王 慶 江

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

1 高壓旋噴樁進(jìn)行濕陷性黃土地基病害治理的作用原理

一般意義上解決濕陷性問(wèn)題都是采用強(qiáng)夯或具有擠密效果的施工工藝，降低地基土的孔隙比，人為加強(qiáng)土體的固結(jié)程度來(lái)實(shí)現(xiàn)。而高壓旋噴樁擠密效果較差，其降低地基濕陷性對(duì)上部結(jié)構(gòu)不良影響的作用需要通過(guò)三個(gè)作用實(shí)現(xiàn)：一是局部消除作用。即在樁體范圍內(nèi)，利用高壓水泥漿液噴射流切削土體，并與地基土混合攪拌形成一強(qiáng)度較高的柱狀水泥土混合樁體。該混合樁體的濕陷性已完全消除；二是高壓射流擠密作用。高壓水泥漿液噴射流在土體中噴射到射流終期區(qū)域時(shí)，射流能量大幅度衰減，不足以使被沖擊到的土粒剝落，但能對(duì)有效射程的邊界土體產(chǎn)生擠壓作力，從而對(duì)四周土產(chǎn)生壓密作用。在此過(guò)程中，部分水泥漿液滲入土粒間空隙，對(duì)樁周土體也產(chǎn)生一定的固結(jié)加密作用；三是托換作用。高壓旋噴樁的樁端穿過(guò)濕陷性黃土地基，嵌入下部承載力較高的非濕陷性地基土中，樁頂進(jìn)入人工路基一定深度，與人工路基緊密結(jié)合。這一結(jié)構(gòu)能較好的將上部路面荷載通過(guò)樁體傳遞到下部良好的樁端持力層地基土中，從而避開(kāi)了中間濕陷性黃土地基的濕陷影響。處理后的復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

擬處理的濕陷性地基土(圖1中的h2部分)位于人工堆填的路基(圖1中的h1部分)下部。在路面下布設(shè)一定密度的高壓旋噴樁，在將濕陷性黃土地基進(jìn)行部分置換的同時(shí)，將上部荷載通過(guò)旋噴樁樁群傳遞到下面良好地基土上。

2 高壓旋噴樁復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算

如前所述，這一復(fù)合支撐結(jié)構(gòu)的作用原理基于兩個(gè)層面：一是利用旋噴樁消除部分黃土地基的濕陷性；二是將上部路基及路面荷載直接傳遞到下部良好地基土上。由于施工工藝的局限性，高壓旋噴樁并不能完全的消除濕陷性，因此這一復(fù)合結(jié)構(gòu)的作用主要是通過(guò)樁體將上部荷載傳遞到下部較好地基土上的方式實(shí)現(xiàn)(即托換作用)。在計(jì)算中，我們對(duì)濕陷性黃土部分的樁體可以假想其不起作用，或只起有限的作用，在計(jì)算濕陷性黃土地基中的復(fù)合地基承載力時(shí)，施加于該層土上的荷載以其起始?jí)毫榛鶖?shù)，以保證其在受水浸蝕中不發(fā)生濕陷性沉降。大部分荷載通過(guò)旋噴樁體傳遞至下部良好地基土上。這一部分承載力計(jì)算主要考慮復(fù)合樁體承載能力及下部良好地基土的復(fù)合承載力。

承載力計(jì)算參照J(rèn)GJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中有粘結(jié)強(qiáng)度的增強(qiáng)體復(fù)合地基承載力計(jì)算公式為：

fspk=λ×m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk

(1)

結(jié)合復(fù)合結(jié)構(gòu)體的承載特征，下面對(duì)式中各個(gè)參數(shù)的取值做一討論。

2.1 高壓旋噴樁的樁體參數(shù)的選擇

高壓旋噴樁處理濕陷性黃土地基主要是靠局部消除和托換作用實(shí)現(xiàn)。局部消除作用依靠高壓噴射的水泥漿液與地基土攪拌形成復(fù)合樁體來(lái)實(shí)現(xiàn)。托換作用靠樁群強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此確定樁長(zhǎng)、樁徑、樁身強(qiáng)度及樁間距時(shí)需綜合考慮其作用特點(diǎn)。

