史 彥 河南省建筑科學設計研究院有限公司工程師

崔會杰 河南省建筑科學設計研究院有限公司助理工程師

楊貴永 河南省建筑科學設計研究院有限公司高級工程師

高壓旋噴樁是以高壓旋轉(zhuǎn)的噴嘴將水泥漿噴入土層，使其與土體混合，形成連續(xù)搭接的水泥加固體。該施工方法具有施工占地少、振動小及噪音較低的特點，因此成為眾多工程項目施工中地基施工重點采用的技術(shù)。但高壓旋噴樁在加固受損地基方面的應用尚不完善，需要對受干擾地基支護后的垂直樁功率計算進行進一步的研究與論證。

1 項目簡介

某項目在完成道路橋梁設計和施工塊轉(zhuǎn)移到位后，發(fā)現(xiàn)橋梁主截面的岸線塌陷，因此對主橋下部進行了初步的地形測量。在橋面位置繪制的橋基上，發(fā)現(xiàn)明顯偏離設計圖紙，即河床下潛。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于主橋周邊沙質(zhì)現(xiàn)象嚴重，河床下陷較原設計下降7 ～8 m，地表高度比較高，橋基土影響地下較深區(qū)域。在最后的地層調(diào)查報告中，基線從-18.1 ～-32.8 m 不等。土層擾動范圍如圖1 所示。對此，團隊改變了樁結(jié)構(gòu)，采用了樁基擴展方案。工程變更后的鉆孔樁（基于摩擦樁）的直徑從2 m增加到2.5 m，最長樁的長度為103 m。

圖1 土層擾動范圍示意圖

2 高壓旋噴樁應用中的土體加固方案

通過比較以往案例，項目組對加固方案進行優(yōu)化，最終決定使用高壓旋噴樁方法來加固受擾動的土壤基層區(qū)域。對橋樁周圍采砂區(qū)的擊穿層用高壓旋噴樁加固，在每個樁基周圍安裝多個高壓旋噴樁，以加固采砂區(qū)的擾動土層。在細度30 目的高壓水泥漿和高壓空氣的雙重作用下，液態(tài)水泥漿在30 MPa 的噴射破壞了土壤，最后在土壤中形成了水泥圓柱狀的壓實作用，強化了受干擾的土壤層結(jié)構(gòu)。通過高壓旋噴水泥漿噴射試驗，確定高壓旋噴樁的設計參數(shù)。在樁基周圍放置直徑為100 cm 的高壓旋噴樁，相鄰樁心之間距離76.57 cm，相互閉塞重合為23.34 cm，并且成套13 根連續(xù)樁，樁基中高壓旋噴樁的直徑為80 cm，樁心之間的距離為121.24 cm。高壓旋噴樁的上端包裹在長度為5.0 m 的保護管中，下端埋入2.0 m 的全風化砂質(zhì)泥巖中。風化巖層面需要用開孔鉆頭，或者用高風壓沖擊器進行引孔、擴孔。

3 高壓旋噴樁加固條件下的樁基豎向承載力分析

3.1 創(chuàng)建數(shù)值分析模型

實驗結(jié)束時采用ABAQUS 算法進行定量分析，選擇高速射流繞流加固樁條件下鉆孔的試樁。樁徑2.5 m，樁長103 m，承重層為粘土砂巖，風化程度適中。建立兩種有限元模型。其中，無樁模型用于高壓渦流注入溶液，樁加固后，采用樁模型用高壓轉(zhuǎn)子注入泥漿。

3.1.1 模型計算區(qū)

計算土壤面積的選擇直接影響模型計算的準確性。通常，選擇的計算土壤面積越多，計算時間越長，計算精度越高。剪切變形為樁緣至樁軸距離的N（通常N為8 ～15）倍，樁徑小于0[1]。因此，在確定模型計算范圍時，選擇15 倍樁徑作為計算范圍橫向界限半徑。具體的計算模型如圖2、圖3 所示。

圖2 計算模型圖

圖3 三維有限元模型圖

3.1.2 模擬樁與土的相互作用以及計算參數(shù)的選擇

創(chuàng)建樁土分析模型時，在不考慮鋼筋作用的情況下，將樁體簡化為純混凝土結(jié)構(gòu)。由于混凝土的彈性模量遠大于樁周圍土壤的彈性模量，樁體在外荷載作用下只產(chǎn)生彈性變形，不產(chǎn)生塑性變形，因此樁體彈性模型選擇樁體。在土壤中采用彈性塑性模型。在樁土定量模擬仿真過程中，最重要的是選擇合理的樁土相互作用模擬方法。

