王志豐，王亞瓊，謝永利(長安大學陜西省公路橋梁與隧道重點實驗室，陜西西安710064)

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水平旋噴成樁引起超靜孔隙水壓力研究*

王志豐，王亞瓊，謝永利
(長安大學陜西省公路橋梁與隧道重點實驗室，陜西西安710064)

摘要:為研究水平旋噴成樁對周圍地層的影響問題，優(yōu)化水平旋噴樁設計施工，采用現(xiàn)場試驗的方法研究了水平旋噴成樁引起超靜孔隙水壓力的變化規(guī)律，探討了水平旋噴施工的影響范圍。水平旋噴成樁對周圍地層的擾動較大，引發(fā)土體中產(chǎn)生較高的超靜孔隙水壓力。通過對水平旋噴成樁過程的分析，可以分為高壓射流形成階段，高壓射流與土體相互作用階段和水泥土固化階段。研究結果表明:水平旋噴成樁產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力隨著施工階段的改變而變化，高壓流體注入時有所增大，而鉆噴桿卸桿時則有所減小;成樁引起的最大超靜孔隙水壓力與注漿壓力呈近似線性關系;隨著施工距離的增大，超靜孔隙水壓力不斷減小，當施工距離大于15 m時，基本可以忽略成樁引起的超靜孔隙水壓力;以水平旋噴成樁引起地層反應小于5%作為影響范圍控制值，則超靜孔隙水壓力影響范圍約為15～20倍成樁半徑，可以采用指數(shù)函數(shù)的形式表達超靜孔隙水壓力與施工距離的關系。

關鍵詞:隧道工程;地基處理;水平旋噴樁;現(xiàn)場試驗;超靜孔隙水壓力

0　引言

在軟弱地層中進行隧道施工時，經(jīng)常利用水平旋噴樁超前支護工法對土體進行預加固，在隧道工作面上方及周邊土層中形成水平旋噴固結體拱棚，以保證盾構隧道(或其他施工方法)施工期間工作面及周圍地層的穩(wěn)定［1－4］。水平旋噴固結體拱棚由相互搭接的且具有較高強度的水平旋噴樁組成。目前國內(nèi)外學者在這一相關領域已經(jīng)取得了較為豐富的研究成果［5－8］，如Coulter and Martin［9］基于瑞士Aescher隧道施工時現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，借助有限元方法研究了采用水平旋噴樁超前支護工法對周邊地層變形的控制效果。劉鐘等［10］基于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，討論了全方位新型水平旋噴樁工法的加固效果。張曉等［11］依托水平旋噴樁超前支護工法在軟弱黃土地層中的現(xiàn)場試驗，驗證了其在黃土隧道中的適用性。Modoni and Bzówka［12］聯(lián)合蒙特卡洛方法、數(shù)值模擬技術與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，提出了高壓旋噴樁復合地基的承載力設計理論。

水平旋噴成樁期間，注漿壓力高達幾十兆帕，對周邊地層的擾動較大，產(chǎn)生較大的超靜孔隙水壓力，引發(fā)周邊地層發(fā)生變形，從而給周邊環(huán)境帶來諸多不利的影響。為了減輕這種不利影響，目前國內(nèi)外學者也研究開發(fā)了一些新型水平旋噴工法。如對地層擾動非常小的Metro Jet System (MJS)工法［13］。此外，Shen等［14］借助于現(xiàn)場試驗的方法，研究了復合管新型水平旋噴技術可以減小施工對周圍地層的擾動。Wang等［15］通過改進傳統(tǒng)三重管法，提出了壓力可控式新型水平旋噴技術，并基于現(xiàn)場試驗成果探討了該新型工法在上海軟土地層中的適用性。綜上可以發(fā)現(xiàn)，目前關于水平旋噴樁的研究主要集中于新型工法的研制方面，對水平旋噴樁施工的影響范圍，如成樁引起超靜孔隙水壓力變化規(guī)律等方面研究相對較少，因此有必要在這一方面進行深入研究。

文中首先分析了水平旋噴的成樁過程，基本可以分為3個階段:高壓射流形成階段，高壓射流與土體相互作用階段和水泥土固化階段。然后依托水平旋噴樁現(xiàn)場試驗，研究了成樁引起超靜孔隙水的變化規(guī)律，并探討了水平旋噴樁施工的影響范圍。

