鮮李 姚博

摘 要：以某市政道路項(xiàng)目為實(shí)例，闡述了普通圓形支護(hù)樁在深厚填土質(zhì)斜坡實(shí)施過程中遇到的剛度不足及塌孔等問題，提出了一種較為穩(wěn)定可靠的高壓旋噴圓形復(fù)合支護(hù)樁。該結(jié)構(gòu)主要由高壓旋噴復(fù)合土及鋼筋混凝土圓形支護(hù)樁組成，為樁土復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，由高壓旋噴固結(jié)體及圓形支護(hù)樁一起承擔(dān)水平土壓力，具有防止垮孔，提高支護(hù)樁剛度及樁周土體物理力學(xué)指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。在分析復(fù)合型支護(hù)樁受力特征基礎(chǔ)上，通過理論推導(dǎo)，得到樁截面剛度提高公式。應(yīng)用結(jié)果表明：采用高壓旋噴型圓形復(fù)合支護(hù)樁可以有效提高樁身剛度，減小支護(hù)樁使用階段水平位移，同時(shí)解決了樁基施工過程中垮孔問題，對(duì)填土斜坡上的支護(hù)樁有一定的普適性。

關(guān)鍵詞：深厚填土質(zhì)斜坡；垮孔；高壓旋噴復(fù)合支護(hù)樁；樁身剛度

Application of high pressure rotary jetting circular composite support pile in deep fill soil slope engineering

XIAN Li1，2， YAO Bo1，2

（1.Chongqing Survey Institute， Chongqing 401120， China；

2.Technology Innovation Center for Spatio-Temporal Information and Equipment of Intelligent City， Ministry of

Natural Resources， Chongqing 401120， China）

Abstract： This article takes a municipal road project as an example to illustrate the problems of insufficient stiffness and hole collapse encountered by ordinary circular support piles during the implementation of deep fill soil slopes. A relatively stable and reliable high-pressure rotary jet grouting circular composite support pile is proposed. This structure is mainly composed of high-pressure rotary jet composite soil and reinforced concrete circular support piles. It applies high-pressure rotary jet consolidated body and circular support piles to bear horizontal soil pressure and has the advantages of preventing hole collapse， improving the stiffness of the support pile， and improving the physical and mechanical indicators of the soil around the pile. Based on the analysis of the mechanical characteristics of the composite support piles， a formula for increasing the stiffness of the pile section is obtained through theoretical derivation. Practical engineering applications have shown that high-pressure rotary jet grouting circular composite support piles can effectively improve the stiffness of the pile body， reduce the horizontal displacement of the support pile， and solve the problem of hole collapse during pile foundation construction. This can be applied to almost all support piles on fill slopes.

Keywords： deep fill soil slope; hole collapse; high pressure rotary jet composite support pile; pile stiffness

深厚填土質(zhì)斜坡主要為人工回填形成，其成分較為復(fù)雜，一般其主要成分為黏土、碎石、破碎的大粒徑巖石塊體等組成。人工填土受填料來(lái)源、施工工藝等因素影響，其內(nèi)部土石比例不均勻，密實(shí)度差異大，各項(xiàng)因素均直接導(dǎo)致了黏聚力和內(nèi)摩擦角參數(shù)普遍較低（孫劍平等，2012），無(wú)法直接作為工程的持力層，在后期進(jìn)行工程建設(shè)過程中，需對(duì)人工填土進(jìn)行處理。

目前，在深厚填土場(chǎng)地進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，道路支護(hù)工程設(shè)計(jì)采用的主要結(jié)構(gòu)形式為樁基礎(chǔ)，然而對(duì)于深度超過20 m的填土場(chǎng)地，地下易存在有毒氣體、地下水等不利影響，若采用人工挖樁，通風(fēng)換氣困難，進(jìn)度遲緩，且不可控因素較多，施工安全性差，目前深厚填土段樁基礎(chǔ)施工普遍采用機(jī)械干法成孔（郭兆勝，2022）。因人工填土內(nèi)部成分復(fù)雜，且局部可能存在孤石架空，樁基在采用機(jī)械旋挖過程中極易發(fā)生垮孔等工程問題（楊華等，2023；金永等，2005），低標(biāo)號(hào)混凝土回灌工藝處治垮孔費(fèi)用較高（林君，2020）。

本文以某市政道路項(xiàng)目為實(shí)例，為處理圓形支護(hù)樁施工期間垮孔，提高樁身永久性剛度，提出了一種高壓旋噴圓形復(fù)合支護(hù)樁，并對(duì)其截面剛度提高公式進(jìn)行了探討。通過工程實(shí)例與傳統(tǒng)的圓形支護(hù)樁相比，高壓旋噴圓形復(fù)合支護(hù)樁可有效減小支護(hù)樁使用階段水平位移。

