何大為 楊建輝 張康榮 張帥 劉夢冉

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100000；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500)

高壓旋噴樁施工產(chǎn)生超孔隙水壓力的理論解常用的方法是Vesic法[1][2]，廣泛應(yīng)用的有限元等數(shù)值仿真方法也應(yīng)用于高壓旋噴樁的施工模擬。兩種方法提高了工程師對這一問題的認(rèn)識(shí)，但是由于涉及較多的假設(shè)，結(jié)果總不令人滿意。同時(shí)，研究者注意到現(xiàn)場試驗(yàn)是一種較好的揭示高壓旋噴樁施工產(chǎn)生地基土位移和超孔隙水壓力的手段，但因現(xiàn)場試驗(yàn)花費(fèi)較高，至今所見有關(guān)試驗(yàn)較少。

本文依托廣東省江門市某舊路拓寬工程的軟土地基加固項(xiàng)目，研究了高壓旋噴樁施工過程中高壓噴射漿液對地基土影響范圍的現(xiàn)場試驗(yàn)，分析了高壓噴射漿液引起的軟土地基土位移規(guī)律與超孔隙水壓力在軟土地基中的傳播規(guī)律，確定了高壓噴射漿液對軟土地基的影響范圍。

一、現(xiàn)場試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)現(xiàn)場土質(zhì)條件與旋噴樁施工參數(shù)

試驗(yàn)場地選在江門市某舊路拓寬工程zfk52+970～zfk53+040標(biāo)段。在詳細(xì)勘察現(xiàn)場試驗(yàn)區(qū)后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場的土質(zhì)主要為3層：素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土，3個(gè)土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)的高壓旋噴樁樁長12m，直徑0.5m，穿過素填土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，且打入粉質(zhì)黏土層2m，施工參數(shù)如表2所示。

（二）監(jiān)測測點(diǎn)布置及傳感器參數(shù)

該試驗(yàn)的監(jiān)測位置平面布置圖和每個(gè)監(jiān)測位置處傳感器的布置圖，如圖1和圖2所示。其中S1、S2、S3、S4、S5、S6和S7代表7個(gè)監(jiān)測位置，在每個(gè)監(jiān)測位置沿深度方向放置3個(gè)孔隙水壓力傳感器和3個(gè)固定測斜傳感器，分別距離地面1.5m、4.5m和7.5m?？紫端畨毫蜏y斜傳感器主要是監(jiān)測高壓旋噴樁施工時(shí)在素填土層和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中引起的超孔隙水壓力和位移的變化。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 現(xiàn)場試驗(yàn)施工參數(shù)

現(xiàn)場使用的監(jiān)測超孔隙水壓力的傳感器是SK-KYJ型振弦式孔隙水壓力傳感器，測量范圍為0.2MPa～0.4MPa。測讀超孔隙水壓力的規(guī)則是：注漿前測讀初始孔隙水壓力值，注漿過程中當(dāng)注漿管每提升4m記錄一次孔隙水壓力值。

圖1 監(jiān)測傳感器平面布置圖

圖2 監(jiān)測傳感器剖面布置圖

水平位移監(jiān)測采用了ZCT-CX300-S230傾角傳感器和GPRS遠(yuǎn)程數(shù)采系統(tǒng)，每隔1min自動(dòng)記錄一次測斜儀的傾角數(shù)據(jù)。

二、試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）高壓噴射注漿產(chǎn)生的地基土水平位移變化規(guī)律分析

1.高壓噴射注漿過程中地基土的水平位移變化規(guī)律

為了揭示高壓噴射注漿情況下地基土的位移特性，在分析S1至S7處傾斜傳感器采集的數(shù)據(jù)后得出水平位移與時(shí)間的關(guān)系，如圖3所示，其中未包含施工的高壓旋噴樁與監(jiān)測位置距離大于8m的S5至S7的監(jiān)測數(shù)據(jù)，原因是在S5、S6、S7的監(jiān)測位置，高壓旋噴樁施工引起的地基土水平位移較小。

圖3 影響范圍內(nèi)測點(diǎn)土體水平位移監(jiān)測時(shí)程曲線

如圖3所示，在高壓噴射漿液的作用下，所有監(jiān)測點(diǎn)的位移均表現(xiàn)為初始時(shí)地基土的位移，幾乎是線性快速增加，之后位移與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)入非線性增長階段，最后位移幾乎不隨時(shí)間變化，即位移隨時(shí)間的變化可以分為快速的增長階段、緩慢的增加階段和最終的平穩(wěn)階段。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是：在初始快速增長階段，高壓旋噴樁的施工機(jī)械開始噴射高壓漿液，且高壓噴射的漿液引起地基土擠壓，這促使地基土產(chǎn)生急劇增加的水平位移；在緩慢增加階段，旋噴漿液的壓力雖保持不變，但地基土在初始階段已被擠壓，且擠壓后的地基土抗壓能力可以平衡部分噴射漿液的壓力，因此目前的噴射壓力只能使水平位移緩慢增加；在平穩(wěn)階段，地基土抗噴射壓力的能力與噴射壓力基本平衡，因此即使高壓旋噴樁仍在施工，但是位移幾乎保持不變。

