錢 鋒

(中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162)

1 研究背景

在工程施工過程，地基施工是重要構成部分。地基作為工程施工的基本，如果出現(xiàn)問題，會給整個項目帶來極大的經(jīng)濟損失。因地基處理不當導致工程失敗的例子比比皆是，如上海展覽中心館因地基問題出現(xiàn)建筑物下沉等[1]。據(jù)統(tǒng)計，工程施工中常見的地基問題涉及地基強度、地基變形、地基滲漏以及動力穩(wěn)定性等多個方面。因此，為了確保施工質(zhì)量，確保建設項目的安全性，必須采取有效的應對措施解決地基問題[2]。

針對地基問題，業(yè)內(nèi)常采用注漿加固法、樹根樁法、錨桿靜壓樁法、加大基礎底面積法以及高壓旋噴樁注漿法等予以處理。其中，注漿加固法指的是將固化漿液注入地基裂縫中，達到防滲、加固等目的，常用的注漿材料有水泥漿、高分子化學漿等；樹根樁法采用小直徑的鉆孔灌注樁，常用于淤泥、碎石等地基上原有建筑物的修復；錨桿靜壓樁利用固有錨桿的動力實施壓樁，操作簡單，適用于淤泥、粉土等地基中；加大基礎底面積法用于基礎底面積不滿足設計時的建筑物的加固，常用的材料為鋼筋混凝土；高壓旋噴樁注漿法起源于日本，該方法利用鉆機鉆孔，并采用高壓水射流切割技術將注漿管插到目的層，沖擊破壞土地，一般來說漿液射流壓力可以達到20 MPa[2-3]，這種方法具有漿液可控性好、固結(jié)體強度高等特點，常用于市政、隧道、礦井等施工領域，并取得了較好的應用效果，施工過程中采用高壓旋噴樁注漿法能夠保證漿液在可控范圍內(nèi)固結(jié)，避免漿液流失到加固區(qū)域外。此外，該方法定位性能優(yōu)越，在高壓下可以形成圓柱狀的旋噴樁體。在施工領域中，高壓旋噴樁法具有經(jīng)濟效益高的特點，在業(yè)內(nèi)廣受關注。

天津市東麗湖地區(qū)東文北路工程，全長2.44 km，項目涉及道路工程、橋梁工程、排水工程、中水工程、照明工程、通信工程及交通設施工程等。在道路工程中需要進行地基加固處理，高壓旋噴樁作為常用的技術，需要開展旋噴樁承載特性變化規(guī)律的研究，為施工實踐提供參考。本文結(jié)合項目實際狀況，采用現(xiàn)場試驗的方式開展研究。

2 試驗方案設計

本次研究基于現(xiàn)場施工實際情況開展物理實驗，主要包括試驗參數(shù)分析確定、試驗加載方案以及數(shù)據(jù)測量等部分。

2.1 試驗參數(shù)分析及確定

本次試驗結(jié)合現(xiàn)場實際情況以及設備實際性能，選擇2根試驗樁開展實驗，樁號命名為1#、2#，樁直徑均為60 cm，樁長分別為10.5、11.50 m；根據(jù)工區(qū)地質(zhì)資料以及試驗需要，樁頭改造為長、寬、高均為80 cm的立方體，高噴樁頭嵌入50 cm。成樁后進行鉆孔取芯，并檢驗樁的平均抗壓強度以及平均彈性模量等物理特征參數(shù)，詳細參數(shù)見表1。

表1 高壓旋噴樁相關參數(shù)表

試驗選用單管旋噴，水泥為符合現(xiàn)場施工規(guī)定的425型號普通硅酸鹽水泥，根據(jù)需求將漿液水灰比定為1∶1。漿液壓力20 MPa，每分鐘流量100 L，配合比為1∶1，噴嘴直徑φ2～3 mm，轉(zhuǎn)速為20 r/min，漿管外徑值為42 mm，提升量為25 cm/min?；谏鲜鰠?shù)，旋噴一個月結(jié)束后進行單樁靜載荷試驗。

