高壓噴射注漿法在市政橋涵地基處理中的應用

劉傳佩

（1.同濟大學，上海市 200092；2.濟南市市政工程設(shè)計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南 250101）

0 引言

地基處理工法一般包括換填法、壓（夯）實法、預壓地基法、注漿加固法、復合地基等型式，復合地基樁體材料分為散體材料和剛性材料[1]。高壓噴射注漿法屬于剛性材料復合地基，它以高壓水泥漿液與地基土混合固結(jié)形成一種樁土復合材料[2]，該工法自20世紀70年代引進我國以來[1]，因其具有土層適應性強、施工工藝簡單、經(jīng)濟造價低等優(yōu)勢廣泛應用于巖土工程中，一般具有擋土、止水、加固地基的作用。本文以濟南市西客站片區(qū)聊城路臘山河橋梁為工程背景，對橋涵軟弱地基加固處理的設(shè)計、施工及監(jiān)測過程進行闡述，以期對類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 橋梁型式及規(guī)模

本橋梁采用跨徑組合為9 m+12 m+9 m的箱涵結(jié)構(gòu)型式，箱涵總高7.0 m，涵長為40 m，分三幅，分幅組合為9.5 m+21 m+9.5 m，橋型布置見圖1、圖2。

1.2 工程地質(zhì)水文情況[4]

（1）地形地貌

臘山河位于場區(qū)東部，屬小清河的一級支流，擬建橫跨臘山河，地形為河岸兩側(cè)高，中間低，場地內(nèi)自然地面標高26.01～27.14 m，臘山河該段河道寬約24.0 m，徑流方向自南向北，水深約2.5 m，水面標高為24.08 m。

（2）水文情況

勘探期間測得鉆孔內(nèi)地下水靜止水位埋深4.90～6.00 m，相應標高 20.22～21.54 m，其補給方式主要為臘山河河道徑流補給，地下水位受臘山河徑流影響較大。

（3）土層性質(zhì)（見表 1）

①素填土（Q42 ml）：黃褐色，可塑，濕，黏性土為主，層厚：2.20～4.00 m。

②粉質(zhì)黏土（Q 4al）：褐黃色，可塑，濕，含氧化鐵，層厚：1.60～3.60 m。

③粉質(zhì)黏土（Q 4al）：灰黑色，可塑，濕，刀切面較光滑，含有機質(zhì)。

③1粉質(zhì)黏土：黃灰色，可塑，濕，含有機質(zhì)，層厚：0.30～1.50 m。

④粉質(zhì)黏土（Q4 al+pl）：灰黃色，可塑，濕，含鐵錳氧化物，少量姜石，層厚6.40～9.50 m。

⑤粉質(zhì)黏土（Q 3al+pl）：淺棕黃色，可塑，濕，含鐵錳氧化物，少量姜石。

⑤1粗砂：褐黃色，稍密，濕，主要礦物成分為長石、石英、云母，含黏性土薄層。層厚：5.80～11.50 m。

⑥黏土（Q 3al+pl）：棕黃色，硬塑，濕，刀切面光滑，含鐵錳氧化物及其結(jié)核。層厚：7.00～10.80 m。

1.3 橋涵結(jié)構(gòu)計算

橋涵采用Midas-civil軟件進行建模，通過整體結(jié)構(gòu)分析，基底設(shè)計應力見圖3。

圖1 橋型立（剖）面圖（單位：cm）

圖2 橋型橫斷面圖（單位：cm）

表1 各層地基土主要指標參數(shù)表

圖3 基底設(shè)計應力圖

計算標準組合下的基底反力最大設(shè)計值為128.5kPa，箱涵底板上鋪裝的自重0.83m×25kN/m3=20.8 kPa，箱涵地板上水的重力（24.00-21.257）m×10 kN/m3=27.4 kPa，地基承載力設(shè)計值合計為σ=128.5+20.8+27.4=176.7 kPa。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，箱涵持力層為第④層粉質(zhì)黏土層，厚度6～9 m，地基承載力基本容許值為120 kPa，不滿足地基承載力設(shè)計要求，需進行地基處理。

2 地基處理方案的確定

軟土地區(qū)常用的地基加固辦法有換填法、水泥土攪拌樁法、高壓噴射注漿法等[1]。換填墊層法一般適用于厚度不大于3 m，本工程持力層厚達9 m，若持力層只換填3 m，橋涵會產(chǎn)生較大的工后沉降而影響正常使用。由于橋梁橋持力層位于水位以下，壓（夯）實法、預壓地基法及注漿加固法均無法保證地基處理的效果。經(jīng)比選分析，高壓噴射注漿具有施工設(shè)備小、機動性好、土層適應性強等優(yōu)點，能較好地滿足本工程的需要。

