王曉軍,吳偉杰,尚知宇(蘇州中材建設(shè)有限公司,江蘇 昆山 215300)
旋噴樁(又稱高壓旋噴樁)就是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進土層的預(yù)定位置后,以高壓設(shè)備使?jié){液或水、空氣成為20~40MPa的高壓射流從噴嘴中噴射出來,沖切、擾動、破壞土體,同時鉆桿以一定速度逐漸提升,將漿液與土粒強制攪拌混合,漿液凝固后,在土中形成一個圓柱狀固結(jié)體(即旋噴樁),以達(dá)到加固地基或止水防滲的目的。高壓噴射有旋噴(固結(jié)體為圓柱狀)、定噴(固結(jié)體為壁狀)和擺噴(固結(jié)體為扇狀)三種基本形狀。噴射注漿有三種:單管法(噴射高壓水泥漿液一種物質(zhì))、雙管法(噴射高壓水泥漿液和壓縮空氣二種介質(zhì))、三管法(噴射高壓水流、壓縮空氣和水泥漿液等三種物質(zhì))。
《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范JGJ 79—2012》介紹了旋噴樁處理地基的方法。對旋噴樁處理地基的設(shè)計則沒有具體的方法,以致許多設(shè)計人員及施工技術(shù)人員在遇到旋噴樁地基處理設(shè)計問題時難以下手,本文結(jié)合工程案例歸納了旋噴樁復(fù)合地基的設(shè)計方法及步驟。
旋噴樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土(流塑、軟塑和可塑)、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地基。對硬粘性土、土中含有較多的大直徑塊石、大量植物根莖和高含量的有機質(zhì),以及地下水流速較大的工程,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果確定其適用性。
根據(jù)地勘報告,按旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值為180~200 kPa估算基礎(chǔ)底面積,可以初步確定樁的直徑、樁長、樁間距、樁的根數(shù)。
樁徑一般400~1000mm,樁長要貫穿基礎(chǔ)主要受力層,對于條基不應(yīng)小于3b(b為基礎(chǔ)寬度);對于獨立基礎(chǔ)應(yīng)不小于1.5b,且獨基下旋噴樁樁數(shù)不應(yīng)少于4根;對于片筏基礎(chǔ)不應(yīng)小于(1.0~1.2)b,且不小于5m;樁間距不小于3d(d為樁徑),不大于6d。
旋噴樁復(fù)合地基宜在基礎(chǔ)和樁頂之間設(shè)置褥墊層,墊層厚度宜為150~300mm,褥墊層材料可選中砂、粗砂和級配碎石,褥墊層最大粒徑不宜大于200mm。褥墊層的夯實度應(yīng)不小于0.9。
根據(jù)初步定的樁徑、樁長、樁間距,按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范JGJ 79—2012》中的式(1)及(2)計算有粘結(jié)強度增強體復(fù)合地基承載力特征值:
其中:λ—增強體單樁承載力發(fā)揮系數(shù),0.7~1.0;Ra—增強體單樁豎向承載力特征值,kN;Ap—樁的截面積,m2;β—樁間土承載力發(fā)揮系數(shù),1.0~1.1;up—樁的周長,m;qsi—樁周第i層土的側(cè)阻力特征值(kPa);lpi—樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度,m;αp—樁端阻力發(fā)揮系數(shù),1.0(水泥土攪拌樁取0.4~0.6及樁長過長影響樁端承載力發(fā)揮時取低值);qp—樁端端阻力特征值(kPa),對于水泥攪拌樁、旋噴樁取未經(jīng)修正的樁端地基土承載力特征值。
最后應(yīng)采用平板載荷試驗確定旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值,然后按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB50007—2011》第5.2.1條公式pk fa及pkmax 1.2fa驗算持力層強度。如不滿足要求,可增加樁的數(shù)量(即縮小樁間距),或增加樁長,再進行驗算,直到強度滿足要求。