2.1.1樁長(zhǎng)的確定

樁長(zhǎng)以滿(mǎn)足穿透濕陷性地基土層進(jìn)入下部良好持力層足夠深度為宜。既要滿(mǎn)足單樁承載力要求，同時(shí)滿(mǎn)足樁群托換體的整體穩(wěn)定性要求。故進(jìn)入持力層部分的樁長(zhǎng)不應(yīng)小于5倍樁徑或不小于有效樁長(zhǎng)的1/3，具體選擇時(shí)視持力層埋深及濕陷性地基土厚度確定。當(dāng)持力層埋深較深，上部濕陷性地基土較厚時(shí)，相對(duì)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)比較長(zhǎng)，則可按5倍樁徑考慮；如濕陷性地基土厚度較小，相對(duì)持力層埋深較淺時(shí)，相對(duì)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)較短，則可按1/3樁長(zhǎng)確定。

2.1.2樁徑的確定

樁徑的選擇既要考慮施工工藝的特點(diǎn)，也要考慮地層特點(diǎn)。一般單管高壓旋噴樁在一般軟土地區(qū)成樁徑在600左右。由于濕陷性黃土地區(qū)地基土在無(wú)水狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度較高，單管工藝施工時(shí)即使在采用最高泵壓情況下樁徑也難以達(dá)到600。雙管或三重管雖然成樁直徑較大，但造價(jià)高，且工藝復(fù)雜，不適用于此類(lèi)工程。因此樁徑選擇小一些為宜，選擇單管高噴施工工藝時(shí)設(shè)計(jì)樁徑最好選擇300～500之間，工程現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)實(shí)際試噴確定。

2.1.3樁身強(qiáng)度的確定

樁身強(qiáng)度直接影響復(fù)合結(jié)構(gòu)體的整體剛度，同時(shí)又是校驗(yàn)單樁承載力的依據(jù)，通常單樁承載力不超過(guò)0.2倍～0.25倍的設(shè)計(jì)樁身強(qiáng)度。一般樁身強(qiáng)度的確定主要考慮在滿(mǎn)足單樁承載力校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，盡量取低值，以提高經(jīng)濟(jì)性。樁身強(qiáng)度主要受水泥摻入量、天然地基土性質(zhì)及含水量、有機(jī)質(zhì)含量、齡期影響。具體各因素與水泥土強(qiáng)度的關(guān)系前人早有很深入的研究，通常高壓旋噴樁設(shè)計(jì)水泥摻入量為20%。試驗(yàn)證明，在粘性土地基中，水泥摻入比在20%時(shí)，水泥土混合體的28 d強(qiáng)度值大約在2 000 kPa～2 500 kPa，而當(dāng)水泥土混合體強(qiáng)度值大于2 000 kPa時(shí)，在受到極限外力作用時(shí)，水泥土混合體會(huì)很快出現(xiàn)脆性破壞，對(duì)工程不利。

2.2 樁間距的確定

通常樁間距根據(jù)置換率與樁間距的關(guān)系計(jì)算求得。置換率可用式(1)反算求得，計(jì)算時(shí)，復(fù)合地基承載力fspk根據(jù)基底準(zhǔn)永久荷載確定；單樁承載力Ra通過(guò)計(jì)算求得，計(jì)算時(shí)考慮濕陷性黃土地基浸水承載力降低，在具有濕陷性地基土中的部分樁體計(jì)算單樁承載力時(shí)樁的側(cè)摩阻力按天然側(cè)阻的50%取值。其他參數(shù)均為已知數(shù)，代入式(1)即可解出置換率m。

置換率與樁的直徑及樁間的關(guān)系可用下式表示：

其中，d為平均樁直徑；de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，其值取決于布樁形式與樁間距s的大小，在等邊三角形布樁中de=1.05s，正方形布樁中de=1.13s，矩形布樁中de=1.13√(s1×s2),式中s1,s2分別為縱向間距和橫向間距。

置換率與樁間距成反比，置換率越大，樁間距越小。在JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中，根據(jù)不同成孔工藝及樁型特點(diǎn)對(duì)樁間距給出了一些經(jīng)驗(yàn)性的建議，如對(duì)擠密灰土樁的樁間距建議值為2倍～3倍的樁徑，夯實(shí)水泥土樁建議值為2倍～4倍，CFG樁根據(jù)擠土與非擠土成孔工藝的不同，建議值為3倍～6倍和3倍～5倍樁徑。而對(duì)于高壓旋噴工藝施工的樁間距沒(méi)有給明確參考值，常規(guī)設(shè)計(jì)中樁間距多以2倍～3倍的樁徑為參考。但在處理濕陷性黃土地基的設(shè)計(jì)中，因復(fù)合地基的承載力的組成中有意降低了樁間土的作用，所以樁間距在滿(mǎn)足成樁工藝的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)建議采用密集布樁原則，可以提高高壓旋噴樁對(duì)樁周土的擠密效果，同時(shí)加大樁在樁土復(fù)合體中的作用，從而減少殘留濕陷性樁間土的不良作用。

