插芯高壓旋噴樁在復(fù)合地基補(bǔ)強(qiáng)加固中的應(yīng)用

張 葦（山西能源學(xué)院，山西 太原 030600）

高壓旋噴樁是目前加固軟土地基的常用處理方法之一，其原理是采用鉆機(jī)將帶有特制噴嘴的注漿管鉆入指定深度的土層內(nèi)，使用20MPa～40MPa的高壓噴射流破壞地基土體，注入的漿液將沖下的土體置換，或與土體混合經(jīng)過(guò)凝結(jié)固化形成固體，從而提高地基土層的承載力，減少地基土的變形[1-4]。但由于高壓旋噴樁一般采用水泥漿液進(jìn)行土體加固，其本身單樁承載力較低，在地基承載力要求較高的情況下，樁體自身的材料強(qiáng)度往往不能滿足要求，而在旋噴樁上部部分插入型鋼則可以提高旋噴樁單樁承載力，擴(kuò)大其在工程上的使用范圍[5]。本文依據(jù)插芯高壓旋噴樁在高層住宅地基加固中的應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)插芯高壓旋噴樁的應(yīng)用效果做了討論。

1 工程概況

1.1 工程及地質(zhì)概況

本工程為某小區(qū)高層住宅樓，地下一層，地上三十層，建筑高度99m，室內(nèi)外高差0.45m，建筑平面尺寸為長(zhǎng)91.2m、寬20.6m。上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土剪力墻，基礎(chǔ)采用平板式筏形基礎(chǔ)。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，地面粗糙度類別為B類，設(shè)計(jì)使用年限50年。地基土的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)分層統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表1。在勘察期內(nèi)測(cè)得地下水穩(wěn)定水位在3.2m～6.8m左右，地下水類型上部為孔隙水，主要含水層為第①、②層粉砂、粉細(xì)砂，第③層以下則為承壓水。本工程場(chǎng)地土類型屬中軟場(chǎng)地土，嚴(yán)重液化場(chǎng)地，液化土層主要為第①層粉砂和第②層粉細(xì)砂。

表1 地基土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 既有地基處理方案

為了消除場(chǎng)地液化，采用了強(qiáng)夯法對(duì)整個(gè)基礎(chǔ)范圍內(nèi)的地基土進(jìn)行加固處理，單擊夯擊能4000kNd·M，夯點(diǎn)間距為6.0m，呈正方形布置。強(qiáng)夯后的地基承載力經(jīng)檢測(cè)達(dá)到220kPa，不符合上部結(jié)構(gòu)荷載要求，在經(jīng)強(qiáng)夯處理后的地基土上滿打CFG樁，樁徑400mm，正方形布樁，樁間距1300mm，樁長(zhǎng)21m，且應(yīng)進(jìn)入樁端持力層粉砂層。樁體混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值要求達(dá)到C20，施工采用長(zhǎng)螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁工藝。經(jīng)處理后的復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值為500kPa，復(fù)合地基的最終變形量小于50mm。

2 地基加固方案的選取

本工程在平板筏形基礎(chǔ)施工過(guò)半時(shí)，由于建筑方案臨時(shí)調(diào)整，結(jié)構(gòu)主體外輪廓發(fā)生變化，基礎(chǔ)底面積增大，結(jié)構(gòu)新增部分下方的地基土僅進(jìn)行了強(qiáng)夯處理，未進(jìn)行CFG樁加固，不足以承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載，必須對(duì)這部分地基土進(jìn)行加固處理。但是由于基礎(chǔ)部分施工正在進(jìn)行中，現(xiàn)場(chǎng)工作面很狹小，CFG樁的施工設(shè)備不能進(jìn)場(chǎng)，不能進(jìn)行CFG樁補(bǔ)打操作。這就需要選擇一種新的地基處理方案以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工操作面的要求，既能在有限場(chǎng)地條件下進(jìn)行施工，又可以滿足地基承載力和基礎(chǔ)變形的要求，并可以同CFG樁復(fù)合地基共同工作，保證上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)方案比較論證，依據(jù)現(xiàn)有施工場(chǎng)地狀況確定選用施工占地面積較小的高壓旋噴樁來(lái)加固擴(kuò)出的地基土。高壓旋噴樁采用三角形布樁方式，樁徑600mm,樁間距1200mm,，樁長(zhǎng)21m。樁身強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值要求達(dá)到5MPa，水泥采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5。CFG樁及補(bǔ)打高壓旋噴樁樁位具體布置如圖1所示。