當(dāng)旋噴樁長度不是很長,未穿透整個軟弱層,這時必須對樁長以下軟弱下臥層的強度進行驗算。很多人認(rèn)為持力層強度滿足承載力要求,整個地基強度就可以滿足,或者認(rèn)為由現(xiàn)場載荷板試驗得出的承載力就是整個地基的承載力。實際因為載荷試驗用的載荷板的尺寸不大,所以載荷試驗的影響深度較小,它只能反映持力層土的承載力,對軟弱下臥層的承載力仍要計算復(fù)核,這點要特別注意。
旋噴樁一般情況下都是水泥摻量較大的,單樁具有較高的樁身強度及較大的粘結(jié)力,其樁身強度接近于剛性樁,復(fù)合地基承載力主要由單樁承載力確定,因此,旋噴樁復(fù)合地基在對受力層范圍內(nèi)軟弱下臥層進行強度驗算時,可參照混凝土類樁復(fù)合地基的擴散模型,即樁與樁間土可視為一個假想的實體基礎(chǔ),按群樁作用原理進行下臥層地基強度驗算,擴散模型可按兩種方法考慮:
第一種:基底壓力擴散角α取樁范圍各土層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值φ的1/4,同時在假想基礎(chǔ)底面到軟弱下臥層頂面之間進行二次擴散(如圖1)。假想實體基礎(chǔ)底面處的附加壓力為:
其中:f—假想實體基礎(chǔ)底面處的附加壓力;po—群樁頂面所受的附加壓力;L—混凝土樁的樁長;ao—矩形實體基礎(chǔ)長;bo—矩形實體基礎(chǔ)寬。
第二種:考慮假想實體基礎(chǔ)側(cè)面與土的摩擦力,計算出假想實體基礎(chǔ)底面處的附加應(yīng)力,同時在假想實體基礎(chǔ)底面到軟弱下臥層頂面之間進行二次擴散(如圖2)。假想實體基礎(chǔ)底面處的附加壓力為:
其中:f—假想實體基礎(chǔ)底面處的附加壓力;po—群樁頂面所受的附加壓力;L—混凝土樁的樁長;γp—樁身長度范圍內(nèi)土的加權(quán)平均重度。
圖1 從樁頂開始的應(yīng)力擴散模型
圖2 從樁底開始的應(yīng)力 擴散模型
根據(jù)上述兩種方法求出實體基礎(chǔ)底面處的附加應(yīng)力f后,再根據(jù)樁端以下土層的壓縮模量與軟弱下臥層模量的比值進行二次擴散,計算出軟弱下臥層頂面處所受的附加壓力,按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》pz+pcz faz公式(pz為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時,軟弱下臥層頂面處的附加壓力值,kPa;pcz為軟弱下臥層頂面處地基土的自重壓力值,kPa;faz為軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值,kPa)驗算軟弱下臥層強度是否滿足設(shè)計要求(要注意深度修正系數(shù)的取值)。
旋噴樁復(fù)合地基的變形沉降按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范JGJ 79—2012》中第7.1.7條方法對加固區(qū)和非加固區(qū)均采用分層總和法計算,加固區(qū)沉降按復(fù)合模量法計算,復(fù)合模量提高系數(shù)等于復(fù)合地基與天然地基承載力的倍數(shù);軟弱下臥層頂面的附加應(yīng)力按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB 50007—2011》第5.2.7條第二款計算。
設(shè)計時還要注意以下幾點:①旋噴樁復(fù)合地基的對立基礎(chǔ)除要控制每個基礎(chǔ)的沉降外,還要驗算相鄰基礎(chǔ)的差異沉降,差異沉降滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB 50007—2011》第5.3.4條規(guī)定;②對于筏板基礎(chǔ),由于筏板基礎(chǔ)剛度大、整體性好,調(diào)整不均勻沉降的能力好,除控制最大沉降外,還要注意控制好傾斜量;③旋噴樁復(fù)合地基中,因為樁和樁周土的剛度相差較大,為使樁和樁間土更好的共同工作、有效地發(fā)揮樁間土的承載力,必須調(diào)整樁和樁間土的剛度差(或者說相對位移),因此基礎(chǔ)下應(yīng)設(shè)置一層150~300 mm厚的級配砂石褥墊層,并用平板振動器振實(可適量噴水)。
