高速公路軟基加固中旋噴樁的應(yīng)用研究

孫 良，羅昊沖

（1.中交一公局第六工程有限公司，天津市 300451；2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

0 引言

高壓噴射注漿技術(shù)自20世紀(jì)70年代從日本引進(jìn)我國已有近四十年的歷史。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于堤壩、房屋地基、鐵路基礎(chǔ)、市政基礎(chǔ)加固施工。它具有加固體強(qiáng)度高、加固體形狀可控等特點(diǎn)，已成為被國內(nèi)工程界普遍接受的、多用高效的地基處理方法[1]。

高壓噴射注漿法形成的固結(jié)體，其形狀與噴射流移動方向有關(guān)，可分為旋噴、定噴和擺噴。旋噴時，噴嘴一邊噴射一邊旋轉(zhuǎn)和提升，固結(jié)體呈圓柱狀。該噴射法主要用于加固地基，提高地基的抗剪強(qiáng)度，改善土的變形性質(zhì)；也可組成閉合帷幕，用于阻止地下水流和治理流砂，或作為擋土墻用于邊坡穩(wěn)定。定噴時，噴嘴一邊噴射一邊提升，但噴射方向固定不變，固結(jié)體形狀呈板壁狀；擺噴時，噴嘴一邊噴射一邊提升，并以一定角度正反擺動，固結(jié)體形狀為扇形或楔形。定噴和擺噴通常用于基礎(chǔ)的防滲，改善地基土的水流性質(zhì)。作為地基加固，通常采用旋噴注漿形式，使固結(jié)體在土中成為均勻的圓柱狀[2]。

本文結(jié)合高速公路軟基處理的工程實(shí)例，探討了高壓旋噴注漿法的加固機(jī)理，通過數(shù)值模擬對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析計(jì)算，重點(diǎn)研究隨上部逐級加荷，地基中心點(diǎn)沉降的變化，并將計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

1 旋噴樁加固地基的機(jī)理

1.1 加固機(jī)理

高壓旋噴樁是利用鉆機(jī)把帶有特殊噴嘴的注漿管鉆至土層的預(yù)定位置后，用高壓脈沖泵，將水泥漿液通過鉆桿下端的噴射裝置，向四周以高速水平噴入土體，見圖1。由于鉆桿以一定速度逐步向上提升和旋轉(zhuǎn)，漿液形成高壓噴出后具有很大的動能，產(chǎn)生高速、高壓的噴射流，借助高壓噴射流能大量置換軟弱層和擠密樁周土，能讓砂礫石墊層或粘土和水泥漿充分混合、膠結(jié)、硬化，固結(jié)成一個整體。這樣，可在地基中形成具有較高強(qiáng)度的水泥土樁，達(dá)到改良土質(zhì)、增加地基強(qiáng)度、減少土體壓縮變形的目的，提高地基的承載能力[3]。其對地基的加固過程可分為以下三個步驟：

（1）高壓噴射流破壞土體

高壓噴射流沖擊土體時，由于能量高度集中地沖擊一個很小的區(qū)域，因而在這個區(qū)域內(nèi)及其周圍的土和土結(jié)構(gòu)的組織之間，受到很大的壓應(yīng)力作用，當(dāng)這些外力超過土顆粒結(jié)構(gòu)的破壞臨界數(shù)值，土體便受到破壞。噴射流的動壓超過巖土顆粒結(jié)構(gòu)的破壞極限時，噴射流的破壞力F（kN·m2/s）可由式（1）確定:

故又可表示為:

式（2）中，p——噴射流介質(zhì)的密度，kN/m3;

Q——噴射流流量，m3/s;

A——噴嘴的斷面積，m2;

Vm——噴射流的平均速度，m/s。

可見，當(dāng)P和A一定時，破壞力與流速的平方成正比。要增加流速，就要增加噴射壓力，使噴射流有足夠的能量沖擊破壞土體，壓力愈高，流速愈大，則破壞力愈大，切削、攪拌土體的范圍也愈大。噴射流的動壓作用是破壞土體的主要作用。

