高壓旋噴樁處理濕陷性黃土路基沉陷問題的研究

王 慶 江

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

1 高壓旋噴樁進行濕陷性黃土地基病害治理的作用原理

一般意義上解決濕陷性問題都是采用強夯或具有擠密效果的施工工藝，降低地基土的孔隙比，人為加強土體的固結程度來實現。而高壓旋噴樁擠密效果較差，其降低地基濕陷性對上部結構不良影響的作用需要通過三個作用實現：一是局部消除作用。即在樁體范圍內，利用高壓水泥漿液噴射流切削土體，并與地基土混合攪拌形成一強度較高的柱狀水泥土混合樁體。該混合樁體的濕陷性已完全消除；二是高壓射流擠密作用。高壓水泥漿液噴射流在土體中噴射到射流終期區域時，射流能量大幅度衰減，不足以使被沖擊到的土粒剝落，但能對有效射程的邊界土體產生擠壓作力，從而對四周土產生壓密作用。在此過程中，部分水泥漿液滲入土粒間空隙，對樁周土體也產生一定的固結加密作用；三是托換作用。高壓旋噴樁的樁端穿過濕陷性黃土地基，嵌入下部承載力較高的非濕陷性地基土中，樁頂進入人工路基一定深度，與人工路基緊密結合。這一結構能較好的將上部路面荷載通過樁體傳遞到下部良好的樁端持力層地基土中，從而避開了中間濕陷性黃土地基的濕陷影響。處理后的復合支撐結構如圖1所示。

擬處理的濕陷性地基土(圖1中的h2部分)位于人工堆填的路基(圖1中的h1部分)下部。在路面下布設一定密度的高壓旋噴樁，在將濕陷性黃土地基進行部分置換的同時，將上部荷載通過旋噴樁樁群傳遞到下面良好地基土上。

2 高壓旋噴樁復合支撐結構承載力計算

如前所述，這一復合支撐結構的作用原理基于兩個層面：一是利用旋噴樁消除部分黃土地基的濕陷性；二是將上部路基及路面荷載直接傳遞到下部良好地基土上。由于施工工藝的局限性，高壓旋噴樁并不能完全的消除濕陷性，因此這一復合結構的作用主要是通過樁體將上部荷載傳遞到下部較好地基土上的方式實現(即托換作用)。在計算中，我們對濕陷性黃土部分的樁體可以假想其不起作用，或只起有限的作用，在計算濕陷性黃土地基中的復合地基承載力時，施加于該層土上的荷載以其起始壓力為基數，以保證其在受水浸蝕中不發生濕陷性沉降。大部分荷載通過旋噴樁體傳遞至下部良好地基土上。這一部分承載力計算主要考慮復合樁體承載能力及下部良好地基土的復合承載力。

承載力計算參照JGJ 79—2012建筑地基處理技術規范中有粘結強度的增強體復合地基承載力計算公式為：

fspk=λ×m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk

(1)

結合復合結構體的承載特征，下面對式中各個參數的取值做一討論。

2.1 高壓旋噴樁的樁體參數的選擇

高壓旋噴樁處理濕陷性黃土地基主要是靠局部消除和托換作用實現。局部消除作用依靠高壓噴射的水泥漿液與地基土攪拌形成復合樁體來實現。托換作用靠樁群強度來實現。因此確定樁長、樁徑、樁身強度及樁間距時需綜合考慮其作用特點。

2.1.1樁長的確定

樁長以滿足穿透濕陷性地基土層進入下部良好持力層足夠深度為宜。既要滿足單樁承載力要求，同時滿足樁群托換體的整體穩定性要求。故進入持力層部分的樁長不應小于5倍樁徑或不小于有效樁長的1/3，具體選擇時視持力層埋深及濕陷性地基土厚度確定。當持力層埋深較深，上部濕陷性地基土較厚時，相對設計樁長比較長，則可按5倍樁徑考慮；如濕陷性地基土厚度較小，相對持力層埋深較淺時，相對設計樁長較短，則可按1/3樁長確定。

2.1.2樁徑的確定

樁徑的選擇既要考慮施工工藝的特點，也要考慮地層特點。一般單管高壓旋噴樁在一般軟土地區成樁徑在600左右。由于濕陷性黃土地區地基土在無水狀態時強度較高，單管工藝施工時即使在采用最高泵壓情況下樁徑也難以達到600。雙管或三重管雖然成樁直徑較大，但造價高，且工藝復雜，不適用于此類工程。因此樁徑選擇小一些為宜，選擇單管高噴施工工藝時設計樁徑最好選擇300～500之間，工程現場可通過實際試噴確定。

2.1.3樁身強度的確定

樁身強度直接影響復合結構體的整體剛度，同時又是校驗單樁承載力的依據，通常單樁承載力不超過0.2倍～0.25倍的設計樁身強度。一般樁身強度的確定主要考慮在滿足單樁承載力校驗標準的基礎上，盡量取低值，以提高經濟性。樁身強度主要受水泥摻入量、天然地基土性質及含水量、有機質含量、齡期影響。具體各因素與水泥土強度的關系前人早有很深入的研究，通常高壓旋噴樁設計水泥摻入量為20%。試驗證明，在粘性土地基中，水泥摻入比在20%時，水泥土混合體的28 d強度值大約在2 000 kPa～2 500 kPa，而當水泥土混合體強度值大于2 000 kPa時，在受到極限外力作用時，水泥土混合體會很快出現脆性破壞，對工程不利。

