高壓旋噴樁作為承載樁技術(shù)在水利工程閘基礎(chǔ)中的應(yīng)用

鄭 偉，曹寶海

(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

1 工程概況

淜頭水電站位于山西省平順縣濁漳河下游新安至耽車河谷段，水庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容441萬m3，水電站設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為2400kW。本區(qū)地形地貌主要為剝蝕構(gòu)造中山區(qū)與山前洪沖積、洪積區(qū)，位于呂梁太行斷塊的東南部。地層總體為NW向傾斜的單斜構(gòu)造。地下水分為碳酸鹽巖類溶裂隙水和松散巖類孔隙水兩種類型，多由兩岸向溝谷流動(dòng)。

閘址位于北耽車上游濁漳河上。閘址地區(qū)高程588～910m，閘址段河谷平坦寬闊，寬190m，左岸岸坡較緩，右岸較陡。河流兩岸發(fā)育I、II級(jí)堆積階地，依據(jù)巖體工程地質(zhì)特征將巖基劃分成7個(gè)巖組。河谷常年流水，河床高程588.0～596m，河水位高程588m左右。河漫灘覆蓋層具中等透水性。壩基基巖表層強(qiáng)風(fēng)化層為中～強(qiáng)透水性巖體，弱風(fēng)化及新鮮基巖，透水性較弱。本工程粉質(zhì)黏土層厚度為1.5～12m，黏土黏性較大，切面光滑，有光澤，干密度較大，且干強(qiáng)度高，占到整個(gè)高壓旋噴樁施工區(qū)域面積的1/3。

2 高壓旋噴樁試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過試驗(yàn)確定機(jī)具性能及施工工藝中的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，包括漿液配比、旋噴參數(shù)、鉆桿旋轉(zhuǎn)和提升速度等。最終達(dá)到:地基采用高壓旋噴樁處理后，復(fù)合地基承載力特征值不小于250kPa;單樁豎向抗壓極限承載力不小于850kN(樁長(zhǎng)10～15m);單樁豎向抗壓極限承載力不小于1150kN(樁長(zhǎng)＞15m);樁體在黏土層中芯樣抗壓強(qiáng)度值不小于1.5MPa，樁體在砂卵石層中芯樣抗壓強(qiáng)度不小于3.0MPa。

2.2 第一次生產(chǎn)性試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)區(qū)域的選擇

高壓旋噴樁試驗(yàn)區(qū)選擇在高壓旋噴樁施工區(qū)下游側(cè)，即樁號(hào)滲0+62.332～滲0+66.142、壩下0+22.4～壩下0+20.2。試驗(yàn)樁數(shù)量為5根，呈梅花形布置，樁距2.2m，如圖1所示。

圖1 高壓旋噴樁試驗(yàn)樁孔

2.2.2 高壓旋噴樁試驗(yàn)樁的孔位參數(shù)

a.試驗(yàn)樁孔位參數(shù)

高壓旋噴樁試驗(yàn)的設(shè)計(jì)孔位參數(shù)見表1。

表1 高壓旋噴樁孔位參數(shù)

b.試驗(yàn)旋噴參數(shù)

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，并在保證施工質(zhì)量的前提下，依據(jù)相關(guān)的施工技術(shù)規(guī)范，高壓旋噴樁主要的旋噴試驗(yàn)參數(shù)擬采用以下5種，見表2。

表2 高壓旋噴樁試驗(yàn)參數(shù)一覽

2.2.3 開挖效果檢查

開挖后上部卵石層樁徑均超過1.0，但黏土層樁徑均未達(dá)到1.0m，且樁體噴射不均勻，原因是黏土層土質(zhì)密實(shí)、干強(qiáng)度高，噴管噴射不開。為解決黏土層樁徑問題，遂進(jìn)行了第二次生產(chǎn)性試驗(yàn)。

2.3 第二次生產(chǎn)性試驗(yàn)

圖2 黏土層高壓旋噴試驗(yàn)樁孔位布置

為使黏土層樁徑滿足要求，在保證施工質(zhì)量的前提下，擬采用10種不同參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)樁施工。分兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn):試驗(yàn)一區(qū)采用三管法，試驗(yàn)二區(qū)采用兩管法。以此確定在不同參數(shù)及不同施工工藝下樁徑能否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.1 兩管及三管孔位布置圖及孔位參數(shù)