（2）高壓旋噴成樁

由于高壓噴射流對土體的破壞作用，使土體由整體狀態(tài)變?yōu)樗缮顟B(tài)。隨著噴射流的連續(xù)沖切和移動，土體破壞的深度和范圍不斷擴(kuò)大旋噴時，高壓噴射流是水泥漿液，即以水泥作為硬化劑，邊旋轉(zhuǎn)邊以一定的速度緩慢提升，被切削下來的一部分細(xì)小土粒被漿液置換發(fā)生升揚(yáng)置換作用，隨著液流以泥漿的形式被帶到地面 (稱為冒漿)。其余的土顆粒在噴射動壓力、離心力和重力的共同作用下，在橫斷面上按質(zhì)量大小有規(guī)律地重新排列并與漿液攪拌混合形成一種新型的水泥—土網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

（3）水泥與土的固化

在高壓噴射注漿過程中，土體被破壞粉碎成各種粒徑的顆粒或各種大小的土團(tuán)，它們之間被水泥漿所填滿。所以，在水泥土中形成一些水泥及細(xì)土顆粒較多的微區(qū)，而在大小土團(tuán)內(nèi)部則沒有水泥。水泥的水解水化作用及其與土顆粒之間的作用，開始時主要在微區(qū)內(nèi)進(jìn)行，不斷在水泥和土顆粒的周圍形成各種結(jié)晶體，不斷生成、延伸并交織在一起形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。大小土團(tuán)被分割包圍在這些骨架中間。隨著土體逐漸被擠密，自由水也逐漸減少消失，形成一種特殊的水泥土骨架結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了水泥土的強(qiáng)度。其次，土體的礦物成分和物理化學(xué)性質(zhì)也決定了水泥土的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)形成過程。

1.2 旋噴樁的特點(diǎn)

采用旋噴樁可以提高地基的抗剪強(qiáng)度，改善土的變形性質(zhì)，使加固的公路地基在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，不產(chǎn)生破壞和較大的沉降；能利用小直徑鉆孔旋噴成比孔大8～10倍的大直徑固結(jié)體；可通過調(diào)節(jié)噴嘴的旋噴速度、提升速度、噴射壓力和噴漿量，旋噴成各種形狀樁體，可用于任何軟弱土層，可控制加固范圍，施工機(jī)械化程度高，材料來源廣；施工簡便，操作容易，施工速度快，質(zhì)量有保證。

1.3 旋噴樁的設(shè)計(jì)計(jì)算

旋噴樁的承載力的計(jì)算分單樁承載力的確定和復(fù)合地基承載力計(jì)算[4]。單樁承載力值分極限值、標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值。單樁極限承載力是指樁體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞和樁周土不出現(xiàn)整體破壞、樁基礎(chǔ)不喪失整體穩(wěn)定情況下的最大承載力。設(shè)單樁豎向極限承載能力Ru，則單樁豎向承載能力標(biāo)準(zhǔn)值為：Rk=Ru/2，單樁極限承載力設(shè)計(jì)值R可取為1.2 Rk。單樁承載力確定有公式計(jì)算法、靜載試驗(yàn)法及原位測定法。設(shè)計(jì)時一般采用如下兩公式同時進(jìn)行計(jì)算，并取其中較小值作為單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

式（3）、式（4）中：Ap—— 樁的截面積，m2；

quc——與樁體加固土的配比相同的標(biāo)準(zhǔn)試塊一定齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；

qs——樁周土的平均摩檫力，kPa；

fk——樁端土天然承載力標(biāo)準(zhǔn)值，由地質(zhì)資料獲得，kPa；

η——強(qiáng)度折減系數(shù)；

α——樁端土天然承載力折減系數(shù)；

l——樁身有效長度,m；

S——樁周長度,m。

復(fù)合地基承載力計(jì)算通常采用下面公式：

式（5）中：fsp,k——復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

fs,k——樁間土地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

Ac——1根樁承擔(dān)的處理面積,m2；

Ap——樁的平均截面積,m2；

β——樁間地基承載力折減系數(shù)，一般取0～1；

Rk——單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

2 有限元模擬方法

對于多項(xiàng)介質(zhì)相互作用問題的研究，有限元方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢和可靠性。本文采用二維彈塑性有限元軟件Plaxis進(jìn)行路基實(shí)際結(jié)構(gòu)、荷載、位移、約束等方面的模擬，計(jì)算出各個部位的應(yīng)力和變形，并進(jìn)行一定的力學(xué)分析與討論。具體方法如下。