2.2 試驗加載方案

為確保試驗的科學性，樁身沉降量的測量選用百分表，旋噴樁身摩阻力、樁身應變等物理特特征參數(shù)的測量選用鋼筋計，測量工具傳感器元件如圖1所示，其中括號內(nèi)數(shù)值為2#試驗樁。

圖1 測量工具傳感器元件圖(單位：cm)

為檢測樁體是否符合靜載試驗需求，在檢測前對其進行低應變動力檢測，結(jié)果顯示，試驗樁完整性較好，可開展相關試驗。靜載試驗操作需嚴格遵守相關規(guī)定，選用慢速維持荷載法進行加載，其中加壓方式為油頂加壓，并選用反力架等裝置，逐級加載到終止加載條件，加載方案示意圖見圖2，其中括號內(nèi)數(shù)值為2#試驗樁。

圖2 加載方案示意圖(單位：cm)

2.3 試驗測量

靜載試驗中，及時進行試驗數(shù)據(jù)的測量，主要觀測參數(shù)為荷載量以及沉降值。記錄工作如下：①根據(jù)規(guī)范要求，加載分級；②測量沉降數(shù)據(jù)并記錄，間隔5 min記錄1次，記錄3次后，間隔15 min記錄1次，1 h后，間隔0.5 h記錄1次；③樁體沉降速度不超過0.1 mm/h時，認為達到每級荷載的穩(wěn)定標準，可進行下一級荷載，通常情況下，在1.5 h內(nèi)記錄3個沉降速率，如果有2個記錄值不超過最小沉降率，即認為該級荷載達到穩(wěn)定標準，需要注意的是，每級荷載維持時間不超過2 h；④根據(jù)施工標準以及設計規(guī)范并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，確定終止加載條件。一般情況下，終止加載條件如下：①荷載沉降曲線出現(xiàn)可判斷承載力極限的陡坡段，即當前沉降量為上級沉降量的5倍；②當前沉降量超過上次沉降量兩倍，該狀態(tài)維持時間超過24 h；③當前荷載超過極限荷載二級以上等。

3 結(jié)果與分析

本次實驗結(jié)果分析主要包括沉降變形、樁周摩阻力等兩部分。

3.1 沉降變形分析

基于上述試驗數(shù)據(jù)得到1#、2#試驗樁荷載-沉降關系圖，見圖3。其中，1#試驗樁受多種因素的制約，沒有達到極限荷載，與之相對應的2#試驗樁達到了破壞階段。從2#試驗樁的曲線關系可以看出，高壓旋噴樁未達到破壞荷載時，其沉降量與荷載呈正相關的變化關系。此外，1#、2#試驗樁的荷載-沉降關系圖顯示，1#試驗樁斜率大于2#試驗樁，說明受到相同的荷載，1#試驗樁變形相對更大。

圖3 1#2#試驗樁荷載-沉降關系圖

3.2 樁周摩阻力分析

基于上述試驗數(shù)據(jù)得到如下樁周摩阻力-樁長變化關系圖，其中，1#試驗樁見圖4，2#試驗樁見圖5。從1#、2#試驗樁的變化關系圖可以看出，當樁體在受到較小荷載的情況下，摩阻力與頂部荷載呈現(xiàn)出正相關的變化關系，但荷載達到某臨界值時，隨著頂部荷載的增加，摩阻力變化較小，其中2#試驗樁尤為明顯，當荷載很大時，樁身不穩(wěn)定。高壓旋噴樁摩阻力自下而上發(fā)展，表現(xiàn)出上小、下大的特征，隨著頂部荷載的逐步增大，摩阻力逐步呈現(xiàn)出階梯狀的特點。

圖4 1#試驗樁樁周摩阻力-樁長變化關系圖

圖5 2#試驗樁樁周摩阻力-樁長變化關系圖

分析認為，高壓旋噴樁承載特性變化規(guī)律與其成樁機理有著密切的關系。高壓旋噴樁在沉降和變形的過程中，會受到周圍巖土的綜合阻力(即摩阻力)，由于旋噴樁在成樁的過程中需要應用高壓水流螺旋式切割土體，因此會受到周圍土的阻力。通常情況下，高壓水流近似“葫蘆狀”，間隔一段距離樁徑便由小變大，在高壓水流作用下，樁壁分段嵌入樁周巖土中。