試驗(yàn)樁孔位布置圖見圖2，旋噴試驗(yàn)參數(shù)見表3:

表3 高壓旋噴樁孔位參數(shù)

2.3.2 三管法噴漿方法

a.GP-34-7號(hào)孔黏土層鉆孔孔徑采用150mm，黏土層噴漿采用復(fù)噴方式，噴漿步驟如下:噴管下到設(shè)計(jì)孔深后開始卵石層噴漿，噴漿至卵石層與黏土層結(jié)合面，停止送漿，用高壓水按6cm/min的提升速度噴至計(jì)劃實(shí)噴樁頂高程，然后將噴管下放至停漿部位以下30cm，開始送漿，按8cm/min的提升速度噴至計(jì)劃實(shí)噴樁頂高程。

b.GP-34-8號(hào)孔噴漿方法同a，提升速度如表4所示。

c.GP-33-7號(hào)孔黏土層鉆孔孔徑采用150mm，噴漿采用單噴方式，噴漿步驟如下:噴管下到設(shè)計(jì)孔深后開始卵石層噴漿，噴至卵石層與黏土層結(jié)合面以下30cm，開始按5cm/min的提升速度噴至計(jì)劃實(shí)噴樁頂高程。

d.GP-32-7號(hào)孔孔噴漿方法同c，提升速度如表4所示。

e.GP-32-8號(hào)孔黏土層鉆孔孔徑采用110mm，噴漿方法同c，按7cm/min的提升速度噴至計(jì)劃實(shí)噴樁頂高程。

表4 三管高壓旋噴樁試驗(yàn)參數(shù)一覽

2.3.3 兩管法噴漿方法

兩管法試驗(yàn)參數(shù)如表5所示。

a.GP-34-2號(hào)孔黏土層鉆孔孔徑采用150mm，噴漿采用復(fù)噴方式，噴漿步驟如下:噴管下到設(shè)計(jì)孔深后開始卵石層噴漿，噴至卵石層與黏土層結(jié)合面，停止提升，將漿換成水，按6cm/min的提升速度噴至計(jì)劃實(shí)噴樁頂高程，然后將噴管下放至停漿部位以下30cm，再將水換成漿，按8cm/min的提升速度噴至計(jì)劃實(shí)噴樁頂高程。

b.GP-34-3號(hào)孔噴漿方法同a，提升速度見表5。

表5 高壓旋噴樁試驗(yàn)參數(shù)一覽

c.GP-33-2號(hào)孔黏土層鉆孔孔徑采用150mm，噴漿采用單噴方式，噴漿步驟如下:噴管下到設(shè)計(jì)孔深后開始卵石層噴漿，噴至卵石層與黏土層結(jié)合面以下30cm，開始按5cm/min的提升速度噴至計(jì)劃實(shí)噴樁頂高程。

d.GP-32-2號(hào)孔噴漿方法同 c，提升速度為7cm/min。

e.GP-32-3號(hào)孔黏土層鉆孔孔徑采用110mm，噴漿方法同d。

2.4 樁體開挖情況

試驗(yàn)樁施工結(jié)束后7天，開始試驗(yàn)一區(qū)、二區(qū)樁體開挖，開挖深度均為地面以下3m。卵石層中所有試驗(yàn)樁的有效樁徑均超過1m，而黏土層中試驗(yàn)一區(qū)開挖后有效樁徑93～110cm，樁體均勻性較好，強(qiáng)度較高;試驗(yàn)二區(qū)兩管開挖后有效樁徑80～90cm，樁體噴射不均勻，個(gè)別部位存在分層夾泥現(xiàn)象。從開挖結(jié)果來看，黏土層中采用“三管法”成樁好于“雙管法”。

2.5 試驗(yàn)參數(shù)確定

2.5.1 黏土層中試驗(yàn)參數(shù)確定

由開挖結(jié)果發(fā)現(xiàn)黏土層三管法成樁樁徑較大，確定黏土層的高噴樁采用“三管復(fù)噴法”旋噴的形式。為保證樁徑符合設(shè)計(jì)要求，確定黏土層開孔孔徑為150mm，而施工參數(shù)在GP-34-7參數(shù)基礎(chǔ)上有所調(diào)整，個(gè)別參數(shù)指標(biāo)有所降低，黏土層中水噴的提速由6cm/min降低至5cm/min;漿噴提速由8cm/min降低至7cm/min，漿液采用1∶1漿。施工參數(shù)見表6。