圖1 CFG樁與高壓旋噴樁樁位布置平面圖

3 高壓旋噴樁加固地基設(shè)計(jì)方案

3.1 高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力計(jì)算

根據(jù)《建筑地基處理規(guī)范》（JGJ79-2012）[2]中的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值和單樁承載力特征值應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定，在初步設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)以下兩個(gè)公式確定。

式（1）中fSPK-為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；

λ-為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，應(yīng)由單樁復(fù)合地基試驗(yàn)按等變形準(zhǔn)則確定，有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)也可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；

m-為面積置換率；

Ap-為樁的截面面積，m2；

R-為單樁豎向承載力特征值，kN；

β-為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；

fSK-為處理后復(fù)合地基樁間土承載力特征值（kPa），可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。

式（2）中μp-為樁的周長(zhǎng)，m；

lpi-為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；

αp-為樁端阻力發(fā)揮系數(shù)；

qsi和qp-分別為樁周第i層土的側(cè)阻力和樁端阻力，kPa，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。

高壓旋噴樁單樁承載力除了受到樁土相互作用以及樁身幾何尺寸的影響外，還受樁身材料強(qiáng)度的控制，其樁身強(qiáng)度需要滿足公式（3）的要求。

3.2 幾何設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

通過(guò)上述公式（1）～（3），可確定高壓旋噴樁復(fù)合地基的初步設(shè)計(jì)參數(shù)和承載效果。在本工程中，為了保證整體樓座可置于變形均勻的地基土層上，新增高壓旋噴樁復(fù)合地基需要達(dá)到同已有CFG樁復(fù)合地基基本相同的地基承載力。在選定樁長(zhǎng)時(shí)，將兩種不同樁型的樁端持力層置于同一土層上，從而確保復(fù)合地基下臥層的受力均勻，變形一致。另外，考慮到上部結(jié)構(gòu)擴(kuò)出部位為建筑角部，向下傳遞的荷載較大，同原有的CFG樁相比較，新增的高壓旋噴樁采用較大的直徑（d=600mm）和更為緊湊的三角形布樁方式。

根據(jù)鄭剛[6]所做的水泥土-土、混凝土-土接觸面荷載傳遞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知水泥土攪拌樁與土之間的摩擦力大于干法成孔灌注樁和泥漿護(hù)壁成孔灌注樁與土接觸面的摩擦力，故在計(jì)算時(shí)，高壓旋噴樁的樁側(cè)阻力和樁端阻力均可按照已有地勘報(bào)告所提出的鋼筋混凝土灌注樁的參數(shù)來(lái)選用。

經(jīng)公式（1）計(jì)算分析，在此種布樁方式下，要保證旋噴樁復(fù)合地基承載力達(dá)到520kPa，其單樁承載力特征值要求達(dá)到577kN即可。而根據(jù)公式（2），樁側(cè)摩阻力和樁端阻力所提供的單樁承載力特征值可以達(dá)到了797kN，滿足要求。

3.3 樁身強(qiáng)度的改善

在確定樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)旋噴樁在相似土質(zhì)條件下的施工經(jīng)驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果，樁身強(qiáng)度最高可取為5MPa。根據(jù)公式（3），反算其所能提供的單樁承載力特征值僅為230kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)所需要的577kN。這是由于高壓旋噴樁樁體材料為水泥土，樁體自身強(qiáng)度相對(duì)較低，樁體向下傳遞荷載的能力非常有限，從而導(dǎo)致高壓旋噴樁很少用于較高地基承載力要求的地方。