1 ?普通支護(hù)樁在深厚填土質(zhì)斜坡中的運(yùn)用難點(diǎn)

深厚填土通常為人工活動(dòng)過程中無(wú)序堆填形成，內(nèi)部成分復(fù)雜，土體結(jié)構(gòu)普遍較為松散，在支護(hù)樁成孔過程中樁周可見孤石及坑洼，孔壁表面凹凸不平。樁基機(jī)械旋挖成孔主要為依靠施加壓力的鉆頭多次旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)土體，通過鉆頭端部的容器將孔內(nèi)土體帶出孔外，整個(gè)成孔過程需多次提升鉆桿，多次鉆進(jìn)土體。在旋挖機(jī)的多次鉆進(jìn)擾動(dòng)下，原本已成孔的凹凸不平的樁孔表面極易發(fā)生垮孔，表面極為不平整，如圖1所示。

支護(hù)樁主要為依靠樁周土體提供的橫向地基抗力抵抗樁后土壓力，受填土內(nèi)部構(gòu)成因素影響，其抗剪強(qiáng)度較低，提供的抗力較為有限，尺寸較小的支護(hù)樁極易發(fā)生移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)，樁頂位移超標(biāo)。人工填土因內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，存在孤石架空（李國(guó)輝，2019；胡子勤，2018；龐元志，2014），樁身使用錨索效果不佳，單一的懸臂樁計(jì)算時(shí)通常需要采用尺寸較大的支護(hù)樁，大直徑的支護(hù)樁在實(shí)施過程中極易出現(xiàn)垮孔等工程問題，垮孔的處治將不可避免地增加樁基成孔二次費(fèi)用。由此可見，傳統(tǒng)的圓形鋼筋混凝土支護(hù)樁在深厚填土質(zhì)斜坡中使用存在一定的難點(diǎn)及不足。

2 ?高壓旋噴型圓形復(fù)合支護(hù)樁構(gòu)造及施工方法

高壓旋噴型圓形復(fù)合支護(hù)樁主要由圓形支護(hù)樁樁身縱向主筋及橫向箍筋、高壓旋噴復(fù)合土固結(jié)體等組成，如圖2所示。圓形鋼筋混凝土支護(hù)樁施工前，先對(duì)樁周填土層在地表采用高壓旋噴注漿加固（馬赟，2022），增加人工填土層的固結(jié)度。高壓旋噴是在較大壓力下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式噴射注漿，高壓水泥漿液及水玻璃等漿液對(duì)人工填土產(chǎn)生很大的旋轉(zhuǎn)式攪動(dòng)作用，使注入的漿液和人工填土層拌合凝固為高壓旋噴注漿復(fù)合土固結(jié)體（龍剛等，2010）。高壓旋噴處理后的固結(jié)體可為后期圓形樁基成孔形成較為有效的圓形保護(hù)空間，有效防止其內(nèi)部圓形鋼筋混凝土樁身成孔過程中的垮孔。

高壓旋噴質(zhì)量受到場(chǎng)地地質(zhì)條件、旋噴壓力（何大為等，2022）、水泥用量、旋噴樁布置、旋噴過程中鉆桿鉆速、施工工藝等多要素影響，高壓旋噴壓力直接影響對(duì)周邊土體的擠壓力，從而決定漿液滲透范圍（徐華等，2023；徐至鈞等，2004；張艷芳等，2022；任貴生，2023）。故在大面積施工前，應(yīng)提前開展試驗(yàn)段施工，根據(jù)所處場(chǎng)地的地質(zhì)條件綜合選擇注漿壓力、水泥用量、水玻璃用量、旋噴樁長(zhǎng)等參數(shù)，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)施工地質(zhì)勘察，確定較為準(zhǔn)確的巖土層分界線，從而指導(dǎo)施工。

高壓旋噴處理完成后，通過坐標(biāo)定位在高壓旋噴注漿復(fù)合土固結(jié)體內(nèi)部采用旋挖機(jī)施工鋼筋混凝土部分樁孔，此時(shí)樁基成孔過程中因受到復(fù)合土固結(jié)體的保護(hù)，一般不會(huì)發(fā)生塌孔。樁基成孔后，投放樁身鋼筋籠體系，投放過程中不斷調(diào)整鋼筋籠姿態(tài)，保持鋼筋籠豎直，隨后澆筑樁基混凝土，完成內(nèi)部鋼筋混凝土樁的施工。鋼筋混凝土樁施工完成后，可與周邊的高壓旋噴復(fù)合土固結(jié)體共同受力，形成了一種鋼筋混凝土與高壓旋噴結(jié)合的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度。