1　水平旋噴成樁過程分析

圖1給出了水平旋噴成樁過程示意圖，如圖1所示，水平旋噴樁施工過程基本可以分為3個階段［16－19］

1．1高壓射流形成階段

將水和水泥按照一定的比例配置成水泥漿，然后經(jīng)過高壓泵泵送至噴嘴噴出，形成具有較大破壞力的高壓射流。

1．2高壓射流與土體相互作用階段

高壓射流從噴嘴噴出之后，切削土體，并與土體發(fā)生激烈的能量交換，最終形成水泥土混合物，期間部分廢棄土會排出。

1．3水泥土固化階段

高壓射流與土體相互作用形成水泥土混合物，經(jīng)過一段時間的凝結硬化之后，形成近似圓柱狀的水平旋噴樁。

分析3個階段不難發(fā)現(xiàn)，水平旋噴成樁中高壓射流與土體相互作用階段，水泥漿噴射壓力很大，對周圍地層造成較大的擾動，引起較大的土體變形，孔隙水壓力也會發(fā)生明顯的變化。

2　工程概況

2. 1現(xiàn)場土質條件

現(xiàn)場試驗場地位于上海某地，現(xiàn)場的土質條件如圖2所示。地面以下主要分布4種土層:回填土，黏質粉土，粉質黏土和軟黏土，4種土層的物理力學性質指標如圖2所示，不難發(fā)現(xiàn)，水平旋噴樁施工位置處于地面以下11 m左右，位于粉質黏土層中，該層土壓縮性高，含水量高，孔隙比大，強度很低。

表1　現(xiàn)場試驗所用施工參數(shù)Tab．1 Construction parameters for filed test

2. 2樁位及監(jiān)測點布置

圖3和圖4分別給出了本次水平旋噴樁現(xiàn)場試驗中的樁位布置平面圖和斷面圖。如圖3所示，共完成5根水平旋噴樁，樁號分別記錄為C1，C2，C3，C4和C5，其中C1和C2施工深度處于地面以下10. 75 m位置，C3和C4施工深度處于地面以下11. 25 m位置，而C5的施工深度最深，位于地面以下11. 65 m位置。5根水平旋噴樁的設計長度均為9. 0 m，目標成樁直徑均為0. 8 m．

水平旋噴樁施工期間所用施工參數(shù)列于表1，見表所示，水泥漿注漿壓力約為12～15 MPa，壓縮空氣的噴射壓力約為0. 7 MPa。水泥漿的水灰比為1∶1．圖5給出了2個孔隙水壓力計的平面布置圖。P1距旋噴樁較近，僅為3. 6 m，而P2與旋噴樁的水平距離較遠，為15. 0 m．P1和P2與基坑圍護結構的距離分別為10. 0和5. 0 m．自水平旋噴樁開始施工，即鉆孔開始記錄孔隙水壓力數(shù)據(jù)，每隔2 min記錄一次數(shù)據(jù)。設計樁長為9 m，這樣一根樁的完整施工時間大約45 min，完成一根樁以后，再對后續(xù)水平旋噴樁進行重復記錄。

圖3　水平旋噴樁平面布置圖Fig．3　Plan view of horizontal jet grout columns

圖4　水平旋噴樁斷面布置圖Fig．4　Sectional view of horizontal jet grout columns

圖5　孔隙水壓力監(jiān)測點平面布置圖Fig．5　Plan view of two piezometers

3　實測結果分析與討論

圖6為水平旋噴成樁期間孔隙水壓力計P1得到的實測數(shù)據(jù)圖。圖7為C3成樁期間孔隙水壓力計P1得到的實測數(shù)據(jù)。由圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，在整個水平旋噴成樁過程中，孔隙水壓力隨著施工過程的改變而改變。首先在鉆孔階段，由于高壓水的注入，孔隙水壓力有所上升。隨著水平旋噴注漿的開始，在初始階段產(chǎn)生較大的超靜孔隙水壓力，隨著施工過程的持續(xù)，超靜孔隙水壓力出現(xiàn)一定的減小情況，但整體仍處于上升趨勢。在卸桿階段，由于沒有水泥漿的注入，超靜孔隙水壓力有明顯的減小。再次旋噴開始時，超靜孔隙水壓力急劇升高，變化趨勢和前一次基本相同。施工完成后，超靜孔隙水壓力又明顯減小，然而短時間內(nèi)超靜孔隙水壓力無法完全消散。因此可以認為，超靜孔隙水壓力隨著施工過程的改變而變化。另外，由于孔隙水壓力計P2距離施工位置非常遠，整個成樁期間，P2實測超靜孔隙水壓力基本為零，由此可以認為，本次水平旋噴現(xiàn)場試驗的大致影響范圍應當小于15 m．

圖8為超靜孔隙水壓力最大值與注漿壓力關系圖。如圖8所示，水平旋噴成樁期間產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力受注漿壓力直接影響，隨著注漿壓力的增大而增大。對于本次現(xiàn)場試驗而言，超靜孔隙水壓力最大值與注漿壓力成近似線性關系。

圖6　施工引起的超靜孔隙水壓力Fig．6　Excess pore water pressure caused in construction

圖7　C3施工期間超靜孔隙水壓力實測數(shù)據(jù)Fig．7　Variation of excess pore water pressure in piezometer P1during installation of C3

