軟土區旋噴式插筋微型樁工藝試驗研究

吳越琛， 王進明， 陸舟超

(浙江省巖土基礎公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

隨著公路、鐵路、碼頭、軌道交通等交通設施及大型工業民用設施的大量興建，軟土地質條件下建筑物的沉降變形和承載力要求越來越高，建筑物地基加固成為工程界關心的重點與難點。

既有建(構)筑物地基基礎加固或功能區(特別是廠區)改造時，通常要保證既有建(構)筑物的正常生產使用，所以施工安全和周邊環境的保護顯得尤為重要。施工場地周邊及上部均會有工藝管道及生產設備，面臨著作業空間不足、距離生產區近等問題。很多建設場地塘渣層回填較厚，回填料粒徑大，地下水水位高。為確保生產區域的安全，避免大面積開挖形成塌方，充分考慮抗壓承載力、抗拔及與上部結構基礎連接等要求，提出旋噴式插筋微型樁工藝。

微型樁一般是指樁徑<400 mm，長細比>30，采用鉆孔、強配筋和壓力注漿施工工藝的灌注樁,是20世紀50年代由意大利的Lizzi提出，并被Fondedile公司首先開發利用。1982年法國soletanch公司來華進行技術交流，介紹了微型樁技術在法國的應用情況，引起了國內學術界的廣泛重視。孫劍平等[1]對膨脹土地基上的建筑進行微型樁的地基加固處理，分析指出了樁長的計算公式；呂凡任等[2]做了軟土地基上微型樁抗壓和抗拔特性試驗；黃濤[3]在微型鋼管樁在某地基加固工程中肯定了微型鋼管樁的作用；方家強[4]在對某沿海軟土地區建筑物基礎加固時，采用微型鋼管樁控制其沉降，現場對3根微型鋼管樁進行了單樁豎向抗壓靜載試驗，并對加固后建筑物的沉降進行了觀測，表明微型鋼管樁有良好的抗壓強度；屈勇等[5]選擇佛山地區典型軟土地基條件，對微型樁單樁及群樁基礎抗壓強度進行了試驗研究，試驗結果表明所設計的微型群樁具有良好的抗壓承載力；蘇榮臻等[6]在北侖電廠進行了微型樁的單樁、群樁抗壓試驗。綜上，在軟土地區微型樁的抗壓、抗拔性能及單樁、群樁承載力均開展過一定的應用研究，主要采用的是混凝土灌注樁及鋼管樁，根據收集資料，旋噴式插筋微型樁工藝在工程實踐中應用較少，對于該技術的承載力、可靠性需要進行試驗論證。

1 項目簡介

1.1 場地工程地質概況

試驗場地地形平坦開闊，地貌類型單一，屬第四系濱海沖湖積平原，場地工程地質概況見表1。

1.2 試驗方案簡介

1.2.1 設計方案

表1 場地工程地質概況

旋噴式插筋微型樁樁型設計如下：高壓旋噴樁設計樁長22 m，樁間距≮3 m。旋噴樁直徑600 mm，采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比0.8～1.0。插筋設計采用20號無縫鋼管，直徑108～127 mm，插筋位置為旋噴樁中心，插筋長度11 m。

1.2.2 設計試驗方案

設計試驗微型樁7根，分別開展對旋噴式插筋微型樁的插筋體抗壓靜載試驗1次、旋噴式插筋微型樁單樁軸向受壓靜載試驗1次、旋噴式插筋微型樁插筋體抗拔承載力試驗1次、旋噴式插筋微型樁插筋體水平承載力試驗1次，未插筋的高壓旋噴樁軸向受壓承載力試驗1次以及高壓旋噴樁水泥土取樣樁2根。