4 總 結(jié)

高壓旋噴樁自20世紀70年代從日本推出后，在市政、隧道、礦井等施工領域取得了廣泛應用。高壓旋噴樁利用高壓發(fā)動裝置噴射配置好的漿液破壞土體，并利用鉆桿將土體攪拌均勻，形成水泥土固結(jié)體。與其他施工方式相比，這種施工方法設備震動小、噪音低、成本低、經(jīng)濟效益高、社會效益好，一直廣受人們熱捧。據(jù)調(diào)研，業(yè)內(nèi)認識從多個方面開展高壓旋噴樁的試驗應用研究[2-4]，比如處理濕陷性黃土路基沉陷問題、軟地基加固處理、地基檢測等。在質(zhì)量檢測方面，多通過自檢自測程序開展，比如認真核對測量控制點，確保樁位的準確測放；確保施工作業(yè)場地的平整度，保證作業(yè)設備傾斜度不超過1.5%。旋噴施工時，鉆頭提升高度應高于樁頂標高30 cm；另外觀察試驗樁不同位置樁徑的變化，根據(jù)地層地質(zhì)狀況確保樁徑符合設計要求；實際施工時注意結(jié)合地層情況調(diào)整配合比，保證施工質(zhì)量滿足設計要求。旋噴樁施工后，隨機抽取施工總樁數(shù)的5%進行抽檢，通常情況下數(shù)量不少于3根。施工后常見的檢測方法有開挖檢測、樁體取芯檢測、承載力檢測、低應變檢測等。其中，開挖檢測較為直觀，一般在施工結(jié)束7 d后開展，將樁體暴露出來檢測其成樁直徑、有效樁長、樁體強度，檢查完畢后將土體恢復原狀。樁體取芯檢測也是較為常見的檢測方式，一般在樁體施工結(jié)束28 d后開展，通過取芯工具在樁體中心10～15 cm處取芯，并判斷樁體是否存在斷樁、夾泥等[4]。另外，取芯試樣制作成標準的試塊后，可開展抗壓強度檢測，對樁體的強度進行評估。承載力檢測主要涉及單樁承載力以及復合地基承載力等。一般在樁體施工結(jié)束28 d后開展，隨機抽取施工總樁數(shù)的1%進行抽檢，通常情況下數(shù)量不少于3根。低應變檢測中常應用的方式瞬態(tài)沖擊，通過分析樁身受到應力后產(chǎn)生的反射、透射曲線，評估樁身是否存在缺陷等。

高壓旋噴樁的承載特性，是設計施工人員的關注熱點。

本文通過設計實驗，詳細分析了高壓旋噴樁頂部荷載與樁深之間的變化關系，并探究了高壓旋噴樁承載特性變化規(guī)律。研究基于現(xiàn)場施工實際情況開展物理實驗，主要包括試驗參數(shù)分析確定、試驗加載方案以及數(shù)據(jù)測量等，結(jié)合現(xiàn)場實際情況以及設備實際性能，選擇2根試驗樁開展實驗，通過觀測得到試驗數(shù)據(jù)，并開展沉降變形分析、樁周摩阻力分析。通過試驗得到沉降量與頂部荷載的變化規(guī)律如下：樁體自身破壞前，其沉降量與頂部荷載呈現(xiàn)正相關的變化關系；當荷載較小時，摩擦阻力隨頂部荷載呈正相關的變化關系；當荷載逐步增加到某限度時，摩擦阻力隨頂部荷載呈負相關的變化關系。摩擦阻力自樁身下部向上部發(fā)展，與荷載成正相關的關系。該認識對于指導高壓旋噴樁實際施工有一定的參考和借鑒意義。對于符合地基承載力計算中的樁、土應力-應變關系有待開展進一步的研究。

高壓旋噴樁具有施工噪音低、經(jīng)濟效益高等諸多優(yōu)點，在市政建設、公路施工、隧道施工等方面有著廣泛的應用，開展承載特性等實驗分析能夠推動施工工藝和設備的發(fā)展進步，并為相關工程項目的施工提供參考和借鑒。

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