旋喷桩加固施工技术在房建工程中的应用研究

2023-12-21石凤武中铁十六局集团第二工程有限公司天津300171

砖瓦 2023年12期

石凤武（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300171）

复合地基指的是将天然地基在处理过程中对其进行补强，而补强后的部分与天然基础共同构成了一种人工基础，其特点是在加载时原有基础和补强体共同承担加载作用力。由此可见，地基加固效果直接影响基础承载力，所以必须采用合适的加固施工技术。目前，在铁路、公路等工程中，已经广泛采用高压旋喷桩法对地基进行加固。

本文重点探讨了在处于复杂基础情况下的房建工程中高压旋喷桩法的应用情况，通过具体的工程案例详细阐述了该技术的施工流程和加固原理，并根据相关计算规范对加固后的复合地基承载力进行了验算，并对加固结果进行分析。

1 工程概况

该项目处于凹陷盆地，基于工程勘察数据，各土层的特点如下所述：①素填土：颜色呈淡灰色，质地干燥，土层厚度在0.4m～0.7m 之间；②粉质黏土：颜色呈黄松色，质地干燥，主要由粉质黏土组成，厚度在0.5m～3.6m之间；③卵石：颜色呈杂色，主要以深灰色为主，夹杂着少许黄褐色，质地湿润且疏松。卵石大部分为亚圆形状，粒径最大可达到220mm，通常粒径范围在50mm～160mm之间。其中，卵石和漂卵石的含量分别为45%～80%和15%～20%；该土层骨架由漂卵石组成，空隙部分被砂土完全填充，土层厚度在0.6m～1.8m 之间，顶部深度在3.9m～6.6m之间；④中砂：颜色呈黄褐色及深灰色，质地在疏松至稍密之间，主要由石英和长石颗粒组成，夹杂着一些卵石，其厚度在0.8m～1.5m之间。

项目所在区域没有河流、沟渠等地表水经过。该地区的地下水以孔隙渗透为主，产于第四纪冲洪积砂卵石层。补水方式主要以大气降水为主，水位高度在495.8m～498.6m之间。

基于本工程实际情况，高压旋喷桩法的技术方法在本工程主要是以三重管为主，施工示意图如图1所示[1]。

图1 三重管法施工示意图

2 高压旋喷桩加固原理

采用高压旋喷桩法对地基进行加固处理，其原理是通过泥浆对地基进行冲击破坏，使泥浆与土粒混合而实现水泥硬化，具体加固原理如下：

（1）泥浆冲击对土体造成损伤。利用高压水体对基础中的泥土进行切割，在超过其承受能力的情况下，土体将破碎，然后将泥浆充满钻孔后，泥浆会溢出渗入土体中的缝隙；其强化区域为泥浆注入段及泥浆渗入段。

（2）泥浆与土粒混合。在钻头和泥浆冲孔的共同作用下，土体会被冲击成很多小土粒，一些小颗粒被射入的浆液取代，并被液流带至地面，另一部分则与浆液混合在一起；在离心率、旋喷动压力和重力等因素的综合影响下，剖面上的土颗粒按照一定的质量和尺寸有序地分布，构成泥浆主体的圆柱状结构。

（3）水泥硬化。将水泥与土粒进行充分拌和的过程中，其会产生一系列的硬化反应，从而形成一种高硬度的搅拌桩；而强度高、渗透小的圆柱体是由浆液主体搅拌混合、压缩和渗透并经过长时间固化形成的[2]。

3 高压旋喷桩加固计算

按照相关规范和标准规定，因该工程地下存在中砂层，在使用高压旋喷桩对其进行地基处理时，按照基底标高的差异划分成2个加固区域，分别为加固1区及加固2区，基础处理面积总计140m2。其中，加固2区由于其底部的土体厚度小，再加上施工条件的特殊性，使得该区域施工较为困难。

3.1 计算桩长及桩径

根据设计要求，需将旋喷桩埋设于中砂地层的底部，并将中密卵石地层用作桩端持力层，当桩身承受荷载时，其主要处于应力集中状态，由此降低对软黏土的压力。根据现场地质情况，旋喷桩需加固至持力层700mm 位置处。由于本工程需加固面积较小，仅涉及一个勘探孔，以该钻井数据和现场状况为依据，加固1区平均处理深度为3.5m，加固2 区平均处理深度为2.0m。通过对现有成桩设备的分析，旋喷桩直径选择为550mm。

3.2 计算桩距

（1）计算地基承载力特征值fak

依据勘察报告所示的有关承载力参数，中砂层承载力特征值确定为fak=150kPa。

（2）计算单桩竖向承载力特征值Ra

基于相关地基处理规范中给出的计算方法，可以确定单桩竖向承载力特征值Ra，见式（1）和式（2），并取二者计算结果中的较小值[3]：

式中η为强度折减系数，取0.33；fcu为桩身试块的立方体抗压强度平均值，取9000kPa；Ap为桩的截面积。

根据式（1）可以计算得到特征值Ra=ηfcuAp=705.26kN。

式中μp表示桩长；n表示桩身长度区间内划分的土壤层数；qsi表示桩身周围第i层土体的抗侧向力特征值，在本区域以往施工经验中，中砂、中密卵石及密实卵石分别取值为35kPa、75kPa及80kPa；qp表示为桩身周围第i层土体的桩端承载力特征值，按照中密卵石取值为1500kPa；li表示第i层土体的厚度，基于勘察报告可知，中砂层、中密卵石层及密实卵石层厚度分别为2.0m、0.4m及0.7m。