某水泥廠二期工程,原料配料車間框架柱基礎(chǔ)平面(見圖3),E軸線X 1軸線~8軸線為新建框架柱,設(shè)計要求框架柱基礎(chǔ)持力層落在⑥強風(fēng)化砂巖上,fak=300kPa;地勘剖面圖(見圖4),①層為回填夯實的素土,現(xiàn)場檢測地基承載力特征值為fak=120kPa,樁基參數(shù)見表1。
圖3 基礎(chǔ)平面圖
圖4 地勘剖面圖
地勘報告在此車間僅有兩個布孔,且間距比較大,實際開挖后各土層厚度與地勘報告描述的偏差較大。問題一:6軸線~8軸線設(shè)計基底標(biāo)高-6.0m,實際現(xiàn)場開挖到-4.0m就到⑥強風(fēng)化砂巖持力層。問題二:1軸線~5軸線開挖至設(shè)計標(biāo)高時,大部分基礎(chǔ)均未到⑥強風(fēng)化砂巖持力層,經(jīng)現(xiàn)場釬探,到達(dá)持力層還要繼續(xù)下挖深度在2~4m不等,而場地周圍環(huán)境已經(jīng)不允許再繼續(xù)下挖(一側(cè)為一線的電纜橋架,另一側(cè)為一線正在生產(chǎn)的原料配料站基礎(chǔ),存在嚴(yán)重安全隱患)。問題三:1軸線~2軸線間的地基梁設(shè)計上質(zhì)心與重心不重合,偏心較大。
對于問題一,經(jīng)與設(shè)計人員溝通,6軸線~8軸線的基礎(chǔ)按圖繼續(xù)施工,僅將基底標(biāo)高抬高至-4.0m。對于問題二及問題三要結(jié)合基礎(chǔ)方案統(tǒng)一處理,設(shè)計提出兩個處理方案,第一方案灌注樁基礎(chǔ),樁徑10000mm,樁長不小于21m,一柱一樁(共8根);第二方案采用旋噴樁復(fù)合地基(現(xiàn)場正好有旋噴樁機)。由于現(xiàn)場場地狹小,1軸線~5軸線已經(jīng)開挖到-5.3m標(biāo)高,不適合大型機具作業(yè),而旋噴樁機體積小、運行靈活、施工速度快。項目部經(jīng)綜合分析后,決定采用旋噴樁處理地基,處理后的復(fù)合地基承載力特征值設(shè)計要求達(dá)到fak=300kPa;而且地基梁貫通1軸線至5軸線,地基梁截面及配筋用原設(shè)計的2-2剖面施工。
表1 樁基設(shè)計參數(shù)表 kPa
現(xiàn)場按設(shè)計提供的計算數(shù)據(jù),根據(jù)地勘報告剖面圖,確定1軸線~5軸線為到持力層部分旋噴樁平面圖(見圖5),旋噴樁處理深度貫穿①填土層到⑥強風(fēng)化砂巖,進入⑥強風(fēng)化砂巖500mm。根據(jù)上述公式(1)、(2)來確定復(fù)合地基的承載力。
(1)確定Ra。單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值:
其中:Ap=0.3 ×3.14=0.282 6 m(旋噴樁直徑6000mm);up=3.14×0.6=1.884m;qsik樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值,qsik=20kPa及260kPa;li按土層劃分的各層厚度,li分別為2m及0.5m(按最小長度2.0m考慮,入持力層0.5 m);αp樁端極限端阻力發(fā)揮系數(shù);αp=1.0;Ruk=1.884×(20×2+260×0.5)+1.0×2200×0.2826=942kN。
增強體單樁豎向承載力特征值:
現(xiàn)場單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值檢測結(jié)果為10080kPa。
圖5 旋噴樁平面布置圖
本案例中,由于上部加固區(qū)沉降很小,而下部的下臥層為強風(fēng)化砂巖,厚度大,壓縮模量較大,沉降也是很小,再加上基礎(chǔ)采用剛度很大的地基梁,故可忽略總沉降量的計算。目前二線已經(jīng)投產(chǎn)運行數(shù)個月,二線原料配料站未出現(xiàn)任何不均勻沉降。
在地基基礎(chǔ)設(shè)計中包括了對地基的選擇和對基礎(chǔ)的設(shè)計,旋噴樁復(fù)合地基施工受場地及地層條件限制小,適用范圍很廣,固結(jié)體形狀可以控制;普遍應(yīng)用于提高軟弱地基承載力,減小總沉降變形,特別是減少樁身范圍的沉降量,有效減少差異沉降。所以,本案例合理選擇地基處理方法和基礎(chǔ)形式,不僅可以在技術(shù)上滿足建筑結(jié)構(gòu)的安全要求,還可以節(jié)約造價,縮短工期,達(dá)到降本增效的理想效果。