江忠愛

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

1 高壓旋噴樁的機(jī)理

高壓噴射注漿法處理地基在我國已有了廣泛的應(yīng)用，它是通過高壓旋噴流切割破壞土體作用、混合攪拌作用、升揚(yáng)置換作用、填充壓密作用以及滲透固結(jié)作用，致使?jié){液和土粒強(qiáng)制攪拌混合凝固后，在土中形成一個加固體。常用來加固軟弱地基、擋土圍堰、基坑止水防滲及塌方整治等。

高壓旋噴樁復(fù)合地基是以高壓水泥漿液和地基土混合固結(jié)形成的一種樁土復(fù)合材料，是樁和土的共同作用，即利用天然地基土的強(qiáng)度又使之強(qiáng)化，具有強(qiáng)化地基和防水止?jié)B的作用，適用于處理各類地基，它具有強(qiáng)度高、加固質(zhì)量均勻、加固體形態(tài)可控，經(jīng)濟(jì)適用及基本無污染等特點(diǎn)；同時(shí)施工時(shí)無振動、無噪聲，施工空間要求不高，施工機(jī)械簡單，可多工序平行作業(yè)，能有效縮短施工工期，降低成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯，因此高壓旋噴樁在地基加固中的應(yīng)用也越來越廣泛。

2 工程概況

擬建防洪墻位于湖南省湘江中下游，采用C15混凝土衡重式結(jié)構(gòu)，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，工程等別Ⅲ等，建筑物級別為3 級，墻高15 m，墻底基礎(chǔ)厚1 m。穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明，防洪墻地基承載力特征值應(yīng)不小于350 kPa。

擬建場地位于集鎮(zhèn)邊緣，堤線沿湘江Ⅰ級階地后緣布置，沿線岸坡較陡。工程區(qū)內(nèi)主要為第四系全新統(tǒng)沖積堆積，墻底地層結(jié)構(gòu)從上到下分別為①粉細(xì)砂：厚（13～14.0）m，重度γ=18.5 kN/m3，天然含水率W=14.2%，孔隙比e=0.859，內(nèi)摩擦角Ф=20°，壓縮系數(shù)K1-2=0.24 MPa-1,壓縮模量ES=15 MPa，標(biāo)貫擊數(shù)為（9～15）擊，承載力標(biāo)準(zhǔn)值fak=130 kPa。②泥灰?guī)r：青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，巖石較堅(jiān)硬，多為弱風(fēng)化層直接出露，強(qiáng)度高，局部發(fā)育薄層強(qiáng)風(fēng)化層，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為fak=450 kPa。

擬建防洪墻基礎(chǔ)埋深1.5 m，基礎(chǔ)持力層為粉細(xì)砂，持力層粉細(xì)砂的天然地基承載力特征值130 kPa＜350 kPa，無法滿足設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行基礎(chǔ)處理。本工程防洪墻臨街布置，距防洪墻（5～15）m 有大量居民建筑物，防洪墻施工時(shí)應(yīng)盡量避免大開挖、大面積強(qiáng)夯振動等工程措施。

3 加固方案的選擇

根據(jù)本工程地質(zhì)情況，可采用擴(kuò)大基礎(chǔ)減小基底應(yīng)力或通過樁基礎(chǔ)地基處理提高地基承載力，兩種措施均可滿足工程需要，保證防洪墻穩(wěn)定。其主要特點(diǎn)為：

（1）擴(kuò)大基礎(chǔ)方案，由于防洪墻較高、天然地基土承載力又差，因此要求擴(kuò)大基礎(chǔ)斷面較大，為滿足擴(kuò)大基礎(chǔ)的布置和臨時(shí)開挖，需要增加移民征地拆遷，其中征地32 畝，拆遷房屋60 多棟，而本工程移民配套資金嚴(yán)重缺乏，拆遷難度大，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)方案將影響工程整體進(jìn)度。

（2）樁基礎(chǔ)方案，由于現(xiàn)場施工條件限制了挖孔樁、沖鉆孔樁及深層攪拌樁等樁基處理措施，因此僅考慮高壓旋噴樁方案。高壓旋噴樁施工時(shí)，只需要在土層中鉆一個小孔，便可在土層中噴射成直徑（0.4～2）m 的固結(jié)體，因而能貼近已有建筑物施工； 施工時(shí)振動很小，噪聲也較低，不會對周圍建筑物帶來振動影響及噪聲、公害，更不存在污染水域，毒化水源的問題。