2 施工工藝

2.1 回填土層成孔

回填土層大多為直徑較大的塊石、碎石夾粘性土，需要鉆孔至原土層為高壓旋噴及插筋提供施工條件，且孔徑不宜小于150 mm，保證孔壁穩定。

綜合考慮工程實際應用中的施工條件及工藝要求，回填土層成孔選擇?175 mm氣動潛孔錘跟管鉆進工藝成孔護壁，見圖1。施工設備為小型多功能履帶式工程鉆機、移動式空壓機,見圖2。若回填土層孔壁較穩定，則直接采用氣動潛孔錘成孔。小型履帶式工程鉆機在鉆進時需注意控制給進壓力，開孔時輕壓慢轉，鉆進時不可盲目加壓進尺導致鉆孔偏斜，鉆進過程中宜反復提動鉆具掃孔，防止卡鉆及孔壁周圍松動石塊或探頭石影響下一步施工。

圖1 護壁套管

圖2 施工鉆機

2.2 高壓旋噴施工

2.2.1 成樁機理

高壓噴射注漿法是在高壓水射流切割技術基礎上發展而來的施工工藝，是通過高壓發生裝置，使液流獲得巨大能量后，經過注漿管道從一定形狀和孔徑的噴嘴中以很高的速度噴射出來，形成一股能量高度集中的液流。當噴射流的動壓超過土體結構強度時，土粒便從土體剝落下來，將漿液與土粒強制攪拌混合，一部分細小的土粒隨著漿液冒出地面，其余土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力等作用下，在橫截面上土粒按質量大小有規律地排列起來，小顆粒在中間部位居多，大顆粒多在外側或邊緣部分，形成了以漿液為主體、攪拌混合和壓縮滲透等部分，經過一定時間便凝固成強度較高、滲透系數小的固結體[7]。

2.2.2 成樁施工

鉆機更換高壓水龍頭及連接管路至高壓注漿泵，在護壁套管內下入旋噴鉆具，高壓旋噴施工采用?65 mm雙噴嘴單管旋噴鉆具，噴嘴直徑2.0 mm，下鉆至預定孔深，將配置好的水泥漿借助高壓注漿泵進行高壓旋噴施工，水泥漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥配置，水灰比控制在0.8～1.0。高壓旋噴施工的具體施工參數：注漿壓力20～25 MPa，鉆桿提升速度20～30 cm/min，鉆桿旋轉速度20～30 r/min。為獲得較大的旋噴樁直徑以及對比水泥土強度值，在部分位置采用駐噴及復噴措施。

2.3 插筋施工

2.3.1 插筋體加工

插筋體采用?108 mm×8 mm規格的20號無縫鋼管，單根長度1.5 m，絲扣連接，為增加插筋體與旋噴樁水泥土之間的摩擦力，鋼管外繞螺旋箍筋并電焊牢固，鋼管之間連接采用方牙絲扣確保同心度和垂直度，并在?108 mm無縫鋼管絲扣連接處外側套?127 mm無縫鋼管短節并焊接牢固，底部制作十字樁尖。將每根樁的鋼管自上而下編號排序放置，在鋼管布設應變片的位置對稱開直徑約20 mm的圓孔，作為屏蔽線穿線連接應變片的通道。

2.3.2 插筋

高壓旋噴樁施工完成后，立即進行插筋作業。將加工好的鋼管按序號排列，鋼管間采用絲扣連接。在鋼管接頭外側焊接外接箍，接著利用加工好的壓入接頭逐根連接，靜壓下入孔內，見圖3。

圖3 插筋

3 試驗成果

3.1 水泥土強度

成樁施工28 d后，組織GXY-200型地質鉆機進場對2根水泥土取樣樁進行鉆心取樣，施工采用金剛石鉆頭單動巖心管鉆進，所取樣品見圖4。

分別取2根水泥土樁不同深度的樁身水泥土心樣，進行28、60、90 d齡期的抗壓強度試驗。試驗數據見表2。

3.2 靜載試驗與數據采集

按試驗設計分別進行了旋噴式插筋微型樁插筋體抗壓靜載試驗、旋噴式插筋微型樁單樁軸向受壓靜載試驗、旋噴式插筋微型樁插筋體抗拔承載力試驗、旋噴式插筋微型樁插筋體水平承載力試驗、單根