2.1 地基土的模擬

采用彈性理想塑性模型Mohr-Coulomb模型作為土體的本構(gòu)模型。這種模型具有固定的屈服面，屈服面由模型參數(shù)確定，不受塑性應(yīng)變的影響。屈服面以內(nèi)的點(diǎn)代表的材料應(yīng)力狀態(tài)為彈性，所有的應(yīng)變均可恢復(fù)。彈塑性的基本準(zhǔn)則是應(yīng)變和應(yīng)變增量可分解為彈性和塑性兩部分：

虎克定律將應(yīng)力增量與應(yīng)變增量聯(lián)系起來，將式（6）代入虎克定律可推導(dǎo)出

根據(jù)塑性理論，塑性應(yīng)變增量與屈服函數(shù)對應(yīng)力的導(dǎo)數(shù)成正比。因此，塑性應(yīng)變增量可表示為與屈服面垂直的矢量，采用相關(guān)流動法則。對于庫侖－莫爾模型的屈服函數(shù)，相關(guān)流動法則計(jì)算出的土體的剪脹角偏大，因此，該程序中除屈服函數(shù)之外還引進(jìn)了塑性勢函數(shù)g。塑性應(yīng)變增量可寫作：

式（8）中λ為硬化參數(shù)，如材料只發(fā)生彈性變形，則λ＝0，在塑性變形情況下：

通過以上方程可推導(dǎo)出以下適用于彈塑性力學(xué)性能的有效應(yīng)力增量和應(yīng)變增量之間的關(guān)系：

α為一轉(zhuǎn)換參數(shù)，如果材料表現(xiàn)為彈性性能，如式（9a）所定義，α等于0；如果材料發(fā)生了塑性變形，如式（9b）所定義，則α為一非零常數(shù)。完整的莫爾－庫侖屈服準(zhǔn)則在主應(yīng)力空間中表示為6個屈服函數(shù)構(gòu)成（見圖3）。

在計(jì)算中該模型包含如下計(jì)算參數(shù)：楊氏模量E，泊松比υ，粘聚力c，內(nèi)摩擦角φ。

塑性勢函數(shù)為：

式（12）中：ψ為土體的膨脹角。

2.2 樁體的模擬

采用PLATE單元模擬旋噴樁，這是一種梁單元，能夠承受拉力、壓力和彎矩的作用，本構(gòu)關(guān)系為彈性理想塑性。主要計(jì)算參數(shù)有截面剛度EA（kN/m）、截面慣性矩EI（kNm2/m）、樁身重量w(kN/m)、泊松比μ最大彎矩Mp(kNm/m)和最大軸力Np(kN/m)。

2.3 接觸的模擬

由于旋噴樁與地基土之間存在相互作用，在有限元分析中需加入接觸單元。兩者之間的聯(lián)結(jié)方式具有以下特點(diǎn)，可以傳遞一定的剪應(yīng)力和法向應(yīng)力，當(dāng)上部荷載逐漸增大超過某一數(shù)值時，旋噴樁與土之間可能發(fā)生滑移和分離。具體方法是：

式（13a）、式（13b）中：ci、φi為第i層接觸面的粘聚力和摩擦角。

這兩個指標(biāo)與每個土層的力學(xué)指標(biāo)相聯(lián)系，在程序中通過輸入系數(shù)Rinter來進(jìn)行計(jì)算。具體的計(jì)算方法如下：

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

某高速公路建設(shè)項(xiàng)目主要分為主線部分和匝道部分，地基土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。由于地表下分布較厚的高壓縮性土層，地基處理采用高壓旋噴樁以減小路堤沉降，設(shè)計(jì)平均樁長10 m，樁間距為2 m×1.8 m，樁徑0.6 m，與樁間土形成復(fù)合地基共同承擔(dān)上部荷載。路床部分采用8%灰土處理，形成褥墊層提高旋噴樁的加固效果。主線部分有代表性的設(shè)計(jì)斷面見圖4。