由上述可知，高壓旋噴型圓形復(fù)合支護(hù)樁采用高壓旋噴固結(jié)體形成樁孔保護(hù)體，可防止垮孔，同時(shí)施工完成后的鋼筋混凝土樁與樁周的高壓旋噴固結(jié)體共同承擔(dān)樁后土壓力，提高了樁身的穩(wěn)定性，可達(dá)到工程所需效果。

3 ?高壓旋噴型圓形復(fù)合支護(hù)樁受力特征

3.1 ?樁身內(nèi)力計(jì)算方法

深厚填土主要成分為黏土、碎石、破碎的大粒徑巖石塊體等，滲透性較大，樁背后的土壓力按照三角形分布。因填土參數(shù)較低，樁底按照自由支承考慮，樁身錨固段水平地基系數(shù)k=m·h，其中m為非巖石地基水平向抗力系數(shù)的比例系數(shù)（JTG 3363－2019），h代表樁身計(jì)算點(diǎn)的埋置深度，水平地基系數(shù)隨著樁基埋深的增加而線性比例增加。高壓旋噴型圓形復(fù)合支護(hù)樁為圓形鋼筋混凝土樁與高壓旋噴固結(jié)體的復(fù)合型支護(hù)結(jié)構(gòu)，復(fù)合支護(hù)樁受力狀態(tài)呈現(xiàn)類豎向的懸臂梁，錨固段按照由土體抗力系數(shù)連續(xù)支承的地基梁進(jìn)行計(jì)算，樁身覆土段類似連續(xù)支承的豎向地基梁，復(fù)合支護(hù)樁橫斷面布置及土壓力分布如圖3所示。

3.2 ?計(jì)算方法探討

假定鋼筋混凝土部分樁身截面面積為Ac，彈性模量為Ec，高壓旋噴固結(jié)體截面積為Ae，彈性模量為按照剛度等效原則，得到高壓旋噴型復(fù)合支護(hù)樁折算為鋼筋混凝土部分樁身的等效面積Ade。

A_de=（E_c·A_c+E_e·A_e）/E_c

其中，因填土成分及旋噴工藝等因素影響，高壓旋噴固結(jié)體的彈性模量Ee宜通過載荷試驗(yàn)確定。得到高壓旋噴型復(fù)合支護(hù)樁等效面積后，可直接采用常用的巖土設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析計(jì)算。因等效面積大于鋼筋混凝土部分樁身截面面積，故在輸入鋼筋保護(hù)層時(shí)，應(yīng)按照鋼筋實(shí)際的保護(hù)層進(jìn)行輸入。

4 ?工程實(shí)例分析

某市政道路工程所處區(qū)域?yàn)樯詈裉钔临|(zhì)斜坡地貌，人工填土普遍較厚，勘察揭露厚度最深處約50 m，土體結(jié)構(gòu)松散—中密，下伏基巖主要為沙溪廟組砂巖及泥巖互層，其中砂巖強(qiáng)度較高，泥巖強(qiáng)度稍低。根據(jù)勘察提供的土體物理力學(xué)參數(shù)，土體黏聚力5 kPa，內(nèi)摩擦角28°，水平方向比例系數(shù)m為8 kN·m-4，本項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)采用直徑1.8 m的鋼筋混凝土支護(hù)樁，樁中心距3.0 m，樁身混凝土強(qiáng)度C35，支護(hù)樁懸臂長(zhǎng)度10 m，樁身全長(zhǎng)25 m，前期設(shè)計(jì)過程中樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及位移計(jì)算均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

1）施工期間出現(xiàn)的問題

項(xiàng)目施工過程中直徑1.8 m的普通鋼筋混凝土支護(hù)樁鉆進(jìn)時(shí)垮孔較為嚴(yán)重，采用C20低標(biāo)號(hào)混凝土回灌后，樁身下部鉆進(jìn)時(shí)再次垮孔，樁孔周邊土體存在不同程度掏空。用低標(biāo)號(hào)混凝土回灌處理塌孔，受混凝土齡期影響，施工周期長(zhǎng)，且1根樁基在不同深度出現(xiàn)多次垮孔，周邊的市政道路產(chǎn)生了一定的豎向位移。

2）方案調(diào)整

為解決垮孔問題，改善支護(hù)樁受力狀況，擬修改為高壓旋噴型復(fù)合支護(hù)樁進(jìn)行支擋，可解決支護(hù)樁垮孔問題，同時(shí)高壓旋噴固結(jié)體可提高支護(hù)樁樁身剛度。鋼筋混凝土部分樁基直徑及樁中心距維持原設(shè)計(jì)不變，沿著直徑1.8 m鋼筋混凝土樁的樁周外邊線均勻布置直徑65 cm的高壓旋噴固結(jié)體，旋噴固結(jié)體之間搭接長(zhǎng)度按照15 cm控制，樁周合計(jì)布置14根直徑65 cm的高壓旋噴固結(jié)體。在確定方案后，項(xiàng)目在大規(guī)模實(shí)施前采用試樁的方式進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)得高壓旋噴固結(jié)體的彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值為3 000 MPa。

