高壓旋噴樁在軟弱土夾層地基處理中的應用

方常芳

福建省電力勘測設計院（350003）

1 工程概況

某電廠冷卻塔，塔高為115.7m，喉部標高為91.1m；冷卻塔水池外側半徑為49.0m，喉部半徑為24.5m；塔筒最小壁厚為170mm，最大壁厚為700mm。冷卻塔基礎采用環形基礎，環基寬度為4.5m。冷卻塔塔身自重產生的地基反力約為140kPa；考慮風荷載時環基基底最大地基反力約為240kPa。

2 地質概況

地質勘探資料顯示，工程場地的地質較為復雜，存在軟弱夾層，環形基礎范圍內土層軟硬不均；場地下方發育有一定程度的巖溶，多為充填溶洞；灰巖面上局部區域分布較厚的極軟弱土層（最厚達9m），具體基礎地層分布如下:

②粉質黏土:沖洪積，廣泛分布,可塑～軟塑狀,均勻性較差，一般厚度為1～1.5m，屬于物理力學性質較差的土層，承載力特征值為120kPa。

③含泥卵石:沖洪積，廣泛分布,雖物理力學性質較好,具備較高強度,但分布厚度不均，厚度為1.5～5.5m，承載力特征值為300kPa。

⑤-2粉質黏土:殘積，物理力學性質較差,厚度為1～5m，壓縮性高，壓縮模量為4.0MPa，承載力特征值為100kPa。

⑥-1含角礫石黏土:殘積，局部分布，厚度不均，最大厚度為7m，物理力學性質較好，承載力特征值為230kPa。

⑥-2含角礫石黏土:殘積，物理力學性質較差,壓縮性高,壓縮模量僅為1.0MPa，最大厚度為9m；該土層局部地段出現過鉆探鉆頭直接墜落的現象；約1/3地基范圍分布有該土層。

⑧強風化泥質粉砂巖:物理力學性質較好，壓縮模量為20MPa，土層厚度為1～20m，約1/2基礎范圍分布有該土層。

⑨中風化石灰巖:地層面起伏變化較大，局部溶洞發育。

3 地基處理設計

3.1 方案的選擇

自然通風冷卻塔為雙曲線鋼筋混凝土薄殼結構，除對地基承載力有基本要求外，地基是否均勻沉降也是設計必須考慮的重要因素。冷卻塔環基對地基承載力要求不高，從土層巖土力學指標看，可以利用③含泥卵石層作為冷卻塔的持力層，采用挖除②粉質黏土層換填砂碎石的方式進行地基處理，但是，由于工程區域土層軟硬不均，而且還處于大面積回填區，場地回填厚度達4～6m，大面積填土及上部結構自重產生的附加荷載導致不均勻沉降遠遠超出規范要求，必須對冷卻塔地基進行處理。

拓展階段分為兩部分：小組講臺匯報和教師引導討論。十個小組依據抽簽書序，選取代表上臺匯報敘述性描寫特征（每組2分鐘）（組內一位同學在黑板書寫句子），匯報后同學和老師給予評價反饋（每組1分鐘）。所有組匯報結束后，教師引導討論給出一個綜合性的概括，然后結合文章和同學一起逐一詳細找出和解釋敘述性描寫的應用（共25分鐘）。最后的5分鐘為整個講解及授課的綜合答疑和布置作業。

由于灰巖面起伏變化極大，局部灰巖面陡峭，灰巖面下分布著大量的小型溶洞，若選用沖孔灌注樁并以中風化石灰巖為持力層，則必須通過地質鉆探來判斷樁端以下3倍以上樁徑范圍內是否存在軟弱破碎帶或洞穴分布，這對需要大量樁基處理的工程顯然不合適。設計考慮采用高壓旋噴注漿法對軟弱土層進行土體加強。

