插芯高压旋喷桩在复合地基补强加固中的应用

2022-06-22山西能源学院山西太原030600

砖瓦 2022年6期

张苇（山西能源学院，山西太原 030600）

高压旋喷桩是目前加固软土地基的常用处理方法之一，其原理是采用钻机将带有特制喷嘴的注浆管钻入指定深度的土层内，使用20MPa～40MPa的高压喷射流破坏地基土体，注入的浆液将冲下的土体置换，或与土体混合经过凝结固化形成固体，从而提高地基土层的承载力，减少地基土的变形[1-4]。但由于高压旋喷桩一般采用水泥浆液进行土体加固，其本身单桩承载力较低，在地基承载力要求较高的情况下，桩体自身的材料强度往往不能满足要求，而在旋喷桩上部部分插入型钢则可以提高旋喷桩单桩承载力，扩大其在工程上的使用范围[5]。本文依据插芯高压旋喷桩在高层住宅地基加固中的应用，结合现场检验结果，对插芯高压旋喷桩的应用效果做了讨论。

1 工程概况

1.1 工程及地质概况

本工程为某小区高层住宅楼，地下一层，地上三十层，建筑高度99m，室内外高差0.45m，建筑平面尺寸为长91.2m、宽20.6m。上部结构为钢筋混凝土剪力墙，基础采用平板式筏形基础。建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，建筑场地类别为Ⅲ类，地面粗糙度类别为B类，设计使用年限50年。地基土的各项物理力学指标分层统计结果详见表1。在勘察期内测得地下水稳定水位在3.2m～6.8m左右，地下水类型上部为孔隙水，主要含水层为第①、②层粉砂、粉细砂，第③层以下则为承压水。本工程场地土类型属中软场地土，严重液化场地，液化土层主要为第①层粉砂和第②层粉细砂。

表1 地基土层物理力学指标

1.2 既有地基处理方案

为了消除场地液化，采用了强夯法对整个基础范围内的地基土进行加固处理，单击夯击能4000kNd·M，夯点间距为6.0m，呈正方形布置。强夯后的地基承载力经检测达到220kPa，不符合上部结构荷载要求，在经强夯处理后的地基土上满打CFG桩，桩径400mm，正方形布桩，桩间距1300mm，桩长21m，且应进入桩端持力层粉砂层。桩体混凝土强度标准值要求达到C20，施工采用长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩工艺。经处理后的复合地基承载力设计值为500kPa，复合地基的最终变形量小于50mm。

2 地基加固方案的选取

本工程在平板筏形基础施工过半时，由于建筑方案临时调整，结构主体外轮廓发生变化，基础底面积增大，结构新增部分下方的地基土仅进行了强夯处理，未进行CFG桩加固，不足以承担上部结构传来的荷载，必须对这部分地基土进行加固处理。但是由于基础部分施工正在进行中，现场工作面很狭小，CFG桩的施工设备不能进场，不能进行CFG桩补打操作。这就需要选择一种新的地基处理方案以满足现场施工操作面的要求，既能在有限场地条件下进行施工，又可以满足地基承载力和基础变形的要求，并可以同CFG桩复合地基共同工作，保证上部结构的整体稳定性。经过方案比较论证，依据现有施工场地状况确定选用施工占地面积较小的高压旋喷桩来加固扩出的地基土。高压旋喷桩采用三角形布桩方式，桩径600mm,桩间距1200mm,，桩长21m。桩身强度标准值要求达到5MPa，水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5。CFG桩及补打高压旋喷桩桩位具体布置如图1所示。

图1 CFG桩与高压旋喷桩桩位布置平面图

3 高压旋喷桩加固地基设计方案

3.1 高压旋喷桩复合地基承载力计算

根据《建筑地基处理规范》（JGJ79-2012）[2]中的相关设计要求，旋喷桩复合地基承载力特征值和单桩承载力特征值应通过现场载荷试验确定，在初步设计时可通过以下两个公式确定。

式（1）中fSPK-为复合地基承载力特征值，kPa；

λ-为单桩承载力发挥系数，应由单桩复合地基试验按等变形准则确定，有地区经验时也可按地区经验确定；

m-为面积置换率；

Ap-为桩的截面面积，m2；

R-为单桩竖向承载力特征值，kN；

β-为桩间土承载力发挥系数，可按地区经验确定；

fSK-为处理后复合地基桩间土承载力特征值（kPa），可按地区经验确定。

式（2）中μp-为桩的周长，m；

lpi-为桩长范围内第i层土的厚度，m；

αp-为桩端阻力发挥系数；

qsi和qp-分别为桩周第i层土的侧阻力和桩端阻力，kPa，可按地区经验确定。

高压旋喷桩单桩承载力除了受到桩土相互作用以及桩身几何尺寸的影响外，还受桩身材料强度的控制，其桩身强度需要满足公式（3）的要求。

3.2 几何设计参数的选取

通过上述公式（1）～（3），可确定高压旋喷桩复合地基的初步设计参数和承载效果。在本工程中，为了保证整体楼座可置于变形均匀的地基土层上，新增高压旋喷桩复合地基需要达到同已有CFG桩复合地基基本相同的地基承载力。在选定桩长时，将两种不同桩型的桩端持力层置于同一土层上，从而确保复合地基下卧层的受力均匀，变形一致。另外，考虑到上部结构扩出部位为建筑角部，向下传递的荷载较大，同原有的CFG桩相比较，新增的高压旋喷桩采用较大的直径（d=600mm）和更为紧凑的三角形布桩方式。