根據(jù)固結(jié)體彈性模量，支護(hù)樁等效面積計(jì)算如下：

A_de=（3 000×12×0.331+31 500×2.54）/（31 500）=2.92 m^2，

其中考慮高壓旋噴體有一定搭接長(zhǎng)度，故計(jì)算時(shí)扣除搭接長(zhǎng)度，按照12根直徑65 cm的高壓旋噴固結(jié)體計(jì)算。按照面積換算后，高壓旋噴型復(fù)合支護(hù)樁等效直徑約為192.6 cm。采用等效直徑進(jìn)行計(jì)算后，高壓旋噴型復(fù)合支護(hù)樁樁身內(nèi)力及位移計(jì)算結(jié)果如表1所示。

3）與傳統(tǒng)的圓形鋼筋混凝土支護(hù)樁對(duì)比

由于填土的地基強(qiáng)度限制，在對(duì)傳統(tǒng)的圓形鋼筋混凝土支護(hù)樁周邊進(jìn)行高壓旋噴圍護(hù)后，樁身受到的內(nèi)力不會(huì)發(fā)生明顯變化。但高壓旋噴型復(fù)合支護(hù)樁樁身的剛度提高后，通過巖土計(jì)算軟件得到的樁頂水平位移降低約16%，可有效減小樁基施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，同時(shí)高壓旋噴固結(jié)體的先行實(shí)施避免了圓形鋼筋混凝土支護(hù)樁成孔過程中的垮孔問題。

4）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

在項(xiàng)目前期，監(jiān)測(cè)單位對(duì)項(xiàng)目周邊的主要控制建筑及道路等均進(jìn)行了布點(diǎn)，做到施工期間全過程監(jiān)測(cè)，同時(shí)在樁前土體開挖及雨季等時(shí)間節(jié)點(diǎn)均加密了監(jiān)測(cè)頻率。在項(xiàng)目實(shí)施的75 d后，對(duì)樁前土體進(jìn)行了開挖，在施工至120 d時(shí)，樁身及周邊環(huán)境豎向變形得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可知，樁身產(chǎn)生最大水平位移的階段位于樁前土體開挖的階段，同時(shí)可看出在采用高壓旋噴固結(jié)體先行固結(jié)圓形鋼筋混凝土支護(hù)樁周后，樁身剛度有一定的提高，在施工至120 d時(shí)，樁頂水平位移最大值為36 mm，實(shí)測(cè)樁頂位移小于理論計(jì)算得到的樁頂位移值，表明此類結(jié)構(gòu)對(duì)此類地層有一定的適用性。

在圓形鋼筋混凝土樁身施工完成后，按照規(guī)范要求對(duì)樁身進(jìn)行了完整性檢測(cè)，并采用超聲波對(duì)復(fù)合樁進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)高壓旋噴固結(jié)體與鋼筋混凝土支護(hù)樁部分銜接緊密，無(wú)較大空洞，結(jié)構(gòu)可共同受力，協(xié)調(diào)變形。檢測(cè)結(jié)論表明樁身完整性較好，滿足規(guī)范的各項(xiàng)要求。

5 ?結(jié)論

1）本文從實(shí)際工程出發(fā)，分析了傳統(tǒng)的圓形鋼筋混凝土支護(hù)樁實(shí)施過程中存在的難點(diǎn)及不足，提出了高壓旋噴型圓形復(fù)合支護(hù)樁，闡述其構(gòu)造及受力模式。

2）對(duì)理論推導(dǎo)出的復(fù)合樁面積進(jìn)行等效后，可采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件及理論進(jìn)行計(jì)算分析，通過工程實(shí)例應(yīng)用可知，在復(fù)合樁實(shí)施完成后，樁頂水平位移小于傳統(tǒng)的圓形鋼筋混凝土支護(hù)樁，水平位移減小幅度約16%。

3）高壓旋噴型圓形復(fù)合支護(hù)樁為樁土復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，可避免鋼筋混凝土樁的樁孔垮孔等問題。復(fù)合樁實(shí)施完成后，高壓旋噴固結(jié)體與圓形鋼筋混凝土支護(hù)樁共同受力，協(xié)調(diào)變形，提高了樁身剛度，對(duì)于深厚填土質(zhì)場(chǎng)地下的支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定的普適性。

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