表6 最終黏土層(三管法)參數(shù)

續(xù)表

2.5.2 卵石層中施工參數(shù)確定

卵石層的施工參數(shù)按第一次生產(chǎn)性試驗(yàn)確定的卵石層施工參數(shù)施工，采用雙管法，但漿液由原來的1.3∶1變成 1.2∶1，即漿液密度由 1.42g/cm3，提高到1.45g/cm3，為確保施工質(zhì)量，最終卵石層施工參數(shù)如下表7。

表7 卵石層(雙管法)施工參數(shù)一覽

2.5.3 卵石層間黏土層施工參數(shù)確定

卵石層間夾雜黏土層的施工參數(shù)確定的卵石層施工參數(shù)施工，采用雙管法，但漿液由原來的1.3∶1變成1.2∶1，即漿液密度由 1.42g/cm3，提高到 1.45g/cm3，土層中的提速由6cm/min降至5cm/min，最終確定施工參數(shù)見表8。

表8 卵石層間黏土層(雙管法)參數(shù)一覽

續(xù)表

3 試驗(yàn)重點(diǎn)、難點(diǎn)研究

由于本地區(qū)黏土層致密、干強(qiáng)度高，為解決黏土層樁徑問題，施工中生產(chǎn)性試驗(yàn)耗費(fèi)了大量的施工時(shí)間。工程成功在于兩點(diǎn):a增大開孔孔徑，減少噴射阻力，增大噴射直徑;b采用三管復(fù)噴法，黏土層中采用水漿復(fù)噴，保證了樁體噴射范圍，增加了樁體有效直徑。

4 高壓旋噴樁施工

本標(biāo)為下閘址處閘基基礎(chǔ)處理，主體工程為閘基處的高噴樁處理工程，高壓旋噴樁布置在閘基閘室段范圍內(nèi)，樁號(hào)為滲0+000.00～滲0+160.00。有效樁徑1.0m，總根數(shù)約為1213根，樁距2.2m(加密區(qū)樁距1.7m)，梅花形布置，鉆孔深入巖面以下0.5m。

4.1 施工程序

高壓旋噴樁卵石層采用二管法、黏土層采用三管法施工。分二序進(jìn)行，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔。施工工序主要包括鉆孔、下注漿管、噴射、成樁、封孔等。高壓旋噴樁施工工藝流程見圖3。

4.2 測(cè)量布孔

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的《地基處理設(shè)計(jì)圖》，由測(cè)量人員進(jìn)行孔位放樣。孔位偏差不大于設(shè)計(jì)要求值，孔號(hào)用木樁標(biāo)記。

4.3 鉆機(jī)就位

首先將鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)孔位，用水平尺掌握機(jī)身水平，墊穩(wěn)、墊牢、墊平機(jī)架，保證鉆機(jī)的平整穩(wěn)固。

4.4 鉆孔

a.為保證旋噴樁施工質(zhì)量，鉆孔采用跟管鉆機(jī)鉆孔，孔徑采用φ150mm。鉆進(jìn)過程中跟管鉆進(jìn)，成孔后下設(shè)PVC管的方法。

圖3 高壓旋轉(zhuǎn)噴樁施工程序

b.鉆孔孔位、方位、傾角，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖進(jìn)行施工，所有鉆孔統(tǒng)一編號(hào)。

c.孔位誤差不得大于5cm，成孔偏斜率不得大于1.5%，孔深應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

d.鉆孔時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)孔內(nèi)出現(xiàn)的各種情況，如土層厚度、卵石層厚度、地層類別、塌孔等情況及其位置做詳細(xì)記錄，作為噴漿施工和驗(yàn)收分析質(zhì)量的依據(jù)。

4.5 試驗(yàn)水泥漿液的配比

水泥選用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為P.O42.5級(jí)。兩管法水灰比用1.2∶1，三管法水灰比用1.1∶1，兩種配比參數(shù)選其優(yōu)，具體配比見表9。