圖4 水泥土心樣

樁號編號取樣深度/m實際齡期/d試件直徑/mm試件高度/mm破壞荷載單值/kN抗壓強度/MPa單值平均值4271304.102888.590.064.010.404272306.202886.087.092.515.924273309.502888.090.5106.517.5114.614274605.306089.091.083.013.344275606.706087.089.082.513.884276609.906088.089.570.511.5912.944277905.809088.589.080.013.014278906.909088.090.0111.518.3342799010.809088.590.098.015.9315.764281303.302886.088.034.05.854282309.202886.088.049.58.5242833010.002887.089.564.010.778.384284603.406088.089.049.58.144285608.606089.091.061.09.8142866011.006087.089.560.010.099.354287903.609087.588.562.010.314288909.409088.090.072.011.8442899012.009088.588.561.510.0010.72

注：428號樁進行一次高壓旋噴施工；427號樁進行二次復噴。

高壓旋噴樁的軸向受壓承載力試驗各1次，均為破壞性試驗。試驗曲線均呈陡降型，試驗結果見表3。

通過對靜載試驗中樁身應變數據的采集，以旋噴式插筋微型樁單樁抗壓試驗為例，可以在樁身應變總圖(圖5)中看到，樁身主要應力集中在樁身3～6 m范圍內，在靜載試驗的后期，樁身應力有一部分已傳遞到下部樁體。圖6為旋噴式插筋微型樁插筋體抗拔試驗插筋體應變曲線圖，由于試驗過程中受周邊堆載擾動，后期應變數據失真。可看到插筋體受拉荷載達到175 kN時，插筋體應變主要集中在6 m深度以上，還未傳遞至下部，按11 m插筋體長度計算抗拔力與試驗結果基本吻合。

表3 靜載試驗結果匯總

圖5 抗壓試驗樁身應變曲線

圖6 抗拔試驗樁身應變曲線

4 數據分析

4.1 試驗結果與理論計算

靜載試驗的結果表明，回填土區旋噴式插筋微型樁的抗壓承載力比單一旋噴樁提高了426%，在單一旋噴樁沒有抗拔力的基礎上增加了抗拔承載性能，達到了抗壓承載力的30%。旋噴式插筋微型樁在插筋體受壓的情況下可以取得相同的抗壓承載力。

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94-2008)中對于雙橋探頭靜力觸探資料確定單樁豎向極限承載力的公式：

Quk=Qsk+Qpk=u∑liβifsi+αqcAp

(1)

式中：fsi——第i層土的探頭平均側阻力，kPa；qc——樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上4d(d為樁的直徑或邊長)范圍內按土層厚度的探頭阻力加權平均值，然后再和樁端平面以下1d范圍內的探頭阻力進行平均，kPa；α——樁端阻力修正系數，對于粘性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2；βi——第i層土樁側阻力綜合修正系數，粘性土、粉土βi=10.04(fsi)-0.55，砂土βi=5.05(fsi)-0.45。

根據《復合地基技術規范》(GB/T 50783-2012)，對于由樁體材料強度可能提供的單樁豎向抗壓承載力特征值應按公式(2)計算：

Ra=ηfcuAp

(2)

式中：Ra——單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；Ap——單樁截面積，m2；η——樁體強度折減系數，取0.33。

靜載試驗前處理樁頭過程中開挖3 m深度，發現上部回填土層成樁質量差，原土層樁體直徑較小，實際樁徑為400～450 mm，后在0～3 m范圍內采取了鋼護筒內澆搗混凝土的接樁措施。根據實際樁徑將該場地的雙橋探頭靜力觸探數據代入公式(1)計算得出高壓旋噴單樁理論極限側阻力值Qsk為1232 kN，極限端阻力值Qpk為100 kN(在超過一定長度時，樁端阻力對水泥土單樁承載力的影響可以忽略不計)。根據樁身水泥土強度平均值按公式(2)計算得出高壓旋噴單樁理論極限承載力Ra值為1229 kN，與公式(1)得出結果比較接近。而靜載試驗的結果表明，高壓旋噴單樁在最大試驗荷載325 kN時已發生沉降破壞，旋噴式插筋微型樁的豎向抗壓極限承載力則很接近理論計算值。