如圖3所示，隨著高壓旋噴樁與監(jiān)測位置之間的距離增加，高壓旋噴樁施工引起的地基土位移隨時(shí)間的變化曲線也發(fā)生了一定變化。例如，旋噴樁與S1的距離是1m，與S4的距離是4m，從S1處到S4處，地基土的位移隨時(shí)間的變化曲線的圓順性逐漸降低，說明隨著高壓旋噴樁與監(jiān)測點(diǎn)距離增加，地基土對注漿壓力的耗散能力增強(qiáng)，當(dāng)兩者之間的距離達(dá)到4m時(shí)，位移隨時(shí)間變化關(guān)系曲線的圓順性已減弱。

2.高壓噴射注漿下地基土的最大水平位移衰減規(guī)律

在高壓噴射注漿下，地基土的最大水平位移隨旋噴樁與監(jiān)測點(diǎn)距離的衰減規(guī)律是控制高壓旋噴樁影響范圍的重要參數(shù)之一。

隨著高壓旋噴樁與測點(diǎn)的水平距離增加，地基土的位移不斷衰減。當(dāng)高壓旋噴樁與測點(diǎn)的水平距離在1m～6m范圍內(nèi)，且在同一土體埋深下，其衰減規(guī)律可近似用對數(shù)衰減曲線描述；當(dāng)旋噴樁與測點(diǎn)的水平距離在8m～12m范圍內(nèi)時(shí)，深度在1.5m、4.5m和7.5m處的最大水平位移均小于0.5mm?？紤]到高壓旋噴樁施工對臨近周邊構(gòu)筑物的影響，可以認(rèn)為0.5mm的位移對臨近周邊構(gòu)筑物的安全性不產(chǎn)生影響，由此可以得到在該類土質(zhì)和土層條件下，高壓旋噴樁單樁施工的影響范圍約為6m。

3.高壓噴射注漿下地基土的最大水平位移沿埋深的變化規(guī)律

高壓旋噴樁施工階段地基土位移沿深度變化的規(guī)律是，在高壓旋噴樁施工過程中，地基土產(chǎn)生的最大水平位移隨埋深增加而逐漸減少，且隨旋噴樁與測點(diǎn)水平距離的增加而減小。當(dāng)旋噴樁與測點(diǎn)的距離在4m～6m之間，地基土的水平位移與埋深的關(guān)系近似線性變化，但是當(dāng)距離在1m～3m之間，地基土的水平位移與埋深近似呈非線性關(guān)系。這一結(jié)果似乎揭示了當(dāng)旋噴樁與監(jiān)測點(diǎn)的距離小于3m時(shí)，在高壓噴射漿液的作用下，土體發(fā)生了塑性變形，但是在近地面產(chǎn)生的塑性變形大，遠(yuǎn)離地面產(chǎn)生的塑性變形小。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是遠(yuǎn)離地面所受的圍壓較大，因此產(chǎn)生的塑性變形小，反之亦然。

（二）高壓噴射注漿產(chǎn)生的地基土中超孔隙水壓力變化規(guī)律分析

1.高壓噴射注漿過程中地基土的超孔隙水壓力變化規(guī)律

高壓噴射注漿過程中地基土中超孔隙水壓力的變化，如圖4所示，可知在100min范圍內(nèi)，超孔隙水壓力出現(xiàn)快速增長階段、增長平緩階段和減小階段?？焖僭鲩L階段出現(xiàn)在高壓旋噴樁施工的開始階段，這一階段地基土中的靜水壓力較小，而高壓噴射注漿一方面迅速使地基土中的超孔隙水壓力增加，同時(shí)地基土的擠壓作用進(jìn)一步提高了超孔隙水壓力的數(shù)值；增長平緩階段位于施工的中期，此時(shí)地基土中的超孔隙水壓力已經(jīng)較高，雖然高壓噴射注漿仍然在持續(xù)，但是已存在的超孔隙水壓力平衡了部分噴射壓力，因此超孔隙水壓力的增量變?。粶p小階段位于施工結(jié)束后，此時(shí)由于地基中的超孔隙水壓力較高，又由于旋噴樁施工已經(jīng)結(jié)束，所以發(fā)生了土體固結(jié)與超孔隙水壓力消散；另一方面，旋噴樁施工時(shí)是旋噴管自下而上的提升過程，在這一過程中噴射壓力保持不變，但是隨著注漿管提升到接近地面，需要適當(dāng)減小噴射壓力，因?yàn)榻咏孛娴纳细矇毫^小，過大噴射壓力易產(chǎn)生冒漿，其次當(dāng)注漿管提升到接近地面時(shí)，漿液會(huì)從孔口流出，這會(huì)耗散噴射流攜帶的能量。以上即是超孔隙水壓力的幅值降低的原因。

