高速公路路基高压旋喷桩处治施工技术

赵民介

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

我国软土的分布范围广，许多高速公路需要修建在软土路基上。软土压缩性小、强度低、透水性差的特性加大了高速公路修建的难度，软土路基的加固处理成为高速公路修建的关键，不进行软土处理的高速公路将出现不均匀沉降、平整度低、甚至路面开裂等现象[1]。现有的加固处理方法有换填法、排水固结法、夯实地基法、复合地基法等，每种处理法有其自身的优越性。本文主要研究复合地基法中的高压旋喷桩法，该方法具有适用范围广、施工简便、成桩形式灵活多变、施工中噪音小等优点。

1 高压旋喷机理

1.1 高压喷射流体力学特征

当高压设备将水泥浆从小直径喷嘴喷出时水泥浆即刻获得一个很大的动力势能，高速、高压的流动态浆液获得的初速度按以下流体力学公式计算：

式（1）中：v0为液体的初速度（m/s）；φ为喷嘴流速系数；g为重力加速度，取9.8m/s2；p为入口压力（Pa）；γ为流体的重度（N/m3）。

根据计算得到的流体初速度便可计算每秒内高压设备能够喷射出的流体量，计算公式如下：

式（2）中：Q为单位时间内的喷射量（m3/s）；μ为流量系数；A0为喷嘴的面积（m2）。

高压喷射可分为四种喷射流（见表1）。通常把单管喷射流、多重管喷射流归类为单液压喷射流，三重管喷射流以及双重管喷射流归类为混合高压喷射流。图1为单液高压喷射流的3个重要阶段：初期区域、主要区域、终期区域。喷嘴处液体被均匀喷出，随着距离的增大液体的动能减小，流速也会变小，扩散不再均匀，扩散角度变大；液体进入主要区域扩散速率保持稳定，充分与土体颗粒发生融合；终期区域内液体转变为雾化状态，流速接近为零，此时扩散宽度达到最大[2-3]。

表1 四种喷射流

图1 单液高压喷射流构造

1.2 成桩机理

水泥-土骨架结构的形成：经高压喷出的水泥浆拥有将土体切削破坏的能力，破坏后的细小土颗粒与水泥浆充分混合在一起形成土-水泥混合物，在喷射与混合过程中土颗粒将会以小颗粒在中、大颗粒外侧边缘的排布方式重新排列，水泥水化进一步使得土体被包裹，同样土体内部会伴随着结晶物的生长与延伸，形成一种较致密且具有一定强度的网状结构；水泥持续的水化反应，土-水泥混合物继续固化，最终将生成一种新的水泥-土骨架结构[4]。

旋喷桩的形成：喷射管提升的方式有多种，不同提升方式形成的水泥-土骨架结构旋喷桩形状各有不同，比如有边旋转边提升的圆柱体、不旋转只提升的壁状体、边摆动边提升的扇形体。

1.3 施工流程

高压旋喷桩施工流程可划分为以下几个阶段：平整场地→孔位放样→钻机就位→造孔→钻机移位→成孔校验→喷射装置就位→地面喷射→地下试喷→喷射注浆作业→下管静压回填注浆作业→下冲洗机具→高喷台车移位→间歇性回填注浆。

2 复合地基受力特性

2.1 复合地基承载力计算

复合地基承载力由旋喷桩极限承载力与原地基极限承载力按一定原则复合而成，可以用桩直径、桩长、地质资料计算得到单桩的极限承载力[5]。下面将分别介绍两种极限承载力计算方法：

（1）单桩竖向承载力极限值计算

刚性桩地基和柔性桩地基的承载力极限值都是采用以下两种计算方式，在取值时取两者之间的较小者。

式（3）中：Ap为旋喷桩的横截面面积（m2）；f为旋喷桩周摩擦力极限值（kPa）；SA为摩擦桩的周长（m）；Li为按土层划分的大桩长（m）；R为桩端土极限承载力（kPa）。

式（4）中：q为旋喷桩桩体的极限抗压强度（kPa）。

（2）复合地基承载力极限值计算

当软土地基中加压旋喷形成复合地基时，其承载力极限值按下式计算：

式（5）中：pcf为旋喷桩单桩极限承载力（kPa）；psf为天然地基承载力（kPa）；k1为反映复合地基中桩体实际极限承载力与单桩极限承载力不同的修正系数；k2为反映复合地基中桩间土实际极限承载力与天然地基极限承载力不同的修正系数；γ1为反映复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，称为桩体极限强度发挥度；γ2为反映复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例，称为桩间土极限强度发挥度；m为复合地基面积置换率。

2.2 旋喷桩地基受力特性

2.2.1 桩土荷载传递性

上部荷载由旋喷桩与桩间土共同承担。部分荷载通过桩间土传递到地基，另一部分荷载将通过旋喷桩传至地基，荷载传递路线如图2所示。

图2 地基荷载传递示意

在上部荷载作用下，桩间土、旋喷桩都会产生一个向下的位移，由于两种材料属性不一致导致下降速度不同，土体与桩之间产生相对位移。土层从浅到深位移速度逐渐变缓，桩的位移速度保持不变，在一定深度D0内土层速度大于桩体，土层对旋喷桩有一个向下的摩擦力且随深度变深而减小，当深度大于D0时，旋喷桩会受到土层向上的摩擦力，桩身轴力变化趋势如图3所示。

图3 桩身轴力随深度变化示意

2.2.2 桩侧摩阻力

高压旋喷桩优点之一在于其能够利用自身侧摩阻力来抵消上部荷载，侧摩阻力的大小直接影响桩的耐久性，提高桩身摩阻力是该技术的关键步骤。桩身侧摩阻力的影响因素及影响效果见表2。

表2 桩身侧摩阻力影响因素及影响效果

3 工程实例分析

3.1 工程背景

某高速公路因修筑多年且受该地基软土影响已出现小幅不均匀沉降等病害，经有关部门相关技术分析决定对其地基进行高压旋喷桩加固处理，该高速公路全线长100km。本次高压旋喷桩施工选用水泥为胶结材料，技术参数见表3。

表3 高压旋喷桩施工参数

3.2 现场试验检测

（1）钻芯取样检测。高压旋喷桩养护28d后在现场进行钻芯，对芯样的表观状态以及无侧限抗压强度进行检测。所试验的3根芯样上中下3个部位喷灰量均正常，硬度、桩长皆满足设计要求；三根芯样的平均无侧限抗压强度为1.7MPa，满足规范所要求的1.6MPa。

（2）低应变法检测旋喷桩完整性。该方法采用稳态激振原理使桩顶产生轻微振动，进而测得桩顶的速度时程曲线进行波动分析，以检测桩的完整性。桩身的完整性分类如表4所示。

表4 桩身完整性分类

本项目随机选取100条旋喷桩，低应变试验检测结果如表5所示。

表5 旋喷桩低应变检测结果

从表5可以看出这100根旋喷桩中92%是Ⅰ类桩，其余的都是Ⅱ类桩，说明该工程旋喷桩施工质量满足要求。

4 结语

高速公路路基高压旋喷桩技术是一种简单、有效的软土加固技术，旋喷桩不仅能够依靠自身强度抵抗上部荷载，同时能够运用土层对其侧摩阻力来抵抗上部荷载，减少了路面的沉降，保证了车辆的行驶安全。通过现场检测结果可发现高压旋喷桩体的无限侧压强度高且桩体合格率较高，极大地保证了施工质量。