高壓旋噴樁在巖土工程地基加固中的應用探究

曾申

（廣東省地質局第三地質大隊，廣東 韶關 512026）

1 高壓旋噴樁成樁機理與加固機理

高壓旋噴樁是將水泥漿液利用高壓噴嘴噴射切割地下土體并與之混合，以此形成連續搭接的水泥加固體，主要分為單管法、二重管法、三重管法和多重管法；適用于粉土、砂土、黃土、淤泥、淤泥質土、人工填土、粘性土以及強風化巖等軟弱夾層或松散地層。其綜合加固處理效應與土的孔隙度、滲透系數密切相關，孔隙度、滲透系數越大，處理范圍越廣，加固效果越好。通常情況下單管法和雙重管法主要用于地基加固，雙管和三重管法在帷幕防滲止水應用較廣。

1.1 成樁機理

土體在高壓噴射流的連續沖切作用下，其狀態由整體轉變為松散，同時通過水泥漿液（固化劑）的高壓噴射，并以一定的轉速邊旋轉邊緩慢提升，其中被切削下來的一部分細小土粒被漿液置換發生升揚置換作用，以泥漿形式隨液流被帶到地面，其余土顆粒則在重力、離心力與噴射壓力的共同作用下按質量大小重新排列（小顆粒居于中間，大顆粒居于外緣），并與水泥漿液攪拌混合后在橫斷面上形成一種新型的水泥—土網絡結構旋噴體。在土體與水泥漿液經過一系列的水化作用與物理、化學反應后，旋噴體在一定時間后最終形成滲透小、強度高的固結體—旋噴樁。

1.2 加固機理

在經過成樁工藝形成旋噴體后，水泥漿液與土顆粒混合狀態下，附著于水泥顆粒表面的礦物與土顆粒中的水分很快會發生水解與水化反應形成各種水化物。在這些水化物中，部分在硬化作用下形成水泥石骨料，部分則與周圍土顆粒（具有一定活性）通過離子交換作用，使小顆粒土粒團結成大團粒，從而在凝硬反應下逐漸生成穩定的結晶化合物，并且該化合物遇水不溶，最終達到提升水泥土強度的目的。與此同時，水泥水化物中處于游離狀態的Ca(OH)2通過對空氣與水中CO2的吸收，經過碳酸化反應生成難溶于水的無機化合物CaCO3，同樣也使水泥土的強度得到了提升。

2 高壓旋噴樁復合地基承載力計算理論

高壓旋噴樁單樁承載力標準值與復合地基承載力特征值最終應通過荷載試驗確定，初步設計可按下列公式估算。

（1）單樁承載力標準值Ra（kN）。

二者比較，取最小值。

式中：Ap為樁身截面積，㎡；up為樁周長，m；η 為樁身強度折減系數；fcu為樁立方體試塊（邊長70.7mm）標養28d 無側限抗壓強度平均值，kPa；d 為樁身平均直徑，m；n 為樁長范圍內所劃分的土層數；li為樁周第i 層土的厚度；qsi為樁側第i 層土的極限側阻力特征值，kPa；ap樁端端阻力發揮系數；qp為樁端天然地基承載力特征值，kPa。

（2）復合地基承載力特征值fspk（kPa）。

式中：Ap為樁身截面積，㎡；β 樁間土承載力折減系數；fsk為樁間土承載力特征值，kPa；m 為面積置換率，m=d2/de2，其中：d 為樁身直徑，m；de為單樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，m。

3 高壓旋噴樁成樁技術要求

（1）旋噴機（或鉆機）就位應平穩牢固，轉盤（或立軸）與孔位對正，傾角誤差≤0.5°（有特殊要求比如斜樁、水平樁、仰角樁型除外）。

（2）檢查管路系統（密封圈良好，各通道與噴嘴內干凈無粗顆粒雜物）與高壓設備，確保設備排量與壓力滿足實際需求。

（3）開始噴射注漿時，待估算水泥漿的前峰已流出噴嘴后，方可旋轉并提升注漿管；鉆進過程中，采用清水旋噴成孔，當鉆頭鉆進至距離樁底標高1m 后，需座噴1min 并待孔口返漿后，再以一定轉速和提升速度自下而上噴射注漿。

（4）開始噴射注漿的孔段要與前段搭接長度不少于0.2m，防止固結體脫節；如果在噴射注漿過程中出現噴嘴堵塞現象，或鉆機及高壓泵等出現故障而被迫停機時，停噴時間不應超過4h。

（5）噴射注漿作業后，由于漿液析水作用，一般均有不同程度收縮，使固結體頂部出現凹穴。為防止樁頂收縮，應采用返漿回灌或用水灰比為0.6～1.0 的水泥漿進行補灌。

（6）為了加大固結體尺寸，或對深層硬土為了避免固結體尺寸減小，可以采用提高噴射壓力或降低回轉與提升速度等措施，也可采用復噴工藝。

（7）為防出現串孔現象，旋噴樁應間跳或隔排施工。

（8）漿液配制時，水泥按量使用，水量以計量桶控制。經常抽查單樁水泥用量，嚴格執行單樁用漿量和設計水灰比。水泥漿至少攪拌3min，且必須攪拌均勻，制成的漿液經篩網過濾，清除雜質后才能使用。當受某種原因使配制的水泥漿停留時間超過3h（視為已初凝）時，禁止使用，應作廢漿處理掉。