表9 1∶1及1.2∶1漿液配比

4.6 制漿

采用ZJ-400型高速攪拌機(jī)拌漿，使用BW-200型泥漿泵送漿液至試驗(yàn)區(qū)JJS-2B型貯漿攪拌機(jī)內(nèi)，漿液配比為試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比。純水泥漿液的攪拌時(shí)間應(yīng)大于30s。漿液在使用前應(yīng)過篩，自制備到用完時(shí)間宜小于4h。

4.7 噴射控制

a.地面試噴、定向:鉆孔驗(yàn)收、高噴臺(tái)車就位并對(duì)準(zhǔn)孔口后，為了直觀檢查高壓系統(tǒng)的完好性以及是否能夠滿足使用要求，首先應(yīng)進(jìn)行地面試噴。

b.開噴:噴管下至指定深度后，拌制水泥漿液，即可供漿、供風(fēng)開噴。待各壓力參數(shù)和流量參數(shù)均達(dá)到要求，且孔口已返出漿液時(shí)，即可按既定的提升速度進(jìn)行噴射灌漿。

c.高噴灌漿保持全孔連續(xù)一次作業(yè)。作業(yè)中因拆卸噴射管而停頓后，重復(fù)高噴灌漿長(zhǎng)度不小于0.2m。

d.裝、卸噴射管時(shí)，采取措施密封、加快裝卸動(dòng)作以防止噴嘴堵塞。

e.為了使?jié){液更好地與基巖面接觸，當(dāng)噴漿提升接近基巖與覆蓋層接觸面位置時(shí)，靜止旋噴30s后再向上提升。

f.在高噴灌漿過程中，出現(xiàn)壓力突降或驟增、孔口回漿濃度和回漿量異常，甚至不返漿等情況時(shí)，查明原因后及時(shí)處理。

g.噴射作業(yè)完成后，應(yīng)連續(xù)將冒漿回灌至孔內(nèi)，直到漿液面穩(wěn)定為止。在黏土層或淤泥層內(nèi)進(jìn)行噴射時(shí)，不得將冒漿進(jìn)行回灌。

h.當(dāng)噴射到設(shè)計(jì)高程后迅速拔出噴射管，及時(shí)將各管路沖洗干凈，以防堵塞。

4.8 回灌

為解決凝結(jié)體頂部因漿液析水而出現(xiàn)的凹穴現(xiàn)象，當(dāng)噴射結(jié)束后，隨即在噴射孔內(nèi)進(jìn)行靜壓充填注漿，直至孔口液面不再下沉為止。

4.9 封孔

高壓噴射灌漿至設(shè)計(jì)高程，以上空孔部分采用壤土封孔。

5 質(zhì)量控制

高壓旋噴樁施工除需保證使用合格的水泥外，還需樁深、有效半徑、樁身連續(xù)完整及材料均勻性等要素達(dá)標(biāo)。主要施工技術(shù)控制要素為孔距、孔深及孔斜率、水泥漿、氣體的噴射壓力、水泥漿液比重和注入地層的漿量、提升速度。難點(diǎn)是鉆孔斜率、噴射漿、氣的壓力的控制。

高噴法施工的質(zhì)量控制點(diǎn)是:施工原始紀(jì)錄、鉆孔深度、注漿長(zhǎng)度、工藝參數(shù)、施工流程、樁孔偏差。應(yīng)注意檢查漿液比重、漿液初凝時(shí)間、注漿流量、風(fēng)量、壓力、提升速度等參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求。

6 質(zhì)量檢查與驗(yàn)收

高壓旋噴樁工程質(zhì)量檢測(cè)主要是樁身的連續(xù)性、完整性和均勻性及承載力符合要求。抽芯檢驗(yàn)、單樁及復(fù)合地基承載試驗(yàn)必須在成樁齡期28d后進(jìn)行，試驗(yàn)前需鑿除樁頂0.5m軟樁頭。

6.1 N10檢測(cè)

高噴樁用輕便觸探器進(jìn)行N10檢測(cè)，檢測(cè)頻率為總樁數(shù)的10%。根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用輕便圓錐動(dòng)力觸探進(jìn)行初步檢測(cè)，操作規(guī)范執(zhí)行《巖土工程勘察規(guī)范》(GB—50021)，輕便圓錐動(dòng)力觸探檢測(cè)結(jié)果;現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)抽檢樁體貫入15cm的讀數(shù)N10均大于50擊，本場(chǎng)工程樁體密實(shí)度較好，質(zhì)量合格。