圖4 單樁時(shí)不同深度各個(gè)測點(diǎn)超孔隙水壓力隨時(shí)間變化

圖5 超孔隙水壓力 隨水平距離變化

2.高壓噴射注漿中地基土的最大和殘余超孔隙水壓力衰減規(guī)律

如圖5所示，當(dāng)旋噴樁施工時(shí)，距旋噴樁越近，則產(chǎn)生的超孔隙水壓力越大，該規(guī)律與埋深無關(guān)，也與一般的理解一致，即超孔隙水壓力隨傳播距離的增加存在明顯的衰減現(xiàn)象。如果認(rèn)為當(dāng)最大超孔隙水壓力小于5kPa就可忽略其對周邊土體的影響，在水平距離達(dá)到6m時(shí)，超孔隙水壓力達(dá)到5kPa，即旋噴樁施工引起的超孔隙水壓力的影響范圍是12倍的樁徑。

針對從不同深度測得的超孔隙水壓力，最大超孔隙水壓力值出現(xiàn)在4.5m深度處，而未出現(xiàn)在深度為1.5m和7.5m處，其原因可能是：相對于4.5m和7.5m，1.5m的埋深距地面較近，因此具有較強(qiáng)烈的超孔隙水壓力逸散效應(yīng)，這造成了1.5m處的最大超孔隙水壓力值較??；在高壓旋噴樁施工時(shí)，注漿管隨施工時(shí)間的增加而逐漸提升，在這一過程中前期施工產(chǎn)生的超孔隙水壓力會(huì)向后期施工點(diǎn)傳遞，這可能是在4.5m埋深處出現(xiàn)最大超孔隙水壓力值的重要原因。

無論最大超孔隙水壓力還是殘余超孔隙水壓力，兩者均幾乎相同地隨水平距離的增加，而超孔隙水壓力減小，但僅比較100min內(nèi)的變化規(guī)律可知，最大超孔隙水壓力比殘余超孔隙水壓力大約40%，說明超孔隙水壓力的消散較快。

3.地基土中超孔隙水壓力消散過程

旋噴樁施工結(jié)束后，相對于施工期間的最大超孔隙水壓力，靜止1天，超孔隙水壓力的消散率分布于60%～80%之間；靜止2天，消散率稍有增大，集中分布于80%～100%之間。超孔隙水壓力前期與后期的消散速率的差異，主要還在于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中可能發(fā)生的水裂現(xiàn)象，即在透水能力很差的地基土中，高壓噴射的漿液會(huì)對土體產(chǎn)生擠壓作用，大的噴射能量會(huì)使得土體產(chǎn)生水裂現(xiàn)象，而水裂現(xiàn)象對超孔隙水壓力的消散有顯著的影響，因?yàn)橥馏w中產(chǎn)生的裂縫為超孔隙水壓力的消散提供了良好的通道，當(dāng)超孔隙水壓力消散至一定水平后，裂縫逐漸閉合，排水通道再次堵塞，超孔隙水壓力的消散又將趨于緩慢。

對于上部的素填土，其超孔隙水壓力消散率遠(yuǎn)高于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，在靜止1天后其消散率達(dá)到80%以上，靜止2天后消散率基本在90%以上。

三、結(jié)語

通過在江門市某舊路拓寬工程中開展的高壓旋噴樁現(xiàn)場試驗(yàn)，獲得了在高壓噴射漿液作用下地基土的位移、超孔隙水壓力的變化規(guī)律，通過研究得到以下結(jié)論：

在高壓噴射漿液作用下，地基土的位移分為快速增加階段、緩慢增加階段和平穩(wěn)階段，但是對于超孔隙水壓力則可分為快速增長階段、緩慢增加階段和減小階段。不論地基土中的位移還是地基土中的超孔隙水壓力均隨旋噴樁與監(jiān)測點(diǎn)的距離增加而減小。

無論從地基土的位移還是地基土中的超孔隙水壓力變化規(guī)律可得到，高壓旋噴樁施工的影響半徑約為6m，也約為12倍的樁徑。與多個(gè)超孔隙水壓力理論計(jì)算結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)按照現(xiàn)場試驗(yàn)確定的高壓旋噴樁施工的影響半徑約為2倍的理論計(jì)算方法可得到塑性區(qū)半徑，這為確定塑性區(qū)半徑提供了一個(gè)新方法。

對于該研究場地，若從超孔隙水壓力的消散情況看，施工結(jié)束至少1.5天后，才可忽略高壓旋噴樁施工引起的超孔隙水壓力影響，若要連續(xù)施工高壓旋噴樁，則必須要考慮前期施工產(chǎn)生的超孔隙水壓力影響。