柯國貴

(福建省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院，福建福州 350001)

高壓旋噴注漿法已經(jīng)成為國內(nèi)外工程界地基處理方法的常用方法之一。高壓旋噴注漿加固體具有強(qiáng)度高、加固質(zhì)量均勻、加固體形態(tài)可控、經(jīng)濟(jì)實(shí)用以及基本無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)該方法成樁結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，施工無振動(dòng)，無噪聲，施工空間要求不高，工程造價(jià)較低等眾多優(yōu)點(diǎn)[1，2］，因此高壓旋噴樁在地基加固處理中的應(yīng)用也越來越廣泛。

1 高壓旋噴樁技術(shù)原理

高壓旋噴樁通過高壓旋噴流切割破壞土體作用、混合攪拌作用以及壓密作用，致使?jié){液與土粒強(qiáng)制攪拌混合凝固后，便在土中形成一個(gè)加固土體。現(xiàn)有的高壓噴射注漿技術(shù)施工壓力已達(dá)40 MPa，可分為高壓與超高壓兩種工法，施工深度可達(dá)25 m～40 m，加固體最大直徑可達(dá)2 m，且強(qiáng)度穩(wěn)定。旋噴法可控制加固范圍，能夠連成一片，旋噴成垂直樁、水平樁和斜樁，也可制成一定間距的樁柱體，只要適當(dāng)調(diào)配硬化劑的用量，便能使各個(gè)施工對(duì)象得到相應(yīng)的強(qiáng)度。

2 高壓旋噴樁在橋梁基礎(chǔ)加固中的工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某已建橋梁是一座二級(jí)公路上的橋梁，橋長(zhǎng)45 m，橋面寬16 m;其上部結(jié)構(gòu)為3孔懸臂箱形梁橋，左右幅由兩座獨(dú)立橋梁組合而成，橋面鋪裝成一體，橋面縱坡1.5%;下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土排架樁墩，橋梁的基礎(chǔ)為雙層鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，左右幅基礎(chǔ)平面布置詳見圖1，擴(kuò)大基礎(chǔ)底長(zhǎng)、寬分別為6.4 m，3.0 m，高度為2.4 m，上下兩層高度一樣均為1.2 m，階寬為0.5 m?；A(chǔ)周邊土層自上而下為人工填土(厚度1.8 m～2.0 m)、砂礫土(厚度11.2 m～12.6 m)，下部為基巖及其風(fēng)化層，擴(kuò)大基礎(chǔ)底置于砂礫土層上，基礎(chǔ)埋深3.62 m。由于地質(zhì)條件的變化或勘察誤差等原因，持力層砂礫層實(shí)際承載力比原勘察時(shí)低(經(jīng)后期重新勘測(cè)判定，砂礫層實(shí)際呈松散狀，承載力基本容許值200 kPa，樁側(cè)土的摩阻力特征值qs=22.5 kPa，重度為19 kN/m3)，造成基礎(chǔ)持力層承載力不能滿足原設(shè)計(jì)要求，從而引起橋梁使用過程中出現(xiàn)較大的沉降，橋面鋪裝已經(jīng)出現(xiàn)局部損壞，經(jīng)過技術(shù)鑒定需要進(jìn)行加固。

圖1 擴(kuò)大基礎(chǔ)旋噴樁布置圖（單位：cm）

2.2 設(shè)計(jì)加固方案選擇

根據(jù)橋梁的工程地質(zhì)情況、施工能力及相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)，擬采用高壓旋噴二重管法成樁進(jìn)行加固。高壓旋噴二重管法就是用高壓泥漿泵替代高壓水泵，直接使?jié){液從噴嘴中高壓噴出進(jìn)行切割，使切割深度、漿液充填、泥漿結(jié)石情況都得到了改善和提高，在高壓漿液流和它外圍環(huán)繞空氣的共同作用下，破壞土體的能量最大，最后形成固結(jié)體的直徑也明顯增加，樁徑可達(dá)約1.2 m。

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)選定

2.3.1 確定旋噴樁直徑

旋噴樁固體尺寸的大小主要由土的種類以及密實(shí)程度、注漿管類型、噴射技術(shù)參數(shù)等共同確定。參照地基處理手冊(cè)有關(guān)資料[3］，經(jīng)計(jì)算和結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，成樁固結(jié)體有效直徑取0.45 m，根據(jù)土壤情況、施工設(shè)備的選擇以及復(fù)噴等因素，并通過工程類比確定固結(jié)體設(shè)計(jì)直徑為0.8 m。