圖9為超靜孔隙水壓力與距離的歸一化關系圖。如圖所示，r為孔壓計P1與旋噴樁的水平距離，Rc為旋噴樁的半徑(Rc=0. 6 m)。從圖9可以看出，當與旋噴樁的距離較近時，產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力也較大，約為不排水強度的8到10倍。當與旋噴樁的距離達到20Rc時，產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力相對較小，孔隙水壓力計P2的實測結果表明本次現(xiàn)場試驗的影響范圍小于15 m．因此可以認為，P2的實測結果與P1的分析結果基本一致。

文中還搜集了其他樁體施工方法產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力實測數(shù)據(jù)，以對比水平旋噴施工的影響范圍。如圖9所示，與預制樁打樁過程相比，本次水平旋噴現(xiàn)場試驗對地層的影響則相對較小，而與攪拌樁施工對比，則相對顯著。另外，利用回歸分析，超靜孔隙水壓力與距離的歸一化關系可以表達為指數(shù)函數(shù)的形式

圖8　超靜孔隙水壓力最大值與注漿壓力關系圖Fig．8 Variation of maximum excess pore water pressures in piezometer P1with jetting pressure

圖9　超靜孔隙水壓力與距離的歸一化關系圖Fig．9 Normalized relationship between maximum excess pore water pressure and distance from column centerline

式中Δumax為超靜孔隙水壓力最大值; cu為土體不排水抗剪強度。如果定義水平旋噴成樁產(chǎn)生的地層反應小于5%作為設計要求，則對于本次現(xiàn)場試驗，每根水平旋噴樁施工的大致影響范圍約為10 m左右，即15到20 Rc之間。

4　結論

通過對水平旋噴成樁過程的分析，可以分為高壓射流形成階段，高壓射流與土體相互作用階段和水泥土固化階段。在高壓射流與土體相互作用階段，水泥漿噴射壓力很大，對周圍地層造成較大的擾動，引起較大的超靜孔隙水壓力。水平旋噴成樁產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力隨著施工階段的改變而變化，高壓流體注入時有所增大，而鉆噴桿卸桿時則有所減小;成樁引起的最大超靜孔隙水壓力與注漿壓力呈近似線性關系;隨著施工距離的增大，超靜孔隙水壓力不斷減小，當施工距離大于15 m時，基本可以忽略成樁引起的超靜孔隙水壓力?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)回歸分析表明，以水平旋噴成樁引起地層反應小于5%作為影響范圍控制值，則超靜孔隙水壓力影響范圍約為15～20倍成樁半徑，可以采用指數(shù)函數(shù)的形式表達超靜孔隙水壓力與施工距離的關系。

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Investigation of excess pore water pressure caused by installation of horizontal jet grout columns

WANG Zhi-feng，WANG Ya-qiong，XIE Yong-li
(Key Laboratory for Highway Bridge and Tunnel Engineering of Shaanxi Province，Chang’an University，Xi’an 710064，China)

Abstract:In order to investigate the effect of jet grouting construction on the surroundings and to optimize the design and construction technology of jet grouting，based on a field test，the variation laws of excess pore water pressure caused by installing horizontal jet grout columns were investigated，and the influential range due to horizontal jet grouting construction was discussed．The great disturbance of surroundings can be observed during the installation of horizontal jet grout columns，which will cause a higher excess pore water pressure．Based on the analysis of the construction process of horizontal jet grouting，it can be divided into three stages: formation of high pressurized fluid，interaction between the high pressurized fluid and the soil，and stabilization of cemented soils．The investigation results show that: the excess pore water pressure changes with the variation of construction process of horizontal jet grouting process，and the excess pore water pressure will arise after the injection of high pressurized fluid，and has a reduction when the rod is removed; the relationship between the excess pore water pressurebook=208,ebook=61and jetting pressure can be described in an approximately linear way; the excess pore water pressure decreased with the increase of distance to the construction position，and the excess pore water pressure caused by horizontal jet grout columns installation can be ignored when the distance is larger than 15 m; if the change of ground response is less than 5%，the influential range caused by installation of jet grouted columns was between 15 and 20 times the radius of column，and the relationship between the excess pore water pressure and the distance can be described in a power function．

Key words:tunnelling engineering; ground improvement; horizontal jet grout column; field test; excess pore water pressure

通訊作者:王志豐(1986－)，男，河南湯陰人，博士，講師，E-mail: zhifengwang@ chd．edu．cn

基金項目:中國博士后科學基金項目(2015M570803) ;中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(310821161022) ;陜西省博士后科研項目資助

*收稿日期:2015－11－25責任編輯:李克永

DOI:10．13800/j．cnki．xakjdxxb．2016．0210

文章編號:1672－9315(2016) 02－0207－06

中圖分類號:U 416. 1

文獻標志碼:A