4 高壓旋噴樁在地基加固中的應用

4.1 工程概況

某在建大樓位于廣東省清遠市高新區，建設總體占 地 面 積21378.97 ㎡，主 要 建 筑 物 由3 幢29～32 層住宅樓與若干附屬建筑以地下2 層停車庫組成，其中住宅樓采用筏板基礎，附屬建筑與地下車庫采用獨立柱加抗浮板基礎，設計地基承載力特征值fspk不小于500kPa，壓縮模量ES 不小于30MPa。基坑開挖后經地質鉆探取樣，基底地基土由上至下組成為：①粉土：層厚1.1～1.8m，fk=150kPa（地基承載力特征值）；②粉細砂層：層厚0.4～3.6m，fk=70kPa；③松散卵石： 層 厚0.6～3.4m，fk=180kPa，Pqk=1500kPa（ 極限端承力標準值）；④稍密卵石：層厚0.8～3.1m，fk=300kPa，Pqk=2500kPa； ⑤中 密 卵 石： 層 厚0.7～3.9m，fk=500kPa，Pqk=3500kPa；⑥密實卵石：層厚0.7～2.1m，fk=650kPa，Pqk=5000kPa。顯然，天然地基承載力無法滿足設計要求，為提升建筑地基承載力，保證建筑物穩定性，經綜合分析，擬采用高壓旋噴法實施地基加固。

4.2 高壓旋噴樁地基設計

（1）樁長確定。結合地質鉆探資料，本工程高壓旋噴樁設計最小樁長應自基礎地面起算至稍密卵石～密實卵石持力層，同時包含0.5m 的嵌入深度與0.3m 的保護樁長。

（2）樁徑確定。由于本單位對MG——150 型履帶式旋噴鉆機使用較多且經驗豐富，因此設計樁徑確定為該設備對應的直徑d=60cm。

（3）參數選取（計算）。根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ79－2002）、地勘資料以及地基設計要求，本設計方案fsk取值140kPa；fcu取值15000kPa；計算Ap=0.283 ㎡，up=1.884m；β 取值0.40；qp按最不利地段考慮，取值稍密卵石層極限端承力標準值的一半，即qp=1250kPa；qsi按不同地層取值，粉土取25kPa，粉細砂取30kPa，松散卵石取35kPa，稍密卵石取50kPa；η 取值0.33。

（4） 樁 間 距、 面 積 置 換 率（ 理 論） 計算。 由 上 式（1） 計 算Ra=0.33×15000×0.283 =1400.85kN；由上式（2）計算Ra=1.884×(25×0.2+30×1.5+35×1.2+50×0.5)+1×1250×0.283=574.1 8kN；綜合考慮Ra 按570kN 取值。現將Ra=570kN與fspk=500kPa 代 入 上 式（3）， 求 得m=0.2267； 再由m=d2/de2de=1.26m；以正三角形布置樁位，由de=1.05S（S 為樁間距）得S=1.2m，以此作為施工間距的控制。

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ79—2012）的規定，處理后的復合地基Es（壓縮模量）為該地基Es2 的ξ 倍，根據施工經驗，處理后的樁間土壓縮模量Es2 可取10.0MPa，而ξ 可由下式求得：

ξ=fspk/fsk=500÷140=3.57。

故復合地基Es=ξ·Es2=3.57×10.0=35.7MPa ＞30MPa，滿足設計要求。

4.3 高壓旋噴樁施工

（1）施工流程。樁孔定位→鉆機就位→鉆孔→插管→噴射作業→孔口補漿→注漿管沖洗→鉆機移位→漿體養護。

（2）施工參數。為確保成樁質量，經過試樁工藝后，本工程采用雙重管高壓旋噴樁工藝，技術參數如下：①水泥漿流量為60～70L/min，噴射壓力為25～30MPa；②空壓機流量3m3/min，壓力0.6～0.7MPa；③水泥采用42.5R 普通硅酸鹽水泥，水灰比1：1，用量不少于200kg/m；④旋轉速度12～18r/min；⑤提升速度18～23cm/min。

4.4 承載力檢測

以現場靜載試驗分別檢測單樁與復合地基承載力值，根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ79—2012）的規定，高壓旋噴樁復合地基應在成樁28d 進行檢測，檢測點為總樁數的0.5%～1%，并且每項單體工程不少于3 個點。

5 結語

通過檢測，本工程高壓旋噴樁單樁承載力最小值為570kN，平均值為574kN，復合地基承載力最小值為503kPa，平均值為507kPa，壓縮模量大于30MPa，達到了設計文件對地基承載力與變形的要求。