周彬

摘 要：使用旋噴灌漿樁提高承載能力、降低地基沉降，旨在結合理論分析及現場考察，規(guī)劃完整的設計過程。該文在文獻報道的試驗數據基礎上進行，該文獻指出旋噴灌漿樁能夠將較大的豎直荷載分散至相鄰土壤，并且由于其橫截面突然縮減或與不良的土壤膠結作用，該處仍可能發(fā)生結構塌陷。為了調查旋噴灌漿樁及其與周圍土壤之間的力學作用特性，特別進行了足尺試驗，通過分析試驗結果關注以上方面的內容。分析的結果作為數值方法的基礎，該方法模擬由大量樁支撐的豎向加載筏的變化。使用荷載傳遞曲線方法模擬軸向加載樁的非線性荷載—沉降變化，該方法通常適用于具有不規(guī)則形狀的旋噴灌漿樁。通過考慮樁與上層混凝土筏相互間的作用，進一步分析整體加固地基。通過現場試驗結果統計評價并以概率模型模擬樁性質的變化，將其納入帶有統計試驗模擬技術的計算過程。該方法的優(yōu)點在于，能以可接受的破壞概率表示地基的設計極限荷載，由于旋噴灌漿過程造成的不確定性可通過試驗定量表示，并合理反映在分析過程中。最終，通過將該方法應用于實際工程案例，討論由旋噴灌漿方法加固地基的優(yōu)點以及局限性。

關鍵詞：旋噴灌漿樁 直徑 強度 現場試驗 變異性 概率性分析

中圖分類號：U445.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（a）-0-08

將水泥—水混合物快速注入預先鉆好的鉆孔中以形成類似圓柱的膠結土樁，旋噴灌漿是廣泛使用的（基于此的流行的）地基處理技術。在其他可行的應用中，地基工程通常使用此技術作為樁的替代方法，旨在將荷載傳遞至更深、承載力更強的地層。一些情況下，樁互相重疊形成獨特的膠結土物質，當性能要求大大減小沉降并且對水平荷載有較強抵抗能力時，該種方法非常有效。然而，最通常的解決方法是采用由大量的鋼筋或鋼管加固的規(guī)則間距樁，旨在形成與樁基礎原理類似的支撐系統。在參考文獻中，提及了在新建建筑物的地基或者已有結構的支撐中應用該種加固方法。然而，由于缺少普遍認可的準則，這些地基系統的設計通常基于經驗、目的及過分簡單的方法而進行。事實上，合理的設計過程應能夠有足夠準確度來預測樁的尺寸以及其應力應變特性，并證明已充分考慮不確定性的效應。

關于后者問題，目前依據現有的標準針對旋噴灌漿提出了不同的方法。日本準則是將樁直徑及膠結土強度設計值作為旋噴灌漿系統（兩倍或三倍流動性）以及未擾動土性質（NSPT數）的函數，為不同類型的結構設置了統一的安全因子來應對其加固效果的不確定性。相反，歐洲標準及美國準則針對旋噴灌漿性質不推薦代表數值，但強調了最初現場試驗以及為量化而進行的質量—控制至質量—確保試驗的重要性。尤其是ENV12716標準集中評估了噴旋灌漿特性的變異性以及其對結構性能的影響。

試驗結果表明，取決于噴注系統與原始土壤性質的結合狀況，樁直徑可從幾分米到超過兩米不等，并且，無約束膠結土的壓縮強度依據原始土壤類型及灌漿合成物，從1至20 mPa不等。然而，必須考慮到土壤底層狀況可能非常不均勻，如果采用大的平均值，樁的直徑及強度可能在這些點急劇減少，影響樁的整體抵抗能力。由現場及實驗室足尺試驗證實該方面與地基樁變化的相關性，這些試驗有Maertens及Maekelberg進行，發(fā)現軸向加載樁上層部分的突然塌陷遠在土壤—樁混合物整體破壞之前。

已有幾位作者通過足尺試驗研究了地基樁及周圍土壤間的相互作用。一致認為，較大荷載將會從樁側面?zhèn)鬟f至相鄰土壤。針對埋入可移動變形測量計的旋噴灌漿樁的軸向加載試驗表明，極限橫向應力比文獻中鉆孔灌注樁的數值大了約兩倍。Maertens及Maekelberg發(fā)現，同鉆孔灌注樁相比，旋噴灌漿樁較大的位移使其橫向應力得到有效分散。

目前，已開發(fā)了程序，以試驗定量化上述方面，并將其引入加固地基的設計過程。該方法的目的在于，對處理無明確治理效果的方法，我們通常采用一種合理的過程質量控制來實現。

1 旋噴灌漿樁的性質

2 荷載—沉降分析

基于以往的工程案例，Mandolini、Viggiani及Mandolini等人認為減少沉降是樁地基設計的最重要的要求。過去幾十年中，學者們花費很多精力建立多種分析方法，使能夠模擬加載早期土壤、樁以及筏之間的作用關系。若將這些方法延伸應用至旋噴灌漿樁，需要規(guī)劃具有試驗背景的應用。

目前，多使用荷載—傳遞曲線方法模擬單個樁的非線性荷載—沉降變化。通過考慮相鄰樁之間的耦合作用，以及與上層筏的相互作用，將該分析方法擴展至整個加固地基。不同于更高級以及成熟的方法，優(yōu)先使用了該近似方法，因為更有可能減少大量計算工作量，按要求將大量計算植入采用的概率分析中。然而，已通過分析有限元（FEM）計算的試驗結果，校準該模型中的關系。