經(jīng)綜合比較后，選用高壓旋噴樁復(fù)合地基加固方案。高壓旋噴又分為單管法、雙管法和三管法。根據(jù)工程地質(zhì)情況、施工能力及相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)，擬采用雙管法進(jìn)行加固。

4 高壓旋噴樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)與計(jì)算

根據(jù)各土層的物理力學(xué)指標(biāo)，按側(cè)摩阻力和端阻力計(jì)算的單樁承載力小于按水泥土強(qiáng)度計(jì)算的單樁承載力，因此，為滿足處理后復(fù)合地基承載力特征值不小于350 kPa，選擇泥灰?guī)r作為端樁持力層，并要求旋噴樁深入持力層不小于1.5 m。

4.1 旋噴樁直徑的確定

旋噴樁固結(jié)體直徑的大小由加固土層種類、注漿管類型、噴射技術(shù)參數(shù)等共同確定。本工程加固土層為粉細(xì)砂層，通過工程類比初擬固結(jié)體設(shè)計(jì)直徑為1.2 m。

4.2 旋噴樁數(shù)量的確定

（1）單樁豎向承載力特征值計(jì)算。為要有足夠的承載力，高壓旋噴樁必須同時(shí)滿足兩個條件，即樁身強(qiáng)度足夠高，不被所承受的荷載壓垮； 樁徑足夠大，樁身足夠長，以提供足夠的樁側(cè)阻力和樁端阻力。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》,高壓旋噴樁單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定，設(shè)計(jì)時(shí)可按下列二試計(jì)算并取其中的小值。

式（1）中： fcu樁身試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值（取fcu=5 MPa）；η 為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)（取η=0.33）；Ap為樁身截面面積（取Ap=1.131)。計(jì)算后到得Ra=1 492 kN。

式（2）中：up為樁的周長（m），qsi為樁周第i 層土的側(cè)阻力特征值，由于高壓旋噴樁樁徑不規(guī)則，呈犬牙交錯狀，因此qsi取值應(yīng)比其它樁型大（粉細(xì)砂層，取qsi=20 kPa）；qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值（泥灰?guī)r層，取qp=450 kPa）。計(jì)算后得Ra=1 335 kN。

根據(jù)式（1）、式（2）的計(jì)算結(jié)果，取其較小值，因此單樁豎向承載力特征值Ra=1 335 kN。

（2）復(fù)合地基承載力特征值的驗(yàn)算。

式中 fsk——樁間土承載力特征值 （粉細(xì)砂層，取fsk=130 kPa）；

β——樁間土折減系數(shù)（取0.35）。

計(jì)算后得到m=0.268。

根據(jù)工程提高地基承載力，減少沉降的加固目的，結(jié)合防洪墻地基受力情況分析，按基礎(chǔ)滿堂布樁，布置方式為正方形，樁間距用l 表示：

取l=2 m，計(jì)算得fspk=368.85 kPa>350 kPa，處理后復(fù)合地基承載力特征值滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 高壓旋噴樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述計(jì)算成果，采用高壓旋噴樁處理地基方案的具體設(shè)計(jì)參數(shù)為：平均樁徑1.2 m，樁間距2 m，正方形布置，平均有效樁長為14 m，面積置換率為28.2%。設(shè)計(jì)要求處理后復(fù)合地基承載力特征值不小于350 kPa，單樁承載力特征值不小于1 335 kN，最大沉降量不大于150 mm。

為更有效地傳遞上部荷載，充分發(fā)揮樁土復(fù)合地基的作用，減少基礎(chǔ)沉降量，樁頂和基礎(chǔ)之間設(shè)置（200～300）mm 的碎石頂層； 考慮到上部樁體的質(zhì)量，要求先施工防洪墻基礎(chǔ)，再進(jìn)行旋噴樁施工。

5 施工參數(shù)及施工工藝

（1）主要施工參數(shù)。由于噴射流的“軟切割”，高壓旋噴樁的樁徑很難控制，不同性質(zhì)的土層，對高壓旋噴射流的反應(yīng)效果不一樣，在正式施工前必須通過試驗(yàn)性施工，并開挖檢查凝固體質(zhì)量確定正式施工參數(shù)。