2.3.2 旋噴樁數(shù)量的確定

其中，K1為柱樁的安全系數(shù)，一般樁基采用K1=2.0;W1為基礎(chǔ)承擔(dān)的最大荷載，根據(jù)原設(shè)計(jì)文件，本橋梁W1=7 797.926 kN;A1為基礎(chǔ)底面面積，本橋梁A1=6.4×3=19.2 m2;σ0為修正后的地基容許承載力，根據(jù)規(guī)范計(jì)算得出σ0=257.95 kPa，相當(dāng)于新規(guī)范的[fa］;σ樁為固結(jié)體材料強(qiáng)度，取 4 000 kPa，相當(dāng)于 fcu，k。由以上各指標(biāo)數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算，得出固結(jié)體的總面積 A樁=1.634 m2。

2)旋噴樁加固總面積A樁求得以后，再結(jié)合第2.3.1節(jié)中確定的有效直徑D，便可算出加固所需的旋噴樁數(shù)量m[4，5］:

其中，F(xiàn)為旋噴樁固結(jié)體的有效截面面積，m2，本次成樁加固體有效直徑D取0.45 m。

由以上各指標(biāo)數(shù)據(jù)代入式(2)計(jì)算，得出旋噴樁數(shù)量m=10.27，則m取11根，實(shí)際上對(duì)于一個(gè)擴(kuò)大基礎(chǔ)，采用11根高壓旋噴樁加固擴(kuò)大基礎(chǔ)。由于本橋梁為左右幅組合而成，根據(jù)規(guī)范，本橋梁基礎(chǔ)加固時(shí)，旋噴樁的數(shù)量確定為19根。

2.3.3 高壓旋噴樁的布置

通過高壓旋噴樁承載能力驗(yàn)算，根據(jù)工程條件采用高壓旋噴樁樁徑為0.8 m，擴(kuò)大基礎(chǔ)共采用19根旋噴樁加固基礎(chǔ)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合地質(zhì)條件和工程經(jīng)驗(yàn)，并通過對(duì)基礎(chǔ)的受力分析，本工程的布孔形式采用分散群樁布孔，其中孔距取值為2d～3d(d為高壓旋噴樁設(shè)計(jì)直徑)，即1.6 m～2.4 m。布置形式見圖1。

2.3.4 確定旋噴樁長(zhǎng)度

旋噴樁長(zhǎng)主要取決于需要加固土層的厚度，其一般視建筑物的設(shè)計(jì)要求和地質(zhì)條件而定，并應(yīng)滿足地基的強(qiáng)度和變形的要求。

1)確定加固后的擴(kuò)大基底最大應(yīng)力Pmax值。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料可知，基礎(chǔ)頂部設(shè)計(jì)豎向荷載為N1=4 001.4 kN，擴(kuò)大基礎(chǔ)自重N2=1 867.48 kN，作用于墩、臺(tái)上各外力對(duì)基底形心軸之力矩M=964.52 kN·m。

根據(jù)上述擴(kuò)大基礎(chǔ)旋噴樁布置方案，加固后擴(kuò)大基礎(chǔ)長(zhǎng)寬分別變?yōu)?.2 m，3.8 m，基礎(chǔ)高度不變，則加固后的擴(kuò)大基礎(chǔ)自重N3=2 606.71 kN，同時(shí)加固后擴(kuò)大基礎(chǔ)的基底最大應(yīng)力Pmax，Pmin也較原來有所改變，可由式(3)計(jì)算而得，由以下各指標(biāo)數(shù)據(jù)代入式(3)計(jì)算，得出加固后的擴(kuò)大基底最大應(yīng)力Pmax=297.2 kPa。

其中，γR為地基承載力容許值抗力系數(shù)，取γR=1.0;P為基底應(yīng)力，kPa;N為基底以上豎向荷載，N=N1+N3=6 608.11 kN;A為基底面積，A=7.2 ×3.8=27.36 m2;M 為作用于墩、臺(tái)上各外力對(duì)基底形心軸之力矩，M=964.52 kN·m;W為基底截面模量，矩形基礎(chǔ) W=ab2/6=7.2 ×3.82/6=17.328 m3;[fa］為修正后的地基承載力容許值，kPa。

