關于振孔高噴灌漿技術地層適宜性定量分析的探討

苗龍

摘要： 振孔高噴灌漿技術是近20年來開發成功的地基處理新技術。本文試結合《建筑樁基技術規范》對不同地層振孔高噴的成孔難易程度進行比較，并結合大數據進行分析，以期對工程的前期準備有所幫助。

Abstract： Vibration hole high-pressure sprayed grouting technology is a new technology for foundation treatment in recent 20 years. This paper attempts to compare the difficulty of forming holes with vibration hole high-pressure sprayed in different strata by combining the "Technical Specifications of Building Pile Foundation" and analyze with large data， so as to help the preliminary preparation of the project.

關鍵詞： 振孔；高噴；適宜性；定量分析；灌漿

Key words： vibration hole；high-pressure sprayed；suitability；quantitative analysis；grouting

中圖分類號：TV543 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0090-02

1 概述

利用大功率高頻振動器將振管直接振入地層中預定深度而形成灌漿孔，使造孔和下管一次完成，在振管上提過程中進行高噴作業，這種把振動鉆孔與高噴灌漿兩種工藝耦合為“鉆噴一體化”的新工藝被稱為振動造孔高壓噴射灌漿工藝（簡稱振孔高噴）。振孔高噴工藝充分利用振動力造孔，成孔效率極高，從而實現小孔距高噴灌漿；由于孔距較小，可以有效利用高壓射流近噴嘴處的高能區強力切割、重復擾動地層，既可保證墻體連續又能實現快速提升；由于單孔施工速度快，可實現高噴孔不分序依次施工連續成墻；根治了坍孔和護壁泥漿造成的“假灌”弊病，確保高噴固結體質量。目前，經過不斷創新發展的振孔高噴技術不但廣泛應用于水利、電力、交通、航運、城建等領域的地基加固與防滲工程，而且也被應用于粉質黏土、砂土及卵礫石等地層中。

根據實際工程經驗，地層性質和振孔深度對振孔高噴成孔效率及提升難易程度影響極大，間接影響振孔高噴設備的整體穩定性，制約著工程的成本和工期進度。因此，研究振孔高噴的地層適宜性對于工程前期的預判、工程如何開展以及是否需要采取某些處理措施具有指導意義。

2 成孔阻力分析

利用振動器將振管振入地層的過程中，假設不考慮振動力從振管上部傳遞到振桿底部的振桿長度修正系數，那么振管下沉阻力主要由兩個力組成：①振管側壁與其周圍土體的總摩擦力，這里稱為“側摩阻力”，符號Qzdsk；②振管端部與其下土體的作用力，這里稱為“端阻力”，符號Qzdpk。

《建筑樁基技術規范》中規定，樁的總極限側阻力標準值為Qsk，樁的總極限端阻力標準值為Qpk，Qsk與Qpk可通過經驗參數法查表確定。

通過對比我們可以發現Qzdsk為振管（鋼材）與周圍土體的摩擦力，且應考慮振管振動影響，Qsk為混凝土與周圍土體的摩擦力，不需考慮振動影響；Qzdpk應考慮振管振動影響，Qpk不需考慮振動影響。所以Qzdsk與Qzdpk可近似用下式表示：

Qzdsk=Ψzdsk·Ψcl·Qsk （1）

Qzdpk=Ψzdpk·Qpk （2）

Qzduk=Qzdsk+Qzdpk （3）

式中，Ψcl——樁側材料影響修正系數，假設為1.0；

Ψzdsk——樁側振動影響修正系數，假設為0.9；

Ψzdpk——樁端振動影響修正系數，假設為1.1；

Qzduk——振動成孔的總阻力值。

3 地層及成孔深度影響分析

規范《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）中采取經驗參數法查表5.3.5-1與表5.3.5-2以確定單樁豎向極限承載力標準值時，樁的極限側阻力標準值與土的名稱、土的狀態有關，樁的極限端阻力標準值與土的名稱、土的狀態、樁長（成孔深度）有關。由規范可知，樁長5m、10m、15m為樁的極限端阻力標準值取值變化點，一般振孔高噴成孔深處大于5m，小于25m，故下面分別假設樁長為7m、14m、20m時，分別在粉土（密實）、細砂（密實）、粗砂（密實）、碎石卵石（密實）地層中振動成孔時的總阻力Qzduk。假設振管直徑為127mm，則振管截面積A=0.01266m2，周長u=0.39878m。按式（1）～（3）計算，查表5.3.5-1與表5.3.5-2按泥漿護壁鉆（沖）孔樁取值。計算結果見表1。

根據表1，分別繪制總阻力Qzduk與樁長關系曲線和側摩阻力Qzdsk與樁長關系曲線，見圖1和圖2。

通過以上計算可知，隨著樁長的加深、土體顆粒的增大，振孔總阻力加大，成孔難度加大，且主要阻力為側摩阻力，樁長超過10m后，側摩阻力一般都可達到總阻力的95%以上。

根據筆者所在公司以往的施工經驗，在粗砂地層中，當成孔深度為14m時，2分鐘左右即可成孔，效率較高，設備整體穩定，故障率低，振孔難度不大；而在碎石、卵石地層中，當成孔深度為20m時，成孔時間可達40～90分鐘，甚至更長且有振孔不成功的情況發生，直接導致設備不穩定，故障率大幅提高，甚至可達60%，振孔難度極大，且即使振孔成功，但提升噴射階段仍然存在旋轉阻力過大、卡鉆風險高的問題，需同時啟動振動錘才可旋轉提升，而振動錘長時間的工作又導致設備故障率高，最終導致整體效率極其低下、材料消耗巨大、維修人員疲勞、時間成本大增等諸多問題。

這些問題產生的原因可通過上述計算加以解釋，在密實粗砂地層中振孔14m深時的側摩阻力Qzdsk1=530.10kN，在密實碎石、卵石地層中振孔20m深時的側摩阻力Qzdsk2=1112.60kN，Qzdsk2/Qzdsk1≈2.00，即后者振孔的難度大概是前者的2倍，提升旋轉的難度大概也為2倍，這會引起諸多的問題以至于工程成本的提升，此時，應采取一定的處理措施，在保證工期的同時還可達到一定的經濟性。

4 結論

本文試圖通過結合經驗參數法確定單樁豎向極限承載力標準值的方法來量化振孔高噴的地層適宜性，以便使工程決策者在施工前對工程的難度有一個量化的判斷，從而可以提前采取一定的措施，達到控本增效的目的。

本文的局限有兩點：①設備性能的不同導致可克服的最大阻力不同，這需要更多的經驗的積累；②文中涉及的計算參數Ψcl、Ψzdsk和Ψzdpk給出的是假設值，目的在于直觀量化結果，實際使用時可不給出假設值，直接將參數帶到公式中，對于同種設備、同種土層其值可能的變化不影響結果的判斷，若要具體確定參數的取值，則需要更進一步的研究。

參考文獻：

[1]孫靈會.振孔高噴灌漿技術研發進展與探討[J].東北水利水電，2014，32（9）：13-14.

[2]JGJ94-2008，建筑樁基技術規范[S].

[3]劉宏武.高噴灌漿技術在郭堡水庫的應用[J].山西水利科技，2012（03）.