基于上述公式，对单桩竖向承载力计算可知：加固1区特征值Ra取较小值为Ra= 625.60kN；加固2区特征值Ra取较小值为Ra= 501.258kN（基础底部标高低于1区基础高度2.1m）。

（3）计算面积置换率

基于地基处理相关技术规范可得面积置换率m的计算公式为：

式中fspk表示复合地基承载力特征值，规范要求需达到530kPa；fsk表示加固处理之后桩间土体承载力特征值，其取值为150kPa；β表示桩间承载力折减系数，取值为0.4。

基于式（3）计算可知，加固1 区的面积置换率为0.183，加固2 区的面积置换率为0.229。根据面积置换率可以得到加固1 区和加固2 区等效影响直径de分别为1.285m和1.149m。

（4）确定桩距

①按照三角形状布置桩时，取de=1.05s，可知加固1区和加固2区桩距s分别为1.223m和1.09m。

②按照正方形桩布置桩时，取de=1.13s，可知加固1区和加固2区桩距s分别为1.137m和1.07m。

3.3 桩布置方案

旋喷桩加固区域处于中砂分区，根据规范相关要求，在保证加固区域桩面积置换率不小于设计值的条件下，将桩位平均分布到基础之下。该工程采用正方形状进行布桩，加固1 区桩间距为1.137m，加固2 区桩间距为1.07m。桩顶部插入中密卵石层1 倍桩径之上，确定为0.7m，加固1 区和加固2 区的桩长分别不低于3.0m和1.5m[4]。

两个加固区域的桩都采用正方形状进行布置，共计124根，加固1区和加固2区的平均桩长分别为3.0m和1.5m，预期总加固深度达333m。

3.4 承载力验算

4 高压旋喷桩施工技术

4.1 施工准备

高压旋喷桩施工技术准备工作与最后地基加固效果有着直接关系，同时也与对应的高压旋喷桩施工作业流畅性有着紧密联系。所以，必须严格控制前期准备工作的相关要求。例如：施工现场平整作业时，要求作业人员将施工现场内的一切杂物和地下2m 范围内的各种障碍物全部清除，确保相应场所具有理想的施工效果，为后续具体操作奠定良好的基础。

4.2 材料配置

有效开展旋喷桩施工技术，需要将相应施工材料配置工作做好，保证其合理性和可靠性，特别是在施工材料的水灰比、力学试验以及有关喷浆量等方面，均需严格检查，并开展试验分析，这样才可以保证后续施工得到有效实施，防止由于含水量不合理或是本身力学强度不足，进而导致整体施工效率受到影响。在材料配置过程中，还要注意对各种外加剂的选取与控制，并与特定施工现场要求与施工特点相联系，以保证外加剂可以发挥出最大使用效果。

4.3 试桩操作

试桩操作是旋喷桩在施工前的一项重要工作，选定试验点打设桩基，并对其试桩结果进行分析，从而不断地根据其实际效果进行实时调整，以确定其对应的喷浆量和操作工艺参数，从而切实保证高压旋喷桩施工可以发挥出更有效的实际作用。

4.4 钻井就位

在实际施工中，为了有效实施高压旋喷桩施工技术，需要对其对应的钻机就位进行有效控制，并与对应的放线结果相联系，进行有效修正，使得其具有比较理想的精度，以免在各个步骤中产生比较明显的偏差。为有效保证对应钻机的就位效果，还必须对其固定效果进行适当控制，以防止后期产生显著偏差，减少可能存在的施工操作误差，提高施工质量。

4.5 钻孔作业

为了有效提高旋喷桩施工效果，钻孔作业无疑是其最重要的一环。钻孔作业的操作方法很多，而本文使用的三管旋喷法在施工作业中可以发挥出良好的实效性，可以提高整个过程的流畅度，而且可以保证在钻孔作业完成后呈现出良好的使用效果。在钻孔作业完成后，对应的插管也要顺畅，特别要注意避免可能发生的管道堵塞问题，为后续旋喷注浆作业做好准备。

4.6 旋喷注浆

在旋喷注浆施工过程中，设备的选择是关键环节。旋喷注浆作业应该选择比较适合的设备，保证其压力比较精确，并使用前期试桩时记录的理想状态下标准化参数，从而防止在实施中出现过多对施工质量造成影响的因素。在实际施工过程中，注意控制好泥浆使用量和旋转速率，保证其速率与喷射要求相符，防止在喷射时发生停顿或速率过高等问题，喷射注浆示意如图2所示[5]。