本工程在正式施工前，試打了3 根工藝樁，最終選用的技術(shù)參數(shù)如下： ①采用雙管法進(jìn)行施工； ②選用425#普通硅酸鹽水泥漿，水灰質(zhì)量比為（0.95～1）；③壓縮氣壓力為0.75 MPa，流量為1.2 m3/min，氣嘴1 個；④水泥漿壓力為35 MPa，流量為75 L/min,密度為1.6 g/m3，回漿密度≥1.2 g/m3，直徑為2.8 mm 噴嘴一個；⑤注漿管提升速度為（8～12）cm/min，轉(zhuǎn)速為（10～20）r/min。

（2）施工工藝。雙管法的特點(diǎn)是同時(shí)噴射高壓漿液和空氣兩種介質(zhì)射流沖擊破壞土體。具體施工工藝流程為： 鉆機(jī)就位→鉆孔與插管→噴射作業(yè)→沖洗器具、移開機(jī)具→回填注漿。

（3）其它要求。①由于本工程樁周地質(zhì)情況影響著最后單樁豎向承載力及最終復(fù)合地基承載力，因此要求施工單位每隔20 m 打一個先導(dǎo)孔，復(fù)核地層情況及地基持力層深度。②為防止?jié){液凝固收縮，產(chǎn)生加固地基與基礎(chǔ)不密貼和脫空現(xiàn)象，旋噴樁必須超噴至基礎(chǔ)頂面。③本工程采用二序孔施工，以防施工過程中，在漿液未硬化前，有效噴射范圍內(nèi)的地基土因受到擾動而強(qiáng)度降低，從而產(chǎn)生附加變形，因此在施工中還應(yīng)注意控制好施工速度和順序，并對附近建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測。

6 復(fù)合地基檢測及沉降觀測

本工程在施工過程中，對附近建筑物及居民的生產(chǎn)生活沒有產(chǎn)生大的影響。施工完成后，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，由檢測單位對該工程進(jìn)行樁身完整性、單樁豎向承載力及復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)檢測。檢驗(yàn)結(jié)果表明，樁身質(zhì)量和完整性較好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求。

6.1 單樁承載力檢測

本工程取3 根單樁進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線見圖1。

圖1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)曲線

由圖1 可知三條試驗(yàn)曲線均為緩變形曲線，未出現(xiàn)極限荷載，取試驗(yàn)中的最大加載量作為單樁極限荷載 （即設(shè)計(jì)要求的2 倍豎向抗壓承載力特征值），對應(yīng)的最大沉降值為12.1 mm。由于各樁極限承載力極差不超過過平均值的30%，滿足要求。

6.2 復(fù)核地基承載力檢測

本工程進(jìn)行3 組復(fù)合地基豎向靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線見圖2。

圖2 復(fù)合地基靜載試驗(yàn)曲線

從載荷試驗(yàn)結(jié)果看，3 條曲線均為緩變形曲線，沒有出現(xiàn)極限荷載，故宜按相對變形來確定復(fù)合地基承載力特征值。對于旋噴樁復(fù)合地基，可取S/b（S為沉降量；b 為承壓板寬度）=0.006 所對應(yīng)的壓力值作為復(fù)合地基承載力特征值，該工程b=2 m，故可取S=12 mm 所對應(yīng)的壓力值作為復(fù)合地基承載力特征值。本工程采用極限加載量2 800 kN 時(shí)，對應(yīng)的最大沉降量S1=11.8 mm＜12 mm，極限承載力特征值700 kPa（承壓板為4 m2），極限承載力為要求的設(shè)計(jì)承載力特征值的2 倍，滿足要求。

6.3 沉降觀測

經(jīng)近兩年的沉降觀測結(jié)果表明，防洪墻及附近建筑物沉降變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，基礎(chǔ)處理達(dá)到預(yù)期目的，處理效果良好。

7 結(jié) 語

本項(xiàng)目通過了復(fù)合檢測，經(jīng)歷了兩個洪水期的考驗(yàn)，驗(yàn)證了高噴樁在高防洪墻低承載力的地基處理的可靠性和可行性。旋噴樁方案經(jīng)濟(jì)實(shí)用，同時(shí)縮短了工期，改善了施工環(huán)境，綜合效益顯著。

[1] 徐至均,全科政.高壓噴射注漿法處理地基[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 《巖土注漿理論與工程實(shí)例》協(xié)作組.巖土注漿理論與工程實(shí)例[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[3] 牛至榮，李宏.復(fù)合地基處理及其工程實(shí)例[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2000.