高壓旋噴樁在防洪墻地基處理中的應用

江忠愛

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 高壓旋噴樁的機理

高壓噴射注漿法處理地基在我國已有了廣泛的應用，它是通過高壓旋噴流切割破壞土體作用、混合攪拌作用、升揚置換作用、填充壓密作用以及滲透固結作用，致使漿液和土粒強制攪拌混合凝固后，在土中形成一個加固體。常用來加固軟弱地基、擋土圍堰、基坑止水防滲及塌方整治等。

高壓旋噴樁復合地基是以高壓水泥漿液和地基土混合固結形成的一種樁土復合材料，是樁和土的共同作用，即利用天然地基土的強度又使之強化，具有強化地基和防水止滲的作用，適用于處理各類地基，它具有強度高、加固質量均勻、加固體形態可控，經濟適用及基本無污染等特點；同時施工時無振動、無噪聲，施工空間要求不高，施工機械簡單，可多工序平行作業，能有效縮短施工工期，降低成本，經濟效益明顯，因此高壓旋噴樁在地基加固中的應用也越來越廣泛。

2 工程概況

擬建防洪墻位于湖南省湘江中下游，采用C15混凝土衡重式結構，防洪標準為50年一遇，工程等別Ⅲ等，建筑物級別為3 級，墻高15 m，墻底基礎厚1 m。穩定計算結果表明，防洪墻地基承載力特征值應不小于350 kPa。

擬建場地位于集鎮邊緣，堤線沿湘江Ⅰ級階地后緣布置，沿線岸坡較陡。工程區內主要為第四系全新統沖積堆積，墻底地層結構從上到下分別為①粉細砂：厚（13～14.0）m，重度γ=18.5 kN/m3，天然含水率W=14.2%，孔隙比e=0.859，內摩擦角Ф=20°，壓縮系數K1-2=0.24 MPa-1,壓縮模量ES=15 MPa，標貫擊數為（9～15）擊，承載力標準值fak=130 kPa。②泥灰巖：青灰色，隱晶質結構，中厚層構造，巖石較堅硬，多為弱風化層直接出露，強度高，局部發育薄層強風化層，承載力標準值為fak=450 kPa。

擬建防洪墻基礎埋深1.5 m，基礎持力層為粉細砂，持力層粉細砂的天然地基承載力特征值130 kPa＜350 kPa，無法滿足設計要求，需進行基礎處理。本工程防洪墻臨街布置，距防洪墻（5～15）m 有大量居民建筑物，防洪墻施工時應盡量避免大開挖、大面積強夯振動等工程措施。

3 加固方案的選擇

根據本工程地質情況，可采用擴大基礎減小基底應力或通過樁基礎地基處理提高地基承載力，兩種措施均可滿足工程需要，保證防洪墻穩定。其主要特點為：

（1）擴大基礎方案，由于防洪墻較高、天然地基土承載力又差，因此要求擴大基礎斷面較大，為滿足擴大基礎的布置和臨時開挖，需要增加移民征地拆遷，其中征地32 畝，拆遷房屋60 多棟，而本工程移民配套資金嚴重缺乏，拆遷難度大，采用擴大基礎方案將影響工程整體進度。

（2）樁基礎方案，由于現場施工條件限制了挖孔樁、沖鉆孔樁及深層攪拌樁等樁基處理措施，因此僅考慮高壓旋噴樁方案。高壓旋噴樁施工時，只需要在土層中鉆一個小孔，便可在土層中噴射成直徑（0.4～2）m 的固結體，因而能貼近已有建筑物施工； 施工時振動很小，噪聲也較低，不會對周圍建筑物帶來振動影響及噪聲、公害，更不存在污染水域，毒化水源的問題。

經綜合比較后，選用高壓旋噴樁復合地基加固方案。高壓旋噴又分為單管法、雙管法和三管法。根據工程地質情況、施工能力及相應的工程經驗，擬采用雙管法進行加固。

4 高壓旋噴樁復合地基設計與計算

根據各土層的物理力學指標，按側摩阻力和端阻力計算的單樁承載力小于按水泥土強度計算的單樁承載力，因此，為滿足處理后復合地基承載力特征值不小于350 kPa，選擇泥灰巖作為端樁持力層，并要求旋噴樁深入持力層不小于1.5 m。

4.1 旋噴樁直徑的確定

旋噴樁固結體直徑的大小由加固土層種類、注漿管類型、噴射技術參數等共同確定。本工程加固土層為粉細砂層，通過工程類比初擬固結體設計直徑為1.2 m。

4.2 旋噴樁數量的確定

（1）單樁豎向承載力特征值計算。為要有足夠的承載力，高壓旋噴樁必須同時滿足兩個條件，即樁身強度足夠高，不被所承受的荷載壓垮； 樁徑足夠大，樁身足夠長，以提供足夠的樁側阻力和樁端阻力。根據《建筑地基處理技術規范》,高壓旋噴樁單樁豎向承載力特征值應通過現場試驗確定，設計時可按下列二試計算并取其中的小值。

式（1）中： fcu樁身試塊的無側限抗壓強度平均值（取fcu=5 MPa）；η 為樁身強度折減系數（取η=0.33）；Ap為樁身截面面積（取Ap=1.131)。計算后到得Ra=1 492 kN。

式（2）中：up為樁的周長（m），qsi為樁周第i 層土的側阻力特征值，由于高壓旋噴樁樁徑不規則，呈犬牙交錯狀，因此qsi取值應比其它樁型大（粉細砂層，取qsi=20 kPa）；qp為樁端地基土未經修正的承載力特征值（泥灰巖層，取qp=450 kPa）。計算后得Ra=1 335 kN。

