高壓旋噴樁在某工程地基加固中的應用

張金山

（廣州工程總承包集團有限公司）

高壓噴射注漿加固簡單地說就是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進至土層的預定位置后，以高壓設備使?jié){液與水和空氣成為高壓流從噴嘴中噴射出來，沖擊土體。當能量大、速度快且為脈動狀的噴射流的壓力超過土體結構強度時，土粒便從土體剝落下來，一部分細小的土粒隨著漿液冒出，其余土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例與質(zhì)量大小有規(guī)律地重新排列。待漿液凝固后，便在土體中形成一個固結體。

噴射、旋轉、提升這三項同時進行時，產(chǎn)生五種功能，即射穿、切割、攪拌，擠壓和成樁。當高壓泵把漿液從噴嘴射出時，由于速度快、力量大，把一定厚度的土層射穿。由于旋轉，可把土體切割出圓形。在射穿和切割土體的同時，對尚未射穿的土體產(chǎn)生擠壓。又由于旋轉而產(chǎn)生強制攪拌。還由于提升，使上述幾種作用由面而發(fā)展到空間，最后形成圓柱狀的加固體。

在高壓噴射注漿加固中，噴流壓力對樁徑大小起決定作用。—般情況是噴流壓力越大樁徑越大。但是，如果噴流壓力過大，且有關因素未處理好，反而會使霧化現(xiàn)象增強，動壓能量削弱，樁徑反而變小，另一方面，噴流壓力增大，對機械設備的要求也隨之增高。根據(jù)以往經(jīng)驗，壓力在2～2.5 萬kPa 之間時，加固的樁徑較大。

噴流壓力對樁徑大小起決定作用，而噴嘴的斷面形狀也影響著噴流壓力和噴流的能量發(fā)揮。一般來說，在噴流壓力不變的條件下，噴嘴越大，成樁的樁徑也越大，但因噴嘴斷面積增大，其流量也相應增大，而流量又受高壓泵的最大排量的限制。另一方面，由于噴嘴斷面的增大，其幾何參數(shù)又將影響噴流動壓的發(fā)揮，弄不好還使樁徑變小，所以噴嘴的形狀也很重要。

土質(zhì)狀況也直接影響著噴流作用的發(fā)揮。一般情況下，土質(zhì)越松，土顆粒越粗，土的粘結力越小，則噴流射穿的能力越強，成樁的樁徑越大，加固的強度也越高。反之，土質(zhì)越密實，土顆粒越細，土的粘結力越大，則噴流射穿的能力越弱，成樁的樁徑越小，加固的強度也不均勻。

高壓噴射注漿加固具有如下的優(yōu)點：①高壓噴射注漿采用“高壓+噴射十注漿”的方法，使被加固土體的質(zhì)量有了可靠的保證，改變了過去一般的化學注漿以工藝和配方等措施去適應土質(zhì)的做法。加固體不但強度高，均勻性好，滲透系數(shù)小，耐久性好，而且形狀也可根據(jù)工程需要加以控制。②主要注漿材料為水泥，成本較低，原料豐富。③施工較簡便，以小直徑注漿管置入土層中即可獲得大直徑、長度任意的加固體，且施工時噪音低、震動小、不污染地下水。④既可用于建造之前，又可用在建造之中，特別是對地基加固，具有不損壞上部結構、不停產(chǎn)和不影響使用等特點。

某城市主干道快車道剛好位于軟土層中，根據(jù)地基處理的需要，進行了高壓旋噴注漿的試驗和施工。

1 試驗場地的工程地質(zhì)概況

試驗場地選在地基最弱的一段。該處地層0～10.2m 是砂粘土，有明顯層次，夾有10%左右的粘土塊；其中自地表至深3m 為可塑狀，含水量達19.2%；深5m以下呈軟塑狀，含水量達21.1%；地下水位深8.8m；因含水量較高，大孔土特性不明顯，天然容重在17.9kN/m3左右。

2 漿材選擇

試驗中采用水泥漿為主劑材料。開始時，為了早見效，水泥漿的水灰比為0.7，并摻入0.5‰的三乙醇胺和5‰的氯化鈣作早強劑。后因這種加了早強劑的水泥漿容易在高壓泵內(nèi)沉淀凝固，給泵的清洗工作帶來困難，并考慮到將來正式施工的快車道地基的強度要求和施工方便，改用純水泥漿，水灰比為1.5～2.0。

3 主要機具設備

高壓泵：90-C 型高壓泵，裝在水泥車上。

鉆機：PH-5B 履帶旋噴樁。

注漿管：單管φ55mm 的鉆桿。

圖1 旋噴注漿示意圖

4 試驗內(nèi)容和施工工序及組織

⑴試驗內(nèi)容

試驗分兩個階段進行。第一階段進行了一組3m 淺層短樁和一組10m 深層長樁試驗，主要目的是試驗旋噴法在該處地質(zhì)情況加固的可行性，并用于觀察樁體成形狀況，直徑大小，樁體內(nèi)部結構與強度變化，以及單樁承載力等參數(shù)。為此，旋噴結束后將其中一根單樁體完整地開挖后吊到了地面，并沿樁體一定高度(0.5m、l.0m、1.5m、2.5m)切開，分析樁體橫斷面內(nèi)部結構；將另一根短樁開挖后就地沿直徑縱向剖開，分析其樁體的縱向內(nèi)部結構。