2)復(fù)合地基設(shè)計(jì)承載力。

根據(jù)式(3)可知，為了滿足設(shè)計(jì)要求，加固后的復(fù)合地基承載力特征值 fspk=γR[fa］≥Pmax=297.2 kPa，引用推薦的計(jì)算式(4)[6］，由以下各指標(biāo)數(shù)據(jù)代入式(4)計(jì)算，得出 Ra=540.44 kN，小于由式(5)確定的樁身強(qiáng)度設(shè)計(jì)值660 kN，故單樁豎向承載力特征值 Ra取540.44 kN。

其中，fsp，k為復(fù)合地基承載力特征值，kPa;Ae為1根樁承擔(dān)的處理面積，Ae=7.2×3.8/11=2.487 m2;Ap為樁的平均截面積，Ap=0.5 m2;fs，k為樁間天然地基土承載力特征值，fsk為砂礫土承載力基本容許值，取200 kPa;β為樁間天然地基土承載力折減系數(shù)，取0.5;Ra為單樁豎向承載力特征值，kN，按式(5)，式(6)計(jì)算取較小者;fcu，k為與旋噴樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊(邊長(zhǎng)為70.7 mm的立方體)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，本橋梁取4 000 kPa;η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，可取 0.33。

3)計(jì)算旋噴樁長(zhǎng)度。

根據(jù)已確定的單樁豎向承載力特征值，由式(6)來計(jì)算旋噴樁長(zhǎng)度，計(jì)算結(jié)果h=7.79 m≈8.0 m，故旋噴樁長(zhǎng)度取8 m。綜合有關(guān)影響因素和經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，在本橋梁基礎(chǔ)加固的時(shí)候，旋噴樁的長(zhǎng)度取值為距擴(kuò)大基礎(chǔ)頂面10.4 m，即在擴(kuò)大基礎(chǔ)底面以下延伸8 m。

其中，n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)劃分的土層數(shù);hi為樁間第i層土的厚度，m;qsi為樁間第i層土的側(cè)阻力特征值，本橋梁qsi取22.5 kPa;qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，本橋梁qp取200 kPa。

2.3.5 其他參數(shù)

根據(jù)工程特點(diǎn)及場(chǎng)地地質(zhì)條件，高壓旋噴樁成樁采用二重管法，在注漿中壓縮空氣壓力擬定0.7 MPa，流量為3 m3/min，噴嘴孔徑及個(gè)數(shù)分別為2 mm，1個(gè);水泥漿液壓力擬定30 MPa，流量100 L/min，噴嘴孔徑及個(gè)數(shù)分別為 2 mm，1個(gè);注漿管外徑50 mm;提升速度 15 cm/min;旋轉(zhuǎn)速度 15 rpm;水泥漿采用52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥與清水調(diào)制，水灰比1∶1，其參數(shù)在試噴時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

2.3.6 加固效果

為了檢驗(yàn)采用高壓旋噴樁對(duì)本橋梁地基的加固效果，施工后對(duì)旋噴樁進(jìn)行開挖檢查、取芯及載荷試驗(yàn)，質(zhì)量檢驗(yàn)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時(shí)根據(jù)在加固處理完成后再次投入使用期間對(duì)本橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果，表明該橋墩下沉已很微弱，特別是在再次投入使用的三個(gè)月之后，基本未見沉降，總的變形數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)及規(guī)范允許的范圍，表明加固效果達(dá)到預(yù)期的目的，加固效果良好。

3 結(jié)語

高壓旋噴樁在現(xiàn)有橋梁基礎(chǔ)加固中應(yīng)用越來越廣泛，通過本次高壓旋噴樁在橋梁基礎(chǔ)加固中的成功應(yīng)用，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可行性和經(jīng)濟(jì)性，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，值得深入研究和推廣。地基基礎(chǔ)加固中設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)工程的地質(zhì)條件和工程具體特點(diǎn)，確定技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的地基基礎(chǔ)加固方案。

[1]耿殿魁.旋噴樁復(fù)合地基技術(shù)在加固軟土路基中的應(yīng)用[J］.鐵道勘察，2009(3):43-46.

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[6]牛志榮，李 宏.復(fù)合地基處理及其工程實(shí)例[M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2000:543-549，563-616.