一些工程實(shí)踐也表明，常規(guī)的水泥土樁的破壞并不是因?yàn)闃秱?cè)阻力和樁端阻力達(dá)到極限，而是由于水泥土自身強(qiáng)度不足導(dǎo)致的。考慮到高壓旋噴樁這一缺陷，提出了一種在樁體上部有限樁長(zhǎng)度內(nèi)插入強(qiáng)度高于水泥土構(gòu)件的辦法，增大旋噴樁樁身上部截面的抗壓強(qiáng)度，增強(qiáng)樁體向更大深度處傳遞荷載的能力，從而提高單樁承載力，擴(kuò)大旋噴樁的適用范圍。芯材的插入時(shí)間應(yīng)控制在高壓旋噴注漿完畢而水泥未初凝之前；在選擇插芯材料時(shí)，要充分考慮芯材自身的抗壓強(qiáng)度是否足夠，同時(shí)還要考慮芯材與水泥土之間的粘結(jié)力足夠承擔(dān)上部傳來(lái)的荷載，不會(huì)發(fā)生芯材同水泥土之間粘結(jié)力不足而破壞；在芯材長(zhǎng)度的確定上，要根據(jù)下部未插芯的高壓旋噴樁所能承擔(dān)的承載力來(lái)確定，即旋噴樁的單樁承載力Ra可分為兩部分，上部插芯部分Ra1和下部未插芯部分Ra2，如公式（4）所示。Ra1和Ra2可通過(guò)公式（2）和（3）計(jì)算確定。

根據(jù)本工程自身特點(diǎn)以及施工緊迫性的要求，在高壓旋噴樁上部9m范圍內(nèi)插入直徑245mm、壁厚7mm的Q235熱軋無(wú)縫鋼管，提高樁體上部截面的抗壓強(qiáng)度，具體如圖2所示。圖中鋼管自身的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到215MPa，按其樁身強(qiáng)度所能承擔(dān)的承載力達(dá)到1124kN。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，鋼管同水泥土之間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取0.2MPa，則通過(guò)計(jì)算可知，鋼管與水泥土接觸面的摩擦力可提供的承載力足夠承擔(dān)上部荷載，水泥土與鋼管可以共同工作。通過(guò)公式（4）計(jì)算可得，在插入9m鋼管后，旋噴樁未插芯部分的強(qiáng)度足以承擔(dān)上部傳來(lái)的荷載，插芯高壓旋噴樁復(fù)合地基可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的地基承載力。

圖2 插芯高壓旋噴樁剖面圖

3.4 復(fù)合地基檢驗(yàn)

作為補(bǔ)強(qiáng)加固的高壓旋噴樁施工完成后，為檢驗(yàn)復(fù)合地基的承載力滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行平板靜載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)采用壓重平臺(tái)反力系統(tǒng)，液壓千斤頂加壓，采用1m×1m方形承壓板，沉降觀測(cè)采用百分表、基準(zhǔn)梁觀測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)總載荷為1100kPa，分10級(jí)加載，每級(jí)荷載增量為110kPa。此外，抽取3根旋噴樁做取芯檢驗(yàn)，并對(duì)所有的旋噴樁采用低應(yīng)變檢測(cè)樁身的完整性。試驗(yàn)結(jié)果表明，在本工程中采用的此種插芯高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力、樁身強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 上部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

對(duì)于高層住宅下部采用兩種不同地基處理方式的工程，還應(yīng)該在基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)上采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，保證上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基之間傳力的均勻性，減小整個(gè)建筑的不均勻沉降。在本工程高壓旋噴樁部位新增筏板基礎(chǔ)，在滿足上部結(jié)構(gòu)傳力要求的同時(shí)，增大筏板在交接部位配筋，適當(dāng)增大外邊緣，即增大樓座底面積，減小基底壓力，通過(guò)厚板作用將上部荷載更均勻地傳遞到復(fù)合地基土上。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)此工程實(shí)例，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在場(chǎng)地條件有限的情況下，施工設(shè)備要求較小的高壓旋噴樁是進(jìn)行既有建筑的地基補(bǔ)強(qiáng)和加固的很好選擇。

（2）在高壓旋噴樁有限樁長(zhǎng)內(nèi)插入合適強(qiáng)度的芯材，可以有效提高旋噴樁體自身強(qiáng)度，提高單樁承載力，從而提高復(fù)合地基的承載能力，擴(kuò)大高壓旋噴樁的使用范圍。

（3）高壓旋噴樁+芯材的組合樁體設(shè)計(jì)目前還沒(méi)有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，水泥土同芯材之間的相互作用機(jī)理以及樁的整體傳力機(jī)制還需要研究人員進(jìn)一步的探討研究。

（4）對(duì)于處在兩種不同地基處理方式上的上部結(jié)構(gòu)，應(yīng)在協(xié)調(diào)地基處理方式的同時(shí)對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，保證上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基之間的協(xié)同工作。