3 高壓噴射注漿復合地基的設(shè)計

高壓噴射注漿設(shè)計主要由復核地基承載力及其變形控制，復合地基承載力由旋噴樁單樁承載力及旋噴樁的布置確定。本工程高壓噴射注漿直徑600 mm，采用單管法注漿，縱橫向采用1 m×1 m等邊三角形梅花型布置，樁長8.0 m，加固土體為粉質(zhì)粘性土，根據(jù)經(jīng)驗加固土體強度為1.5～5.0 MPa，本工程要求加固土體強度不小于4.5 MPa，根據(jù)工程需要，要求處理后的地基承載力不應小于180kPa。

3.1 單樁承載力特征值計算

（1）根據(jù)樁體強度確定單樁承載力特征值：

式中：η為樁身強度折減系數(shù)，本工程取0.25；fcu為與旋噴樁樁身水泥土配合比相同的室內(nèi)加固土試塊（邊長為70.7 mm的立方體）在標準養(yǎng)護條件下28 d齡期的立方體抗壓強度平均值（kPa），本工程取fcu=4.5 MPa；Ap為樁的截面面積。

（2）根據(jù)樁長確定單樁承載力特征值：

式中：up為樁周長，m；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值（kPa），根據(jù)土層物理力學參數(shù)表確定；lpi為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度，根據(jù)地質(zhì)鉆孔分層厚度和旋噴樁所處位置確定；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，本工程取0.5；qp為樁端端阻力特征值，kPa。

單樁承載力根據(jù)上述兩者的較小值確定，取Ra=318 kN。

3.2 復合地基承載力特征值計算

滿足設(shè)計要求。

fspk為復合地基承載力特征值（kPa）；

fsk為處理后樁間土承載力特征值（kPa）；

λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，本工程取1.0；

m為面積置換率，對等邊三角形取0.141；

β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，本工程取0.25。

3.3 軟弱下臥層驗算

旋噴樁處理后的樁土復合體承載力較高，剛度較大，第⑤層粉質(zhì)粘土層fak=150 kPa為下臥層，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》5.2.7[3]條對第⑤層進行軟弱下臥層驗算如下：

pz+pcz=25+286.8=311.8 kPa＜faz=428 kPa，滿足設(shè)計要求。

pz為相應于作用的標準組合時，軟弱下臥層頂面的處的附加壓力值（kPa）；

pcz為軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值（kPa）；

faz為軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值（kPa）；

fak為地基承載力特征值（kPa）；

ηd為基礎(chǔ)埋置深度的地基承載力修正系數(shù)，本工程取1.5；

γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，位于地下水以下的土層取有效重度（kN/m3）；

d為基礎(chǔ)埋置深度。

3.4 復合地基的地基變形驗算

按分層總和法[3]計算出對應于荷載長期效應組合時的地基沉降量為14.87 mm，根據(jù)箱涵的整體沉降不應對橋面產(chǎn)生危害的原則，確定本箱涵地基沉降控制值為20.0 mm，箱涵的沉降滿足變形使用要求。

3.5 構(gòu)造措施

為保證復合地基受力的協(xié)同性和均勻性，同時達到隔水、排水的效果，本工程在箱涵底板與復合地基樁頂之間鋪設(shè)墊層，墊層做法：上層為C15素混凝土墊層，厚度15 cm，下層為級配碎石墊層，厚度為50 cm。

4 高壓噴射注漿復合地基的施工控制

本工程高壓旋噴樁采用單管法施工，高壓水的壓力為 32 MPa，流量 3.2 L/min，氣流壓力0.7 MPa，提升速度為0.38 m/min。水泥采用強度等級為42.5級普通硅酸鹽水泥。水泥漿液的水灰比為1∶1，單根旋噴樁每提升1 m的水泥用量如下：

式中：q1為單位時間水泥噴漿射量（m3/min），本工程取 3.2 L/min；t為提升 1 m 所需的時間（min），本工程實測值取2.6 min；A為單位體積水泥漿中水泥用量（kN/m3），水泥漿的水灰比為1∶1時，A=7.5 kN/m3，水泥比為 1.5∶1 時，A=5.5 kN/m3；V 為每延米旋噴樁的體積（m3）。

施工過程控制單根旋噴樁每提升1 m的水泥用量為240～260 kg，滿足設(shè)計要求。

5 高壓噴射注漿復合地基的檢測

高壓噴射注漿復合地基施工完成后，委托專業(yè)機構(gòu)對單樁承載力和復合地基承載力進行了檢測，見表 2、表 3。

根據(jù)檢測結(jié)果，本工程軟弱地基采用高壓噴射注漿法處理達到了地基承載力要求。

表2 單樁豎向承載力結(jié)論匯總表[5]

表3 單樁復合地基承載力結(jié)論匯總表[5]

6 結(jié) 語

在確定地基處理方案時，應綜合考慮工程地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)形式、周邊環(huán)境及施工工期等因素比選確定。高壓噴射注漿復合地基具有地層適應性強、施工簡便、機動性強的特點，在廣泛的工程應用中取得了良好的工程意義及社會效益。