根据郑刚[6]所做的水泥土-土、混凝土-土接触面荷载传递实验结果，可知水泥土搅拌桩与土之间的摩擦力大于干法成孔灌注桩和泥浆护壁成孔灌注桩与土接触面的摩擦力，故在计算时，高压旋喷桩的桩侧阻力和桩端阻力均可按照已有地勘报告所提出的钢筋混凝土灌注桩的参数来选用。

经公式（1）计算分析，在此种布桩方式下，要保证旋喷桩复合地基承载力达到520kPa，其单桩承载力特征值要求达到577kN即可。而根据公式（2），桩侧摩阻力和桩端阻力所提供的单桩承载力特征值可以达到了797kN，满足要求。

3.3 桩身强度的改善

在确定桩身设计强度时，根据旋喷桩在相似土质条件下的施工经验及检测结果，桩身强度最高可取为5MPa。根据公式（3），反算其所能提供的单桩承载力特征值仅为230kN，远远低于设计所需要的577kN。这是由于高压旋喷桩桩体材料为水泥土，桩体自身强度相对较低，桩体向下传递荷载的能力非常有限，从而导致高压旋喷桩很少用于较高地基承载力要求的地方。

一些工程实践也表明，常规的水泥土桩的破坏并不是因为桩侧阻力和桩端阻力达到极限，而是由于水泥土自身强度不足导致的。考虑到高压旋喷桩这一缺陷，提出了一种在桩体上部有限桩长度内插入强度高于水泥土构件的办法，增大旋喷桩桩身上部截面的抗压强度，增强桩体向更大深度处传递荷载的能力，从而提高单桩承载力，扩大旋喷桩的适用范围。芯材的插入时间应控制在高压旋喷注浆完毕而水泥未初凝之前；在选择插芯材料时，要充分考虑芯材自身的抗压强度是否足够，同时还要考虑芯材与水泥土之间的粘结力足够承担上部传来的荷载，不会发生芯材同水泥土之间粘结力不足而破坏；在芯材长度的确定上，要根据下部未插芯的高压旋喷桩所能承担的承载力来确定，即旋喷桩的单桩承载力Ra可分为两部分，上部插芯部分Ra1和下部未插芯部分Ra2，如公式（4）所示。Ra1和Ra2可通过公式（2）和（3）计算确定。

根据本工程自身特点以及施工紧迫性的要求，在高压旋喷桩上部9m范围内插入直径245mm、壁厚7mm的Q235热轧无缝钢管，提高桩体上部截面的抗压强度，具体如图2所示。图中钢管自身的抗压强度可以达到215MPa，按其桩身强度所能承担的承载力达到1124kN。根据经验值，钢管同水泥土之间的黏结强度设计值取0.2MPa，则通过计算可知，钢管与水泥土接触面的摩擦力可提供的承载力足够承担上部荷载，水泥土与钢管可以共同工作。通过公式（4）计算可得，在插入9m钢管后，旋喷桩未插芯部分的强度足以承担上部传来的荷载，插芯高压旋喷桩复合地基可以达到设计要求的地基承载力。

图2 插芯高压旋喷桩剖面图

3.4 复合地基检验

作为补强加固的高压旋喷桩施工完成后，为检验复合地基的承载力满足设计要求，现场进行平板静载荷试验。试验采用压重平台反力系统，液压千斤顶加压，采用1m×1m方形承压板，沉降观测采用百分表、基准梁观测系统。试验总载荷为1100kPa，分10级加载，每级荷载增量为110kPa。此外，抽取3根旋喷桩做取芯检验，并对所有的旋喷桩采用低应变检测桩身的完整性。试验结果表明，在本工程中采用的此种插芯高压旋喷桩复合地基承载力、桩身强度均满足设计要求。

3.5 上部结构加强措施

对于高层住宅下部采用两种不同地基处理方式的工程，还应该在基础以及上部结构上采取相应的加强措施，保证上部结构、基础和地基之间传力的均匀性，减小整个建筑的不均匀沉降。在本工程高压旋喷桩部位新增筏板基础，在满足上部结构传力要求的同时，增大筏板在交接部位配筋，适当增大外边缘，即增大楼座底面积，减小基底压力，通过厚板作用将上部荷载更均匀地传递到复合地基土上。