4.2 水泥土樁特性

從已有對水泥土樁的研究與認識看，王蕊[8]認為水泥土樁承載力的關鍵在于淺層樁身強度，水泥土單樁的破壞模式表現為樁體材料強度破壞而造成的陡降型。增加樁長來提高樁體承載力是有一定限度的，存在有效樁長的問題。隨著樁長增加，在樁長5～8 m內樁體承載力增加很快，樁長到8 m后幅度減小至趨于定值。

趙順波等[9]在回填土區深層攪拌樁和高壓旋噴樁復合地基的靜承載性能研究中認為增加樁長來提高樁體承載力收效甚微，增加樁體強度尤其是上部樁體的強度則能夠較大地提高復合地基承載力。即上部樁體的材料強度在提高水泥土樁承載能力上起主要作用。在回填土區，回填土深度范圍內的樁周側限壓力小，樁體分擔壓力較大，因此容易造成樁體破壞而使下部樁體和下部樁間土體承載力不能充分發揮。

段繼偉等[10]認為水泥土樁存在著臨界樁長lc，為14d～17.7d(d為樁徑)，單樁樁身變形、軸力和側摩阻力主要集中在0～lc深度內，對于單樁其最大應變發生在樁頂，對于單樁帶臺其最大應變不發生在樁頂，而是樁身3～4 m深度處，其原因是絕對剛性承臺帶動樁、土同時下沉，使靠近樁頂附近側摩阻力來不及發揮引起的。認為樁的破壞主要發生在淺層，即所謂淺層破壞。這一點與本次試驗圖5顯示的結果類似，其最大應力發生在3 m測點處，其原因是3 m以上樁身開挖處理后形成了絕對剛性的鋼護筒混凝土樁身。

4.3 原因分析

按有效樁長14d考慮重新計算樁側極限摩阻力值Qsk1為376 kN，仍然大于目前試驗得到的高壓旋噴樁單樁豎向抗壓極限承載力，分析原因一為高壓旋噴樁成樁過程中由于施工因素仍然可能存在樁身強度薄弱部位，鉆心法檢測的往往是經過機械擾動破壞后人為選擇的完整柱狀水泥土心樣，其強度值并不能說明高壓旋噴樁樁體強度值是穩定連續的；二是結合以往一些工程經驗來看，由于回填土區地質條件特點，特別是孔隙較大的塊石、碎石回填層成樁質量差，甚至有時形不成有效樁體，淺層樁體傳遞荷載效果不理想。

而本次試驗方案通過利用在水泥土樁上部樁體中插筋的方式，極大地提高了單樁承載性能，由高壓旋噴成樁機理可知，樁中心部分強度低，邊緣部分強度高，旋噴樁中心的插筋體起到加強上部樁體整體強度的作用，使插筋體范圍內樁體不易破壞，這一點起到了關鍵的作用；二是利用插筋體將荷載向下傳遞給下部樁體和深層土體，提高了有效樁長值，充分發揮了高壓旋噴樁的樁側摩阻力；三是在回填土區，通過開挖發現回填土深度范圍內的成樁質量不佳，而通過插筋體直接連接上部荷載的方式，避免了回填土范圍內的成樁質量因素以及樁體分擔壓力過大綜合導致的上部樁身破壞的問題。

5 結論

(1)旋噴式插筋微型樁工藝大幅提高了水泥土樁的承載性能，且具有一定的抗拔承載能力，為工程應用提供了技術數據支持。

(2)通過插筋體直接連接上部荷載的方式，有效解決了水泥土樁荷載傳遞的問題。

(3)旋噴式插筋微型樁工藝可以實現狹窄、限高場地內基礎加固及基礎施工的要求，且施工效率高，對周邊建筑物及環境影響小。

(4)在實際工程應用后定期觀測上部結構沉降情況并記錄，可繼續開展下一步工作確定群樁基礎受力承載性能。