在基于ABAQUS 的大型和超長樁建模中，本文主要通過罰函數(shù)法解決樁土接觸問題。在樁接觸建模中，接觸定義及其基本模型是需要解決的主要問題[2]。將剛度高的表面作為主控制表面，剛度較低的表面則作為次表面。 如果兩個表面剛度相同，則選擇更硬的網(wǎng)格作為主表面。表面控制原理是選擇樁面作為主要控制面，并選擇土壤表面作為子表面。使用剛性接觸方法確定接觸表面的法向作用，使用庫侖摩擦模型確定接觸表面的切向作用，并通過確定接觸面之間的摩擦系數(shù)來模擬接觸面之間的摩擦性能。根據(jù)經(jīng)典庫侖摩擦模型，當?shù)刃Σ亮棣觘q=τ21+τ22，如果應力小于臨界TCRIT[3]，則不會發(fā)生滑動。在分析樁與地面接觸時，采用了考慮樁與地面接觸影響的有限元方法。選擇樁與地面接觸的庫侖摩擦力，并根據(jù)tanφ估計摩擦力系數(shù)。

有限網(wǎng)格模型是數(shù)值模擬的關(guān)鍵。網(wǎng)格通過分割技術(shù)（網(wǎng)格展開）生成，所有類型元素都是用于軸對稱的CAX4 元素。網(wǎng)格分為3 個種子向樁徑方向，垂直放置密度為0.5 的全局種子，然后將土壤沿徑向放置在網(wǎng)格垂直線上的距離為2/2.5（軸越遠，頻率越低），種子總密度為2。樁兩側(cè)水平方向自由度的測定為0，鉆孔樁長103 m，直徑為2.5 m，材料為混凝土C30，彈性模量30 000 MPa，泊松系數(shù)0.2。高壓水泥樁長18.7 m，直徑1.0 m，材料為普通硅酸鹽水泥PO 32.5，彈性模量10 000 MPa，抓地力0.4 kPa，摩擦系數(shù)為0.58，泊松系數(shù)為0.2，根據(jù)勘探報告選擇土壤參數(shù)。

3.1.3 數(shù)值分析模型的驗證

建立的數(shù)值模型用于計算單個單元的垂直荷載。同時計算了摩擦樁垂直承載力的容許值和垂直樁中單柱的理論荷載，對方向和兩個值進行比較，驗證模型的正確性，保證計算結(jié)果的可靠性。按值計算荷載—沉降曲線，適當荷載下樁頂允許吃水0.04 m。無鋼筋樁單根承載力極限為29.94×103 kN，理論值相差不大，驗證了數(shù)值分析模型的可靠性。

3.2 數(shù)值分析方法

使用有限元模型，通過逐步增加設計負載，可以對非對稱解等開關(guān)進行非線性分析。計算在給定的步數(shù)后停止。主要包括兩個步驟。

（1）自行確定荷載步長，并按計算值輸入樁土自重程序。

（2）確定初始應力場上的荷載跳躍，以平衡地面重量產(chǎn)生的應力，也稱為初始應力均衡。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 樁的側(cè)向摩擦阻力分布特征

當樁與樁周圍的土壤相互作用時，樁與地面之間會產(chǎn)生摩擦，樁頂?shù)拇怪焙奢d會通過摩擦傳遞到樁附近的土壤中。采用有限元方法時，考慮樁土接觸的影響及樁土界面的摩擦力特性，提取高壓旋轉(zhuǎn)樁與地面接觸時樁土摩擦庫侖效應、樁土摩擦系數(shù)。樁—樁摩擦系數(shù)為0.58，具有樁—土側(cè)摩擦特性，樁頂相對位移最大，摩擦阻力最小。樁端相對位移能在一定程度上反映摩擦阻力。隨著負荷的增加，整個樁長最終產(chǎn)生摩擦阻力。通過對模型的比較和分析，結(jié)果表明植入樁長度范圍內(nèi)的摩擦力變化顯著。

3.3.2 設計載荷曲線結(jié)果

可以用靜荷載法分析和確定單樁的垂直承載能力。靜態(tài)加載方法包括在高壓樁頂上逐漸疊加軸向載荷，直至達到破壞形式，并在試驗過程中針對不同時間的每種荷載進行頂樁沉降測量，根據(jù)曲線特性的變化確定承載力。針對急降坡度荷載曲線，選擇曲線上的急降起始點。因此，在高壓樁基礎上確定極限承載力時，如果曲線具有陡落點，則將與落點相對應的荷載作為高壓樁基礎的極限荷載。如果曲線變慢、變型及無明顯落點，則根據(jù)樁吃水不大于0.04 ～0.06 m 的原理，以高壓旋轉(zhuǎn)樁吃水對應荷載為荷載極限。高壓樁基礎沉降曲線變化緩慢。根據(jù)確定高壓旋噴樁基礎極限承載力的原理，以高壓旋噴樁樁頂沉降量為0.04 m 時的相應承載力為高壓旋噴樁基礎的極限承載力。

4 結(jié)語

研究數(shù)據(jù)表明，高壓旋噴樁施工方法具有環(huán)保污染小、操作簡便、安全可控的優(yōu)勢。加固軟質(zhì)地基、粉土、粉質(zhì)黏土、沙層、黏土整體擾動層的優(yōu)勢較為明顯，可以廣泛應用于公路、橋梁隧道、房建地基、市政基坑等復雜條件的地基基礎樁型以及加固項目的同類環(huán)境中。