量取原土层数值进行计算。通过研究土层分布，选择梅花状布置桩位，并通过调整旋喷桩的间距来调整复合土层的压缩模量，以达到沉降均匀的目的。设计主要考虑对基础下方⑤-2、⑥-2软弱土层进行旋喷注浆处理，对其他土层仅采取调节不均匀沉降量的措施。

3.3 施工技术要求

选用单管高压旋喷注浆施工技术，要求⑤-2、⑥-2软弱土层旋喷后形成固结体、桩身直径不小于600mm。根据工程经验，初步确定了主要的施工技术参数和要求：注浆压力为25MPa，注浆流量不小于30L/min；提升速度为0.1～0.20 m/min，旋转速度为15r/min；采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥浆液的水灰比为1.0；为保证旋喷桩体的直径及质量满足要求，注浆完成后要复喷一次。经后期质量检验，证明以上施工技术参数是合适的。

4 地基处理施工

在开展大面积施工前，对每一布桩分区进行各不少于5根桩的试喷。试喷桩的布点选择在已有的地质钻孔上或已有地质钻孔的周围。根据地质钻孔资料以及试喷过程中贯入喷射管的难易程度（贯入速度）、注浆压力变化、提升速度、注浆量等，总结该分区的施工数据，并以该试验数据作为该分区的施工控制数据和设计修正依据。对于施工过程中发现的地质发生突变或与周边地质钻孔资料不符的区域，要再次进行施工勘探。

5 旋喷桩的施工质量控制

高压旋喷桩施工的隐蔽性强、地质条件千差万别,施工过程中的质量控制工作较难开展,很容易出现质量事故,必须采取一些预防措施[1]。

1）旋喷前，要检查高压设备和管路系统，其压力和流量必须满足设计要求。

2）钻机到位要准确，孔位偏差不应大于5cm。钻机就位后，要用水平尺对钻机的水平度进行检查，以保证钻孔的垂直度，垂直度允许偏差应为±1%。

3）旋喷施工时,先施工中心孔，然后施工周边孔；周边孔采用间隔跳打的方法进行施工。

4）在插管和喷浆过程中，要注意防止喷嘴堵塞；旋喷注浆完毕，应迅速拔出喷射管。

5）喷浆时,要做好压力、流量和冒浆量的量测、记录工作。钻杆的旋转和提升必须连续不中断。

6）当钻至设计深度以下0.2m后，将喷射注浆管贯入土中；喷嘴达到设计标高时，即开始喷射注浆。在喷射注浆参数达到规定值后，随即按照旋喷工艺要求提升喷射管，由下而上、旋转喷射注浆,并进行复喷。喷射管分段提升的搭接长度不得小于100mm，以保证喷射固结体不出现脱节现象。

7）搅拌水泥浆时,水灰比要符合设计规定,不得随意更改。在旋喷过程中应防止水泥浆沉淀,避免出现浆液浓度降低的问题。禁止使用受潮或过期的水泥。

8）在旋喷注浆过程中出现压力骤然下降、上升现象或出现冒浆异常现象时，应查明原因并及时采取措施。在施工过程中，应随时观察冒浆情况和土层情况，如果遇到喷嘴堵塞现象，应提升注浆管，待堵塞现象消失后再进行复喷；不冒浆或断续冒浆属于松软土质下施工的正常现象，可适当进行复喷；冒浆量小于注浆量的20%属于正常现象，超过20%或完全不冒浆时应采取相应措施。在旋喷过程中，如果因地层有较大空隙而导致不冒浆，可在浆液中加入适量的速凝剂，以缩短固结时间；当冒浆量过大时，可提高喷射压力，适当缩小喷嘴孔径，加快提升和旋转速度。

9）旋喷注浆作业结束后，由于浆液析水作用会产生不同程度的收缩。为防止因浆液凝固收缩而在固结体顶部产生凹穴，可对已施工孔位采取冒浆回灌或二次注浆等措施。

10）施工完毕后,设备及管路要清洗干净。

6 施工问题及其解决方案

在注浆过程中，遇到了不冒浆或断续冒浆的情况，甚至连续几个小时不冒浆。出现这种情况的可能原因是:①地下有溶洞存在，而且溶洞的体积很大，注浆液进入溶洞；②岩溶地区地下有暗河，所注浆液随暗河流走；③从邻近孔冒出。经与施工人员、地质人员沟通、分析，浆液没有从邻孔冒出，地下也不可能存在暗河，认为高压浆液流入溶洞的可能性最大。处理措施：停止注浆，然后采用砂浆泵注入M15水泥砂浆；或在浆液中添加适量速凝剂并适当加大注浆流量，以0.1m/min的提升速度旋喷注浆1遍。14d后，再次对该桩位进行旋喷注浆，返浆正常，取得了理想的效果。

7 旋喷桩质量检验

可根据工程要求和经验，采用开挖检查、钻孔取芯、标准贯入试验、载荷试验或围井注水试验等方法，对旋喷桩的质量进行检验。检验的主要内容包括固结体的整体性和均匀性、有效直径、垂直度、强度特性、溶蚀和耐久性能等。

根据本工程地基处理的目的及特点，载荷试验没有实际意义，对处理深层软弱土夹层部分进行开挖检查也无法实现，但为了更直观地校验高压旋喷注浆的效果，在冷却塔塔基附近选择地质条件相似且埋深较浅的场地进行了少量的高压旋喷注浆试验，并开挖检查。本工程主要采用钻孔取芯和标准贯入试验相结合的方式，考虑到地质的复杂性，要求适当增加检验点数，各施工分区检验点数量不少于施工孔数的3%，且不少于3个点；同时，对旋喷形成的桩体间土层也进行钻孔检验及标准贯入试验。质量检验点的选择：除具有代表性的桩位、施工中出现过异常情况的部位、地质情况复杂且可能对高压喷射注浆质量产生影响的部位外，其他均随机抽取。要求采用金刚石钻头直径≥75mm、转速不小于1000r/min的钻机进行钻孔取芯检验，观察芯样是否拌和均匀、胶结紧密，水泥固结体是否连续等，并对所取芯样进行力学试验[2]。