3.2 高壓旋噴樁布置設計

高壓旋噴注漿法是在靜壓注漿法基礎上發展而來的化學處理地基的方法。采用帶有特殊噴嘴的注漿管，以20MPa左右的壓力，將能凝固的漿液注入土層中預定深度的位置；利用高壓噴射流強力沖擊并破壞土體，同時以一定的速度邊旋轉邊提升注漿管，使漿液與土攪拌混合，經固化后在土體中形成固結體，用于加固地基，提高地基的抗剪強度，改善土的變形性質。

設計利用高壓旋噴注漿形成的樁體與樁間土組成復合地基，從而調整冷卻塔環基的沉降量，達到均勻沉降的目的。經高壓旋噴注漿處理后的復合土層的壓縮模量按下式計算:

Esp=mEp+（1-m）Es

式中，Esp為復合土層的壓縮模量；Ep為旋噴樁樁身的壓縮模量；Es為樁間土的壓縮模量；m為樁土面積置換率。

本工程設計時，參考類似地質條件已完工工程的試驗數據，取樁體壓縮模量為120MPa，進行沉降變形計算。地基處理施工結束后，對旋噴樁及樁間土進行鉆孔取芯試驗，試驗結果表明：旋噴樁樁體壓縮模量均大于120MPa，樁間土壓縮模量也有不同程度的提高。為了設計安全，樁間土壓縮模量取原土層數值進行計算。通過研究土層分布，選擇梅花狀布置樁位，并通過調整旋噴樁的間距來調整復合土層的壓縮模量，以達到沉降均勻的目的。設計主要考慮對基礎下方⑤-2、⑥-2軟弱土層進行旋噴注漿處理，對其他土層僅采取調節不均勻沉降量的措施。

3.3 施工技術要求

選用單管高壓旋噴注漿施工技術，要求⑤-2、⑥-2軟弱土層旋噴后形成固結體、樁身直徑不小于600mm。根據工程經驗，初步確定了主要的施工技術參數和要求：注漿壓力為25MPa，注漿流量不小于30L/min；提升速度為0.1～0.20 m/min，旋轉速度為15r/min；采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥漿液的水灰比為1.0；為保證旋噴樁體的直徑及質量滿足要求，注漿完成后要復噴一次。經后期質量檢驗，證明以上施工技術參數是合適的。

4 地基處理施工

在開展大面積施工前，對每一布樁分區進行各不少于5根樁的試噴。試噴樁的布點選擇在已有的地質鉆孔上或已有地質鉆孔的周圍。根據地質鉆孔資料以及試噴過程中貫入噴射管的難易程度（貫入速度）、注漿壓力變化、提升速度、注漿量等，總結該分區的施工數據，并以該試驗數據作為該分區的施工控制數據和設計修正依據。對于施工過程中發現的地質發生突變或與周邊地質鉆孔資料不符的區域，要再次進行施工勘探。

5 旋噴樁的施工質量控制

高壓旋噴樁施工的隱蔽性強、地質條件千差萬別,施工過程中的質量控制工作較難開展,很容易出現質量事故,必須采取一些預防措施[1]。

1）旋噴前，要檢查高壓設備和管路系統，其壓力和流量必須滿足設計要求。

2）鉆機到位要準確，孔位偏差不應大于5cm。鉆機就位后，要用水平尺對鉆機的水平度進行檢查，以保證鉆孔的垂直度，垂直度允許偏差應為±1%。

3）旋噴施工時,先施工中心孔，然后施工周邊孔；周邊孔采用間隔跳打的方法進行施工。

4）在插管和噴漿過程中，要注意防止噴嘴堵塞；旋噴注漿完畢，應迅速拔出噴射管。

5）噴漿時,要做好壓力、流量和冒漿量的量測、記錄工作。鉆桿的旋轉和提升必須連續不中斷。

6）當鉆至設計深度以下0.2m后，將噴射注漿管貫入土中；噴嘴達到設計標高時，即開始噴射注漿。在噴射注漿參數達到規定值后，隨即按照旋噴工藝要求提升噴射管，由下而上、旋轉噴射注漿,并進行復噴。噴射管分段提升的搭接長度不得小于100mm，以保證噴射固結體不出現脫節現象。