2.3 處理后的濕陷性黃土地基復(fù)合承載力驗(yàn)算

計(jì)算樁長(zhǎng)l=h1+h2；樁徑R為旋噴樁樁徑，通常單管旋噴樁取300 mm～500 mm，或參考現(xiàn)場(chǎng)試樁數(shù)據(jù)取值；fsk為天然地基土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，因濕陷性黃土地基浸水飽和后承載力會(huì)大幅下降的，計(jì)算時(shí)可取實(shí)際值的60%～80%；樁間土發(fā)揮系數(shù)β一般取0.75～0.9，實(shí)際限值時(shí)應(yīng)取低值，以抵消殘存濕陷性對(duì)復(fù)合地基承載力的影響；單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ一般取值為0.70～1.0，在本應(yīng)用中因復(fù)合地基承載力主要以單樁作用為主，取值時(shí)應(yīng)取高值。

3 案例分析

福銀高速黃土高原地區(qū)的某段，因路基下濕陷性黃土受周邊農(nóng)田灌溉及自然降水作用，引發(fā)大規(guī)模濕陷性沉陷，造成路面凹凸不平，給正常行車(chē)帶來(lái)嚴(yán)重隱患。早期采用路面修補(bǔ)措施進(jìn)行過(guò)處理，2008年—2013年間統(tǒng)計(jì)顯示，每年加鋪厚度達(dá)15 cm，最大達(dá)30 cm，但一直不能解決問(wèn)題。2014年對(duì)路基進(jìn)行補(bǔ)充勘察，結(jié)果顯示地基土濕陷性很?chē)?yán)重，大多為非自重濕陷，部分自重濕陷。鑒于這一情況研究決定采用高壓旋噴樁對(duì)病害段濕陷性地基進(jìn)行處理。

需處理的病害路基長(zhǎng)度總計(jì)達(dá)50多千米。共設(shè)計(jì)高壓旋噴樁160多萬(wàn)延米，樁長(zhǎng)10 m～15 m，初步設(shè)計(jì)樁徑考慮為600。樁間距為1.5 m～2.0 m。設(shè)計(jì)水泥摻入量為20%，每米水泥用量為180 kg～200 kg，樁身水泥土28 d強(qiáng)度不小于1.5 MPa。

施工前在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試噴試驗(yàn)，試噴樁長(zhǎng)10 m，噴漿壓力20 MPa～40 MPa，噴漿嘴直徑2 mm～3 mm。于延線不同地段分別選點(diǎn)試驗(yàn)，最終試驗(yàn)結(jié)果如下：1)試噴樁樁徑為350～620，樁徑隨地層土質(zhì)強(qiáng)度呈反向變化；2)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)實(shí)際水泥摻入量最多每米能摻入140 kg～160 kg，即使調(diào)到最高噴漿壓力，水泥摻入量在達(dá)到160 kg/m后，也很難再提高；3)樁身水泥土28 d強(qiáng)度大于1.5 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)結(jié)果分析：由于西北黃土高原地區(qū)長(zhǎng)年干旱少雨，造成地基土中含水量很低，一般小于20%。天然條件下強(qiáng)度較高。因此在高壓旋噴樁噴射成樁時(shí)，高壓射流在強(qiáng)度較高的土層中切削半徑減小導(dǎo)致樁徑減小，同時(shí)引起水泥摻入量實(shí)際值比設(shè)計(jì)值減少。但單位體積土中水泥摻入量并未降低，故此水泥土混合體強(qiáng)度能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

鑒于以上試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)原設(shè)計(jì)及時(shí)進(jìn)行了調(diào)整，平均計(jì)算樁徑調(diào)整為450 mm，樁間距調(diào)整為1.2 m～1.5 m。樁長(zhǎng)按原設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)。

整個(gè)工程工期3個(gè)月，完工通車(chē)后，運(yùn)行一年后效果良好，未再出現(xiàn)明顯路面沉陷現(xiàn)象。

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