第二階段試驗做了一組3m 淺層短樁和一組15m 深層長樁，著重解決增加旋噴樁直徑，使之達到0.8m，以滿足設計要求和擴大底部直徑增加承載力。

2）集水系統(tǒng)：集水系統(tǒng)厚度約300 mm，由粒徑20 mm左右的碎石或卵石平鋪而成，中間設有集水盲管，防滲層的坡度應坡向集水管，在集水管安裝有底層垂直通風復氧管。

⑵施工工序

施工工序簡寫為：鉆機就位整平→鉆進→配漿→注漿→旋噴加提升→成樁。

試驗性施工時，注漿壓力為15～25MPa，注漿管旋轉速度為22r/min，提升速度為20cm/min 左右。

⑶施工組織

每班15 人，其分工大致為：班長1 人，司機1 人，司鉆1 人，司泵1 人，記錄1 人，接卸鉆桿2 人，接卸高壓膠管1 人，開關水閥1 人，電工2 人，配漿及攪拌防止沉淀4 人。

圖2 高壓旋噴樁施工示意圖

5 試驗結果與分析

⑴經(jīng)檢查成樁長度與噴射深度一致，樁體直徑0.4m～0.65m，基本成圓形。

⑵觀察切開的一根樁體的橫斷面，除在離地面0.5m 的樁體頂部一段有直徑小于3mm 的氣孔（中心多于邊緣部分）外，其余整個樁體結構緊密，無明顯雜物；另一根樁體的縱斷面也沒發(fā)現(xiàn)任何夾層與雜物。縱橫斷面內(nèi)部結構吻合，均勻性好。

⑶本試驗旋噴樁每延長米平均體積為0.33 立方米，根據(jù)所用漿液計算（除去冒漿等損失的部分），漿液占成樁體積的66%, 大大超過了該處土體的孔隙率，證明其孔隙已被基本填滿，濕陷性消失，并因高壓噴射的作用，加大了原土體的密實度。

⑸從旋噴樁橫斷面上發(fā)現(xiàn)，雖然土與水泥混合均勻，但由于動能隨射流過程的遠近而有差異，因而自中心至邊緣各點，水泥與土的比例也有差別，強度也不相同。即強度自中心向邊緣逐漸增大。

⑹由于高壓噴射產(chǎn)生的動壓、噴流脈動負荷、水塊沖擊力等作用，使旋噴樁四周土體的密度增大，天然濕容重增加，N 值增大。

⑺單樁極限承載力達700～860kN。

總之，通過現(xiàn)場試驗，取得了較滿意的結果，為道路工程的地基加固，提供了有力的數(shù)據(jù)資料。

6 正式施工

試驗成功以后，用高壓旋噴法對軟土段的快車道地基進行了新建前的加固處理。

地質(zhì)概況是：0～3.0m 為回填土，3.0m～16.0m 為砂質(zhì)或亞粘土，16.0m～18.0m 為砂層，18.0m 以下為卵石層；其中16.0m～18.0m 局部地方有砂質(zhì)體；16.0m 左右出現(xiàn)地下水。

施工機具及施工方法同試驗。

旋噴樁最底部到卵石層上，注漿壓力為15～20MPa，提升速度為25cm/min，旋轉速度為32r/min。所用水泥漿水灰比為2,共完成噴射樁總延長2390m。

施工完后經(jīng)檢查，成樁直徑一般為0.6m～0.8m，試件強度達2500～3000kPa(設計要求為1800kPa)

施工實踐表明，在設備完好狀態(tài)下，連續(xù)作業(yè)，一根長17m 的旋噴樁體，只用3～4 小時即可完成(15 人一班)；其造價為一般樁基處理的1/3～2/3。

建成后，通過沉降觀測，無下沉現(xiàn)象，效果良好。

7 心得及體會

高壓旋噴樁施工是一種高壓作業(yè)，對安全作業(yè)要充分注意，如每次作業(yè)時要特別檢查壓力表是否完好，安全銷壓力值是否合適（大于注漿壓力的20%～30%為宜）；射水試驗是重要的一環(huán)，不可省，射水壓力應由低到高逐步增加，射水時嚴禁人臉部貼近噴嘴及各接頭處；嚴格遵守閥的開啟、關閉操作原則，先開排出管路上的閥，再開吸入管路上的閥，先關吸入管路上的閥，再關排出管路上的閥，高壓排出閥、高壓回水閥不得同時關閉，如要調(diào)換使用，必須先打開關閉的閥，再關已打開的閥；工作中一旦發(fā)生故障，不要慌張，應先采取一致的泄壓措施，待壓力降下來后再排除。