6.2 抽芯檢驗(yàn)

抽芯檢驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)樁身質(zhì)量，如抗壓強(qiáng)度、含灰量、堅(jiān)硬程度、攪拌均勻性等。抽芯檢驗(yàn)的數(shù)量為總樁數(shù)的1%，且每個(gè)施工作業(yè)點(diǎn)不少于6根。一般應(yīng)按比例隨機(jī)抽取，且分布基本均勻。對(duì)懷疑有問題的樁及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為關(guān)鍵部位的樁應(yīng)重點(diǎn)抽取。抽芯檢驗(yàn)不合格的樁應(yīng)在其附近加倍進(jìn)行抽芯檢驗(yàn)，以判斷是否為個(gè)別現(xiàn)象，如仍出現(xiàn)不合格樁，則應(yīng)查清范圍，采取必要的補(bǔ)救措施。

本工程高噴樁總計(jì)1231根，抽芯檢測(cè)樁13根，鉆孔取芯后，每根樁取上、中、下三個(gè)部位進(jìn)行芯樣抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)芯樣長(zhǎng)度30cm，每個(gè)取芯孔試驗(yàn)3組。設(shè)計(jì)要求樁體在土層中，芯樣的抗壓強(qiáng)度不小于1.5MPa，芯樣在卵石層中，芯樣抗壓強(qiáng)度不小于3.0MPa。試驗(yàn)結(jié)果:28天齡期芯樣抗壓強(qiáng)度結(jié)果:土層中芯樣抗壓強(qiáng)度3.1～5.6MPa，砂卵石中芯樣抗壓強(qiáng)度為3.6～8.3MPa，芯樣試驗(yàn)結(jié)果全部滿足設(shè)計(jì)要求。

6.3 單樁載荷試驗(yàn)

用于單樁荷載試驗(yàn)樁的數(shù)量不低于總樁數(shù)的0.5%，且每個(gè)施工作業(yè)點(diǎn)不少于3根。一般應(yīng)按比例隨機(jī)抽取，且分布基本均勻，試驗(yàn)得到的單樁承載力不得低于設(shè)計(jì)要求，本工程沿著壩體軸線分布隨機(jī)抽取6根樁進(jìn)行單樁豎向抗壓極限承載力檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表10。

表10 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2003)，對(duì)上表中各試驗(yàn)樁的單樁豎向抗壓極限承載力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本場(chǎng)地4組高壓旋噴樁(樁長(zhǎng)＞15m)的單樁豎向抗壓極限承載力平均為1150kN，極差不超過平均值的30%，故取平均值1150kN作為該工程高壓旋噴樁(樁長(zhǎng)＞15m)的單樁豎向抗壓極限承載力;本場(chǎng)地2組高壓旋噴樁(樁長(zhǎng)10～15m)的單樁豎向抗壓極限承載力均為850kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

6.4 復(fù)合地基載荷試驗(yàn)

用于復(fù)合地基載荷試驗(yàn)樁的數(shù)量不低于總樁數(shù)的0.5%，且每個(gè)施工作業(yè)點(diǎn)不少于3根。一般應(yīng)按比例隨機(jī)抽取，且分布基本均勻，試驗(yàn)得到的復(fù)合地基承載力不得低于設(shè)計(jì)要求。復(fù)合地基檢測(cè)結(jié)果見表11。

表11 樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2002)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，6組靜載試驗(yàn)點(diǎn)的單樁復(fù)合地基承載力特征值平均為250kPa，極差不超過平均值的30%，故取平均值250kPa作為本工程高壓旋噴樁的復(fù)合地基承載力特征值，滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語

采用高壓旋噴樁對(duì)地基加固，是工程建筑地基加固中一種效果好、成本低的地基處理方法。高壓旋噴樁技術(shù)在山西省淜頭水電站工程攔河閘基礎(chǔ)處理工程中的成功應(yīng)用，不僅提高了軟土的地基承載力，克服了施工場(chǎng)地狹小的不利條件，縮短了工期，節(jié)約了投資，也為同類工程問題的解決提供了一個(gè)成功的范例。相信隨著研究工作的進(jìn)一步開展，高壓旋噴樁將會(huì)得到起來越廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)的基本建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。■