基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的高壓旋噴樁承載特性變化規(guī)律研究

錢(qián) 鋒

(中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300162)

1 研究背景

在工程施工過(guò)程，地基施工是重要構(gòu)成部分。地基作為工程施工的基本，如果出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)給整個(gè)項(xiàng)目帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失。因地基處理不當(dāng)導(dǎo)致工程失敗的例子比比皆是，如上海展覽中心館因地基問(wèn)題出現(xiàn)建筑物下沉等[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工程施工中常見(jiàn)的地基問(wèn)題涉及地基強(qiáng)度、地基變形、地基滲漏以及動(dòng)力穩(wěn)定性等多個(gè)方面。因此，為了確保施工質(zhì)量，確保建設(shè)項(xiàng)目的安全性，必須采取有效的應(yīng)對(duì)措施解決地基問(wèn)題[2]。

針對(duì)地基問(wèn)題，業(yè)內(nèi)常采用注漿加固法、樹(shù)根樁法、錨桿靜壓樁法、加大基礎(chǔ)底面積法以及高壓旋噴樁注漿法等予以處理。其中，注漿加固法指的是將固化漿液注入地基裂縫中，達(dá)到防滲、加固等目的，常用的注漿材料有水泥漿、高分子化學(xué)漿等；樹(shù)根樁法采用小直徑的鉆孔灌注樁，常用于淤泥、碎石等地基上原有建筑物的修復(fù)；錨桿靜壓樁利用固有錨桿的動(dòng)力實(shí)施壓樁，操作簡(jiǎn)單，適用于淤泥、粉土等地基中；加大基礎(chǔ)底面積法用于基礎(chǔ)底面積不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)時(shí)的建筑物的加固，常用的材料為鋼筋混凝土；高壓旋噴樁注漿法起源于日本，該方法利用鉆機(jī)鉆孔，并采用高壓水射流切割技術(shù)將注漿管插到目的層，沖擊破壞土地，一般來(lái)說(shuō)漿液射流壓力可以達(dá)到20 MPa[2-3]，這種方法具有漿液可控性好、固結(jié)體強(qiáng)度高等特點(diǎn)，常用于市政、隧道、礦井等施工領(lǐng)域，并取得了較好的應(yīng)用效果，施工過(guò)程中采用高壓旋噴樁注漿法能夠保證漿液在可控范圍內(nèi)固結(jié)，避免漿液流失到加固區(qū)域外。此外，該方法定位性能優(yōu)越，在高壓下可以形成圓柱狀的旋噴樁體。在施工領(lǐng)域中，高壓旋噴樁法具有經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)，在業(yè)內(nèi)廣受關(guān)注。

天津市東麗湖地區(qū)東文北路工程，全長(zhǎng)2.44 km，項(xiàng)目涉及道路工程、橋梁工程、排水工程、中水工程、照明工程、通信工程及交通設(shè)施工程等。在道路工程中需要進(jìn)行地基加固處理，高壓旋噴樁作為常用的技術(shù)，需要開(kāi)展旋噴樁承載特性變化規(guī)律的研究，為施工實(shí)踐提供參考。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際狀況，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式開(kāi)展研究。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次研究基于現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)，主要包括試驗(yàn)參數(shù)分析確定、試驗(yàn)加載方案以及數(shù)據(jù)測(cè)量等部分。

2.1 試驗(yàn)參數(shù)分析及確定

本次試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及設(shè)備實(shí)際性能，選擇2根試驗(yàn)樁開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，樁號(hào)命名為1#、2#，樁直徑均為60 cm，樁長(zhǎng)分別為10.5、11.50 m；根據(jù)工區(qū)地質(zhì)資料以及試驗(yàn)需要，樁頭改造為長(zhǎng)、寬、高均為80 cm的立方體，高噴樁頭嵌入50 cm。成樁后進(jìn)行鉆孔取芯，并檢驗(yàn)樁的平均抗壓強(qiáng)度以及平均彈性模量等物理特征參數(shù)，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 高壓旋噴樁相關(guān)參數(shù)表

試驗(yàn)選用單管旋噴，水泥為符合現(xiàn)場(chǎng)施工規(guī)定的425型號(hào)普通硅酸鹽水泥，根據(jù)需求將漿液水灰比定為1∶1。漿液壓力20 MPa，每分鐘流量100 L，配合比為1∶1，噴嘴直徑φ2～3 mm，轉(zhuǎn)速為20 r/min，漿管外徑值為42 mm，提升量為25 cm/min。基于上述參數(shù)，旋噴一個(gè)月結(jié)束后進(jìn)行單樁靜載荷試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)加載方案

為確保試驗(yàn)的科學(xué)性，樁身沉降量的測(cè)量選用百分表，旋噴樁身摩阻力、樁身應(yīng)變等物理特特征參數(shù)的測(cè)量選用鋼筋計(jì)，測(cè)量工具傳感器元件如圖1所示，其中括號(hào)內(nèi)數(shù)值為2#試驗(yàn)樁。