2.1 單根樁

然而，不同樁直徑的范圍，如圖4中陰影部分所示，同理論模型預測的漏斗狀函數有良好的吻合性，且在后續(xù)分析中使用該模型將幾何輪廓延伸至更深土層。通過對加固樁鉆取的試樣進行實驗室試驗，平均試驗結果即得到膠結土特性。

2.3 加固筏

2.4 概率分析

考慮到旋噴灌漿解決方案的多樣性（基于不同注入參數的單、雙、三個動態(tài)系統可被應用于幾乎所有土壤種類）以及對處理效果了解的局限性，無法用確定的方法得到滿意的解析結果來涵蓋所有情況。該方法中除樁性質明確外，其余以全局安全因子控制其不確定性。事實上，表1及表2中的數據顯示，應定義比例因子為變量的最大系數（如荷載以及抵抗力因子設計方法要求），但此定義在所有情況下均太保守，阻礙旋噴灌漿在一些本該有利的情況下的適用。另一方面，有限的案例記載表明并不排除在一些情況下可能有更大的變異性（因此需要減小更多）。

基于上述原因，在相同的工程地點使用最初現場試驗評價樁的性質（包括其變異性）更為合適。然而，即使在該種有利的情況下，同時減小地基中所有樁的因子將導致超尺度的處理結果。除此以外，考慮到樁的變化受幾何及力學特性影響，且地基加強可能有很多不同布局，仍較難評價整個地基加固的效果，該變化由綜合每個變量的安全水平所得。

預測地基變化時另一個不確定性的因素為土壤性質的變異性。在建議設計過程中，假設可從下層土調查得到有意義的數據庫，這方面可以通過擴展參數荷載—傳遞曲線（圖 10，等式（3）及（4））策略來解決。另一可行的解決方案為，對于其他巖土結構，按照現行標準的規(guī)定繼續(xù)進行設計，即通過衡量試驗所得安全因子與規(guī)定值，選擇設計土壤性質。

2.5 數值應用

通過將建議的算法應用于相對簡單案例，即筏承受均布荷載由規(guī)則幾列陣樁支撐，可分析旋噴灌漿加固方法的優(yōu)點以及局限性。該種假設的地基包括直徑為12.6 m的圓形筏，由19根均勻分布于同軸頂點上的樁支撐（12根位于半徑為5.4 m的外圓上，6根位于半徑為2.7 m的內接圓上，1根位于中心）。在此設定的基礎上，筏的可變形性被證明與厚度0.5 m的加固—鋼筋結構無關，則在計算中可忽略。當然，同樣的位置不能同時承受非常大以及彈性地基結構。膠結土的力學特性，樁的直徑，以及土的特性均被設置為Bojszowy Nowe現場試驗的平均值。通過假設CPT端阻力保持10 mPa不變，并采用之前分析中采用的理論模型計算樁的直徑，將計算深度擴大。

2.6 無變異性樁

3 結語

盡管越來越多的使用旋噴灌漿方法，但并沒有針對所有可能結構均有可靠的設計過程。尤其是非常需要具體的調查及理論的分析，以定量化樁的特性并將其與執(zhí)行該設計過程相聯系，評價其對于結構整體力學變化的作用。根據旋噴灌漿樁加固地基，該文解決了相關問題。

通過收集分析有關旋噴灌漿土壤性質的試驗結果得知，不能認為樁是理想圓柱體，必須考慮樁的幾何尺寸和力學性質的變異性。通過足尺試驗以及有限元分析的結果，得到這些特性對于軸向加載樁變化的影響，發(fā)現樁底部的荷載—傳遞機制同鉆孔灌注樁的機制類似，但在樁外側表面的應力作用是完全不同的。不同學者也發(fā)現，旋噴灌注樁側面?zhèn)鬟f的荷載較大，部分由于同鉆孔樁相比，噴漿過程引起更少周圍土的擾動，部分由于樁的不規(guī)則形狀造成。正如其他學者針對樁已證實的，針對相鄰樁之間力學作用的三維有限元分析證實了線性耦合關系的存在。使用這些結果校正數值模型的關系，以提供加固地基的荷載—沉降變化以及支撐樁內部的應力分布。假設將該模型應用于由相同跨度樁支撐的圓形筏情況，結果證明了旋噴灌漿在減少地基沉降方面的效果，并且，樁的坍塌能夠抑制地基性質的發(fā)展。實際上，將樁的最優(yōu)長度定義為極限長度，意味著任何超過該范圍的處理深度將是無效的。針對同一地基的概率計算表明，樁特性的變異性大大減小了樁的最優(yōu)長度以及相應的極限荷載。通過在新建或已成型樁內埋入鋼筋或鋼管可顯著改善其性質，當樁受水平荷載時，必須采用該加固方法。

總的來說，該設計策略旨在定義一個邏輯過程，以解決旋噴灌漿結構的安全定義這個復雜問題，其中隨機變量將影響結構的性質。計算表明，它不能明確定義一個唯一的安全因子，因為必須做非常保守的假設來涵蓋所有情況。并且，若針對樁直徑及膠結土強度分別作概率預測，將高估兩者變異性的綜合效應。該方法主要的優(yōu)點是極限荷載同APF直接相關，而基于疊加結構的風險分析可確定APF，并且可通過具體的現場試驗定量統計旋噴灌漿性質的不確定性。從這個意義上說，該程序代表了歐洲標準（ENV 12716）中說明條款的應用。

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