2.2 樁間距的確定

通常樁間距根據置換率與樁間距的關系計算求得。置換率可用式(1)反算求得，計算時，復合地基承載力fspk根據基底準永久荷載確定；單樁承載力Ra通過計算求得，計算時考慮濕陷性黃土地基浸水承載力降低，在具有濕陷性地基土中的部分樁體計算單樁承載力時樁的側摩阻力按天然側阻的50%取值。其他參數均為已知數，代入式(1)即可解出置換率m。

置換率與樁的直徑及樁間的關系可用下式表示：

其中，d為平均樁直徑；de為一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，其值取決于布樁形式與樁間距s的大小，在等邊三角形布樁中de=1.05s，正方形布樁中de=1.13s，矩形布樁中de=1.13√(s1×s2),式中s1,s2分別為縱向間距和橫向間距。

置換率與樁間距成反比，置換率越大，樁間距越小。在JGJ 79—2012建筑地基處理技術規范中，根據不同成孔工藝及樁型特點對樁間距給出了一些經驗性的建議，如對擠密灰土樁的樁間距建議值為2倍～3倍的樁徑，夯實水泥土樁建議值為2倍～4倍，CFG樁根據擠土與非擠土成孔工藝的不同，建議值為3倍～6倍和3倍～5倍樁徑。而對于高壓旋噴工藝施工的樁間距沒有給明確參考值，常規設計中樁間距多以2倍～3倍的樁徑為參考。但在處理濕陷性黃土地基的設計中，因復合地基的承載力的組成中有意降低了樁間土的作用，所以樁間距在滿足成樁工藝的前提下，設計時建議采用密集布樁原則，可以提高高壓旋噴樁對樁周土的擠密效果，同時加大樁在樁土復合體中的作用，從而減少殘留濕陷性樁間土的不良作用。

2.3 處理后的濕陷性黃土地基復合承載力驗算

計算樁長l=h1+h2；樁徑R為旋噴樁樁徑，通常單管旋噴樁取300 mm～500 mm，或參考現場試樁數據取值；fsk為天然地基土的承載力標準值，因濕陷性黃土地基浸水飽和后承載力會大幅下降的，計算時可取實際值的60%～80%；樁間土發揮系數β一般取0.75～0.9，實際限值時應取低值，以抵消殘存濕陷性對復合地基承載力的影響；單樁承載力發揮系數λ一般取值為0.70～1.0，在本應用中因復合地基承載力主要以單樁作用為主，取值時應取高值。

3 案例分析

福銀高速黃土高原地區的某段，因路基下濕陷性黃土受周邊農田灌溉及自然降水作用，引發大規模濕陷性沉陷，造成路面凹凸不平，給正常行車帶來嚴重隱患。早期采用路面修補措施進行過處理，2008年—2013年間統計顯示，每年加鋪厚度達15 cm，最大達30 cm，但一直不能解決問題。2014年對路基進行補充勘察，結果顯示地基土濕陷性很嚴重，大多為非自重濕陷，部分自重濕陷。鑒于這一情況研究決定采用高壓旋噴樁對病害段濕陷性地基進行處理。

需處理的病害路基長度總計達50多千米。共設計高壓旋噴樁160多萬延米，樁長10 m～15 m，初步設計樁徑考慮為600。樁間距為1.5 m～2.0 m。設計水泥摻入量為20%，每米水泥用量為180 kg～200 kg，樁身水泥土28 d強度不小于1.5 MPa。

施工前在現場進行了試噴試驗，試噴樁長10 m，噴漿壓力20 MPa～40 MPa，噴漿嘴直徑2 mm～3 mm。于延線不同地段分別選點試驗，最終試驗結果如下：1)試噴樁樁徑為350～620，樁徑隨地層土質強度呈反向變化；2)試驗中發現實際水泥摻入量最多每米能摻入140 kg～160 kg，即使調到最高噴漿壓力，水泥摻入量在達到160 kg/m后，也很難再提高；3)樁身水泥土28 d強度大于1.5 MPa，滿足設計要求。

試驗結果分析：由于西北黃土高原地區長年干旱少雨，造成地基土中含水量很低，一般小于20%。天然條件下強度較高。因此在高壓旋噴樁噴射成樁時，高壓射流在強度較高的土層中切削半徑減小導致樁徑減小，同時引起水泥摻入量實際值比設計值減少。但單位體積土中水泥摻入量并未降低，故此水泥土混合體強度能滿足設計要求。

鑒于以上試驗結果，對原設計及時進行了調整，平均計算樁徑調整為450 mm，樁間距調整為1.2 m～1.5 m。樁長按原設計樁長。

整個工程工期3個月，完工通車后，運行一年后效果良好，未再出現明顯路面沉陷現象。

參考文獻：

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