圖1 測(cè)量工具傳感器元件圖(單位：cm)

為檢測(cè)樁體是否符合靜載試驗(yàn)需求，在檢測(cè)前對(duì)其進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)，結(jié)果顯示，試驗(yàn)樁完整性較好，可開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)操作需嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定，選用慢速維持荷載法進(jìn)行加載，其中加壓方式為油頂加壓，并選用反力架等裝置，逐級(jí)加載到終止加載條件，加載方案示意圖見(jiàn)圖2，其中括號(hào)內(nèi)數(shù)值為2#試驗(yàn)樁。

圖2 加載方案示意圖(單位：cm)

2.3 試驗(yàn)測(cè)量

靜載試驗(yàn)中，及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量，主要觀(guān)測(cè)參數(shù)為荷載量以及沉降值。記錄工作如下：①根據(jù)規(guī)范要求，加載分級(jí)；②測(cè)量沉降數(shù)據(jù)并記錄，間隔5 min記錄1次，記錄3次后，間隔15 min記錄1次，1 h后，間隔0.5 h記錄1次；③樁體沉降速度不超過(guò)0.1 mm/h時(shí)，認(rèn)為達(dá)到每級(jí)荷載的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)行下一級(jí)荷載，通常情況下，在1.5 h內(nèi)記錄3個(gè)沉降速率，如果有2個(gè)記錄值不超過(guò)最小沉降率，即認(rèn)為該級(jí)荷載達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，需要注意的是，每級(jí)荷載維持時(shí)間不超過(guò)2 h；④根據(jù)施工標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)規(guī)范并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定終止加載條件。一般情況下，終止加載條件如下：①荷載沉降曲線(xiàn)出現(xiàn)可判斷承載力極限的陡坡段，即當(dāng)前沉降量為上級(jí)沉降量的5倍；②當(dāng)前沉降量超過(guò)上次沉降量?jī)杀叮摖顟B(tài)維持時(shí)間超過(guò)24 h；③當(dāng)前荷載超過(guò)極限荷載二級(jí)以上等。

3 結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析主要包括沉降變形、樁周摩阻力等兩部分。

3.1 沉降變形分析

基于上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到1#、2#試驗(yàn)樁荷載-沉降關(guān)系圖，見(jiàn)圖3。其中，1#試驗(yàn)樁受多種因素的制約，沒(méi)有達(dá)到極限荷載，與之相對(duì)應(yīng)的2#試驗(yàn)樁達(dá)到了破壞階段。從2#試驗(yàn)樁的曲線(xiàn)關(guān)系可以看出，高壓旋噴樁未達(dá)到破壞荷載時(shí)，其沉降量與荷載呈正相關(guān)的變化關(guān)系。此外，1#、2#試驗(yàn)樁的荷載-沉降關(guān)系圖顯示，1#試驗(yàn)樁斜率大于2#試驗(yàn)樁，說(shuō)明受到相同的荷載，1#試驗(yàn)樁變形相對(duì)更大。

圖3 1#2#試驗(yàn)樁荷載-沉降關(guān)系圖

3.2 樁周摩阻力分析

基于上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到如下樁周摩阻力-樁長(zhǎng)變化關(guān)系圖，其中，1#試驗(yàn)樁見(jiàn)圖4，2#試驗(yàn)樁見(jiàn)圖5。從1#、2#試驗(yàn)樁的變化關(guān)系圖可以看出，當(dāng)樁體在受到較小荷載的情況下，摩阻力與頂部荷載呈現(xiàn)出正相關(guān)的變化關(guān)系，但荷載達(dá)到某臨界值時(shí)，隨著頂部荷載的增加，摩阻力變化較小，其中2#試驗(yàn)樁尤為明顯，當(dāng)荷載很大時(shí)，樁身不穩(wěn)定。高壓旋噴樁摩阻力自下而上發(fā)展，表現(xiàn)出上小、下大的特征，隨著頂部荷載的逐步增大，摩阻力逐步呈現(xiàn)出階梯狀的特點(diǎn)。

圖4 1#試驗(yàn)樁樁周摩阻力-樁長(zhǎng)變化關(guān)系圖

圖5 2#試驗(yàn)樁樁周摩阻力-樁長(zhǎng)變化關(guān)系圖

分析認(rèn)為，高壓旋噴樁承載特性變化規(guī)律與其成樁機(jī)理有著密切的關(guān)系。高壓旋噴樁在沉降和變形的過(guò)程中，會(huì)受到周?chē)鷰r土的綜合阻力(即摩阻力)，由于旋噴樁在成樁的過(guò)程中需要應(yīng)用高壓水流螺旋式切割土體，因此會(huì)受到周?chē)恋淖枇ΑＭǔＧ闆r下，高壓水流近似“葫蘆狀”，間隔一段距離樁徑便由小變大，在高壓水流作用下，樁壁分段嵌入樁周巖土中。

4 總 結(jié)