根據式（1）、式（2）的計算結果，取其較小值，因此單樁豎向承載力特征值Ra=1 335 kN。

（2）復合地基承載力特征值的驗算。

式中 fsk——樁間土承載力特征值 （粉細砂層，取fsk=130 kPa）；

β——樁間土折減系數（取0.35）。

計算后得到m=0.268。

根據工程提高地基承載力，減少沉降的加固目的，結合防洪墻地基受力情況分析，按基礎滿堂布樁，布置方式為正方形，樁間距用l 表示：

取l=2 m，計算得fspk=368.85 kPa>350 kPa，處理后復合地基承載力特征值滿足設計要求。

4.3 高壓旋噴樁復合地基設計方案

根據上述計算成果，采用高壓旋噴樁處理地基方案的具體設計參數為：平均樁徑1.2 m，樁間距2 m，正方形布置，平均有效樁長為14 m，面積置換率為28.2%。設計要求處理后復合地基承載力特征值不小于350 kPa，單樁承載力特征值不小于1 335 kN，最大沉降量不大于150 mm。

為更有效地傳遞上部荷載，充分發揮樁土復合地基的作用，減少基礎沉降量，樁頂和基礎之間設置（200～300）mm 的碎石頂層； 考慮到上部樁體的質量，要求先施工防洪墻基礎，再進行旋噴樁施工。

5 施工參數及施工工藝

（1）主要施工參數。由于噴射流的“軟切割”，高壓旋噴樁的樁徑很難控制，不同性質的土層，對高壓旋噴射流的反應效果不一樣，在正式施工前必須通過試驗性施工，并開挖檢查凝固體質量確定正式施工參數。

本工程在正式施工前，試打了3 根工藝樁，最終選用的技術參數如下： ①采用雙管法進行施工； ②選用425#普通硅酸鹽水泥漿，水灰質量比為（0.95～1）；③壓縮氣壓力為0.75 MPa，流量為1.2 m3/min，氣嘴1 個；④水泥漿壓力為35 MPa，流量為75 L/min,密度為1.6 g/m3，回漿密度≥1.2 g/m3，直徑為2.8 mm 噴嘴一個；⑤注漿管提升速度為（8～12）cm/min，轉速為（10～20）r/min。

（2）施工工藝。雙管法的特點是同時噴射高壓漿液和空氣兩種介質射流沖擊破壞土體。具體施工工藝流程為： 鉆機就位→鉆孔與插管→噴射作業→沖洗器具、移開機具→回填注漿。

（3）其它要求。①由于本工程樁周地質情況影響著最后單樁豎向承載力及最終復合地基承載力，因此要求施工單位每隔20 m 打一個先導孔，復核地層情況及地基持力層深度。②為防止漿液凝固收縮，產生加固地基與基礎不密貼和脫空現象，旋噴樁必須超噴至基礎頂面。③本工程采用二序孔施工，以防施工過程中，在漿液未硬化前，有效噴射范圍內的地基土因受到擾動而強度降低，從而產生附加變形，因此在施工中還應注意控制好施工速度和順序，并對附近建筑物進行變形監測。

6 復合地基檢測及沉降觀測

本工程在施工過程中，對附近建筑物及居民的生產生活沒有產生大的影響。施工完成后，根據相關規范，由檢測單位對該工程進行樁身完整性、單樁豎向承載力及復合地基靜載荷試驗檢測。檢驗結果表明，樁身質量和完整性較好，各項指標均滿足設計和相關規程規范的要求。

6.1 單樁承載力檢測

本工程取3 根單樁進行豎向抗壓靜載試驗，試驗曲線見圖1。

圖1 單樁豎向抗壓靜載試驗曲線

由圖1 可知三條試驗曲線均為緩變形曲線，未出現極限荷載，取試驗中的最大加載量作為單樁極限荷載 （即設計要求的2 倍豎向抗壓承載力特征值），對應的最大沉降值為12.1 mm。由于各樁極限承載力極差不超過過平均值的30%，滿足要求。

6.2 復核地基承載力檢測

本工程進行3 組復合地基豎向靜載荷試驗，試驗曲線見圖2。

圖2 復合地基靜載試驗曲線

從載荷試驗結果看，3 條曲線均為緩變形曲線，沒有出現極限荷載，故宜按相對變形來確定復合地基承載力特征值。對于旋噴樁復合地基，可取S/b（S為沉降量；b 為承壓板寬度）=0.006 所對應的壓力值作為復合地基承載力特征值，該工程b=2 m，故可取S=12 mm 所對應的壓力值作為復合地基承載力特征值。本工程采用極限加載量2 800 kN 時，對應的最大沉降量S1=11.8 mm＜12 mm，極限承載力特征值700 kPa（承壓板為4 m2），極限承載力為要求的設計承載力特征值的2 倍，滿足要求。

6.3 沉降觀測

經近兩年的沉降觀測結果表明，防洪墻及附近建筑物沉降變形均在規范允許范圍內，基礎處理達到預期目的，處理效果良好。

7 結 語

本項目通過了復合檢測，經歷了兩個洪水期的考驗，驗證了高噴樁在高防洪墻低承載力的地基處理的可靠性和可行性。旋噴樁方案經濟實用，同時縮短了工期，改善了施工環境，綜合效益顯著。

[1] 徐至均,全科政.高壓噴射注漿法處理地基[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2] 《巖土注漿理論與工程實例》協作組.巖土注漿理論與工程實例[M].北京：科學出版社，2001.

[3] 牛至榮，李宏.復合地基處理及其工程實例[M].北京：中國建材工業出版社，2000.