7）攪拌水泥漿時,水灰比要符合設計規定,不得隨意更改。在旋噴過程中應防止水泥漿沉淀,避免出現漿液濃度降低的問題。禁止使用受潮或過期的水泥。

8）在旋噴注漿過程中出現壓力驟然下降、上升現象或出現冒漿異常現象時，應查明原因并及時采取措施。在施工過程中，應隨時觀察冒漿情況和土層情況，如果遇到噴嘴堵塞現象，應提升注漿管，待堵塞現象消失后再進行復噴；不冒漿或斷續冒漿屬于松軟土質下施工的正常現象，可適當進行復噴；冒漿量小于注漿量的20%屬于正常現象，超過20%或完全不冒漿時應采取相應措施。在旋噴過程中，如果因地層有較大空隙而導致不冒漿，可在漿液中加入適量的速凝劑，以縮短固結時間；當冒漿量過大時，可提高噴射壓力，適當縮小噴嘴孔徑，加快提升和旋轉速度。

9）旋噴注漿作業結束后，由于漿液析水作用會產生不同程度的收縮。為防止因漿液凝固收縮而在固結體頂部產生凹穴，可對已施工孔位采取冒漿回灌或二次注漿等措施。

10）施工完畢后,設備及管路要清洗干凈。

6 施工問題及其解決方案

在注漿過程中，遇到了不冒漿或斷續冒漿的情況，甚至連續幾個小時不冒漿。出現這種情況的可能原因是:①地下有溶洞存在，而且溶洞的體積很大，注漿液進入溶洞；②巖溶地區地下有暗河，所注漿液隨暗河流走；③從鄰近孔冒出。經與施工人員、地質人員溝通、分析，漿液沒有從鄰孔冒出，地下也不可能存在暗河，認為高壓漿液流入溶洞的可能性最大。處理措施：停止注漿，然后采用砂漿泵注入M15水泥砂漿；或在漿液中添加適量速凝劑并適當加大注漿流量，以0.1m/min的提升速度旋噴注漿1遍。14d后，再次對該樁位進行旋噴注漿，返漿正常，取得了理想的效果。

7 旋噴樁質量檢驗

可根據工程要求和經驗，采用開挖檢查、鉆孔取芯、標準貫入試驗、載荷試驗或圍井注水試驗等方法，對旋噴樁的質量進行檢驗。檢驗的主要內容包括固結體的整體性和均勻性、有效直徑、垂直度、強度特性、溶蝕和耐久性能等。

根據本工程地基處理的目的及特點，載荷試驗沒有實際意義，對處理深層軟弱土夾層部分進行開挖檢查也無法實現，但為了更直觀地校驗高壓旋噴注漿的效果，在冷卻塔塔基附近選擇地質條件相似且埋深較淺的場地進行了少量的高壓旋噴注漿試驗，并開挖檢查。本工程主要采用鉆孔取芯和標準貫入試驗相結合的方式，考慮到地質的復雜性，要求適當增加檢驗點數，各施工分區檢驗點數量不少于施工孔數的3%，且不少于3個點；同時，對旋噴形成的樁體間土層也進行鉆孔檢驗及標準貫入試驗。質量檢驗點的選擇：除具有代表性的樁位、施工中出現過異常情況的部位、地質情況復雜且可能對高壓噴射注漿質量產生影響的部位外，其他均隨機抽取。要求采用金剛石鉆頭直徑≥75mm、轉速不小于1000r/min的鉆機進行鉆孔取芯檢驗，觀察芯樣是否拌和均勻、膠結緊密，水泥固結體是否連續等，并對所取芯樣進行力學試驗[2]。

8 結語

本工程軟弱夾層地基經過高壓旋噴注漿處理后，施工期和運行期的沉降觀測數據均符合設計要求，達到了預期的效果。由此可見，高壓旋噴注漿法是一種經濟有效、安全可靠的地基處理方法,操作簡單、施工方便,可用于解決地基承載力不足及地基不均勻沉降等工程問題。