3.2 分析模型及結(jié)果

按平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析，由于結(jié)構(gòu)具有對稱性，取一半建立有限元分析模型見圖5，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

（1）地基中心點(diǎn)沉降

在計(jì)算中，采用逐級加載的方法模擬路堤建設(shè)，得到地基沉降隨時間變化的曲線，為了便于與實(shí)測值相比較，將斷面中心點(diǎn)的沉降量觀測值與有限元分析的結(jié)果按照施工進(jìn)度繪成曲線如圖6所示。從圖中可以看出，與實(shí)測數(shù)據(jù)相比有限元計(jì)算結(jié)果略大，但是相差不多，且沉降趨勢一致，說明計(jì)算值與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

（2）地基中的位移及應(yīng)力

圖7和圖8分別顯示了在路堤建設(shè)完成后，即完全加載后的位移等值線局部放大圖及豎向應(yīng)力陰影局部放大圖。

從圖7中可以看到，路堤底面中心處的位移最大，為138 mm，隨著距中心點(diǎn)的距離增大，地基土的位移逐漸減小。從應(yīng)力陰影圖8中可以看到，樁中應(yīng)力較集中，表明旋噴樁對地基的加固效果明顯，應(yīng)力較為均勻地分布在各個樁身上，樁土分擔(dān)比約為1∶4。

（3）無褥墊層情況下地基中的位移及應(yīng)力

以上均為鋪設(shè)褥墊層的計(jì)算結(jié)果，為了說明褥墊層的有效性，通過有限元分析計(jì)算了無褥墊層的位移及應(yīng)力，結(jié)果分別見圖9和圖10。

圖9中顯示的最大位移同鋪設(shè)褥墊層的位置一致，均在路堤底面中心處，且位移的變化趨勢相同，但是最大位移值略大，為146 mm。這是由于設(shè)計(jì)樁長較短，沒有深入第四層——細(xì)砂層，這對減小路堤的沉降不利。鋪設(shè)褥墊層可以發(fā)揮樁間土的承載性能，使應(yīng)力得到擴(kuò)散，從而減小沉降。

應(yīng)力陰影圖與有褥墊層情況差別較大，與圖8相比圖10中的樁身應(yīng)力在路堤中部較大，路堤兩側(cè)較小，呈不均勻分布，樁土應(yīng)力分擔(dān)比約為1∶6。可見鋪設(shè)褥墊層可以使樁土應(yīng)力比減小，充分發(fā)揮樁間土的承載性能，褥墊層對地基中的應(yīng)力分布有很好的調(diào)節(jié)作用。

4 結(jié)論

高壓旋噴樁是公路進(jìn)行軟基處理的一種有效形式，它可以與樁間土形成復(fù)合地基，從而提高承載力，減少沉降。本文對旋噴樁的加固機(jī)理進(jìn)行深入探討，并結(jié)合實(shí)際工程對旋噴樁加固軟基進(jìn)行了有限元模擬分析，得到以下結(jié)論：

（1）旋噴樁對地基的加固機(jī)理包括以下三方面：高壓噴射流破壞土體，高壓旋噴成樁，水泥與土的固化。

（2）通過對工程實(shí)例進(jìn)行有限元模擬分析，計(jì)算逐步加載后的地基沉降曲線，分析結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)具有較好的一致性，表明本文采用的有限元分析方法較為適當(dāng)。

（3）采用有限元分析方法研究了褥墊層的作用，結(jié)果表明褥墊層可以使樁土應(yīng)力比減小，充分發(fā)揮樁間土的承載性能，對地基中的應(yīng)力分布有很好的調(diào)節(jié)作用。

[1]劉玉卓.公路工程軟基處理[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]徐志均.高壓噴射注漿法處理地基[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]地基處理手冊編寫委員會.地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[4]JGJ 79-2002，J220-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].