高壓旋噴樁自20世紀(jì)70年代從日本推出后，在市政、隧道、礦井等施工領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。高壓旋噴樁利用高壓發(fā)動(dòng)裝置噴射配置好的漿液破壞土體，并利用鉆桿將土體攪拌均勻，形成水泥土固結(jié)體。與其他施工方式相比，這種施工方法設(shè)備震動(dòng)小、噪音低、成本低、經(jīng)濟(jì)效益高、社會(huì)效益好，一直廣受人們熱捧。據(jù)調(diào)研，業(yè)內(nèi)認(rèn)識(shí)從多個(gè)方面開(kāi)展高壓旋噴樁的試驗(yàn)應(yīng)用研究[2-4]，比如處理濕陷性黃土路基沉陷問(wèn)題、軟地基加固處理、地基檢測(cè)等。在質(zhì)量檢測(cè)方面，多通過(guò)自檢自測(cè)程序開(kāi)展，比如認(rèn)真核對(duì)測(cè)量控制點(diǎn)，確保樁位的準(zhǔn)確測(cè)放；確保施工作業(yè)場(chǎng)地的平整度，保證作業(yè)設(shè)備傾斜度不超過(guò)1.5%。旋噴施工時(shí)，鉆頭提升高度應(yīng)高于樁頂標(biāo)高30 cm；另外觀(guān)察試驗(yàn)樁不同位置樁徑的變化，根據(jù)地層地質(zhì)狀況確保樁徑符合設(shè)計(jì)要求；實(shí)際施工時(shí)注意結(jié)合地層情況調(diào)整配合比，保證施工質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。旋噴樁施工后，隨機(jī)抽取施工總樁數(shù)的5%進(jìn)行抽檢，通常情況下數(shù)量不少于3根。施工后常見(jiàn)的檢測(cè)方法有開(kāi)挖檢測(cè)、樁體取芯檢測(cè)、承載力檢測(cè)、低應(yīng)變檢測(cè)等。其中，開(kāi)挖檢測(cè)較為直觀(guān)，一般在施工結(jié)束7 d后開(kāi)展，將樁體暴露出來(lái)檢測(cè)其成樁直徑、有效樁長(zhǎng)、樁體強(qiáng)度，檢查完畢后將土體恢復(fù)原狀。樁體取芯檢測(cè)也是較為常見(jiàn)的檢測(cè)方式，一般在樁體施工結(jié)束28 d后開(kāi)展，通過(guò)取芯工具在樁體中心10～15 cm處取芯，并判斷樁體是否存在斷樁、夾泥等[4]。另外，取芯試樣制作成標(biāo)準(zhǔn)的試塊后，可開(kāi)展抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，對(duì)樁體的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。承載力檢測(cè)主要涉及單樁承載力以及復(fù)合地基承載力等。一般在樁體施工結(jié)束28 d后開(kāi)展，隨機(jī)抽取施工總樁數(shù)的1%進(jìn)行抽檢，通常情況下數(shù)量不少于3根。低應(yīng)變檢測(cè)中常應(yīng)用的方式瞬態(tài)沖擊，通過(guò)分析樁身受到應(yīng)力后產(chǎn)生的反射、透射曲線(xiàn)，評(píng)估樁身是否存在缺陷等。

高壓旋噴樁的承載特性，是設(shè)計(jì)施工人員的關(guān)注熱點(diǎn)。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析了高壓旋噴樁頂部荷載與樁深之間的變化關(guān)系，并探究了高壓旋噴樁承載特性變化規(guī)律。研究基于現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)，主要包括試驗(yàn)參數(shù)分析確定、試驗(yàn)加載方案以及數(shù)據(jù)測(cè)量等，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及設(shè)備實(shí)際性能，選擇2根試驗(yàn)樁開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀(guān)測(cè)得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并開(kāi)展沉降變形分析、樁周摩阻力分析。通過(guò)試驗(yàn)得到沉降量與頂部荷載的變化規(guī)律如下：樁體自身破壞前，其沉降量與頂部荷載呈現(xiàn)正相關(guān)的變化關(guān)系；當(dāng)荷載較小時(shí)，摩擦阻力隨頂部荷載呈正相關(guān)的變化關(guān)系；當(dāng)荷載逐步增加到某限度時(shí)，摩擦阻力隨頂部荷載呈負(fù)相關(guān)的變化關(guān)系。摩擦阻力自樁身下部向上部發(fā)展，與荷載成正相關(guān)的關(guān)系。該認(rèn)識(shí)對(duì)于指導(dǎo)高壓旋噴樁實(shí)際施工有一定的參考和借鑒意義。對(duì)于符合地基承載力計(jì)算中的樁、土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有待開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

高壓旋噴樁具有施工噪音低、經(jīng)濟(jì)效益高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在市政建設(shè)、公路施工、隧道施工等方面有著廣泛的應(yīng)用，開(kāi)展承載特性等實(shí)驗(yàn)分析能夠推動(dòng)施工工藝和設(shè)備的發(fā)展進(jìn)步，并為相關(guān)工程項(xiàng)目的施工提供參考和借鑒。

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