高壓旋噴樁在橋梁基礎加固中的設計應用

柯國貴

(福建省林業勘察設計院，福建福州 350001)

高壓旋噴注漿法已經成為國內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度高、加固質量均勻、加固體形態可控、經濟實用以及基本無環境污染等優點;同時該方法成樁結構形式靈活多樣，施工無振動，無噪聲，施工空間要求不高，工程造價較低等眾多優點[1，2］，因此高壓旋噴樁在地基加固處理中的應用也越來越廣泛。

1 高壓旋噴樁技術原理

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，致使漿液與土粒強制攪拌混合凝固后，便在土中形成一個加固土體。現有的高壓噴射注漿技術施工壓力已達40 MPa，可分為高壓與超高壓兩種工法，施工深度可達25 m～40 m，加固體最大直徑可達2 m，且強度穩定。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，只要適當調配硬化劑的用量，便能使各個施工對象得到相應的強度。

2 高壓旋噴樁在橋梁基礎加固中的工程應用

2.1 工程概況

某已建橋梁是一座二級公路上的橋梁，橋長45 m，橋面寬16 m;其上部結構為3孔懸臂箱形梁橋，左右幅由兩座獨立橋梁組合而成，橋面鋪裝成一體，橋面縱坡1.5%;下部結構為鋼筋混凝土排架樁墩，橋梁的基礎為雙層鋼筋混凝土擴大基礎，左右幅基礎平面布置詳見圖1，擴大基礎底長、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。基礎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)，下部為基巖及其風化層，擴大基礎底置于砂礫土層上，基礎埋深3.62 m。由于地質條件的變化或勘察誤差等原因，持力層砂礫層實際承載力比原勘察時低(經后期重新勘測判定，砂礫層實際呈松散狀，承載力基本容許值200 kPa，樁側土的摩阻力特征值qs=22.5 kPa，重度為19 kN/m3)，造成基礎持力層承載力不能滿足原設計要求，從而引起橋梁使用過程中出現較大的沉降，橋面鋪裝已經出現局部損壞，經過技術鑒定需要進行加固。

圖1 擴大基礎旋噴樁布置圖（單位：cm）

2.2 設計加固方案選擇

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

2.3 設計參數選定

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程度、注漿管類型、噴射技術參數等共同確定。參照地基處理手冊有關資料[3］，經計算和結合工程經驗，成樁固結體有效直徑取0.45 m，根據土壤情況、施工設備的選擇以及復噴等因素，并通過工程類比確定固結體設計直徑為0.8 m。

2.3.2 旋噴樁數量的確定

其中，K1為柱樁的安全系數，一般樁基采用K1=2.0;W1為基礎承擔的最大荷載，根據原設計文件，本橋梁W1=7 797.926 kN;A1為基礎底面面積，本橋梁A1=6.4×3=19.2 m2;σ0為修正后的地基容許承載力，根據規范計算得出σ0=257.95 kPa，相當于新規范的[fa］;σ樁為固結體材料強度，取 4 000 kPa，相當于 fcu，k。由以上各指標數據代入式(1)計算，得出固結體的總面積 A樁=1.634 m2。

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

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

由以上各指標數據代入式(2)計算，得出旋噴樁數量m=10.27，則m取11根，實際上對于一個擴大基礎，采用11根高壓旋噴樁加固擴大基礎。由于本橋梁為左右幅組合而成，根據規范，本橋梁基礎加固時，旋噴樁的數量確定為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算，根據工程條件采用高壓旋噴樁樁徑為0.8 m，擴大基礎共采用19根旋噴樁加固基礎。根據以上設計參數，結合地質條件和工程經驗，并通過對基礎的受力分析，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為高壓旋噴樁設計直徑)，即1.6 m～2.4 m。布置形式見圖1。

2.3.4 確定旋噴樁長度

旋噴樁長主要取決于需要加固土層的厚度，其一般視建筑物的設計要求和地質條件而定，并應滿足地基的強度和變形的要求。

1)確定加固后的擴大基底最大應力Pmax值。

根據設計資料可知，基礎頂部設計豎向荷載為N1=4 001.4 kN，擴大基礎自重N2=1 867.48 kN，作用于墩、臺上各外力對基底形心軸之力矩M=964.52 kN·m。

根據上述擴大基礎旋噴樁布置方案，加固后擴大基礎長寬分別變為7.2 m，3.8 m，基礎高度不變，則加固后的擴大基礎自重N3=2 606.71 kN，同時加固后擴大基礎的基底最大應力Pmax，Pmin也較原來有所改變，可由式(3)計算而得，由以下各指標數據代入式(3)計算，得出加固后的擴大基底最大應力Pmax=297.2 kPa。

其中，γR為地基承載力容許值抗力系數，取γR=1.0;P為基底應力，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、臺上各外力對基底形心軸之力矩，M=964.52 kN·m;W為基底截面模量，矩形基礎 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)復合地基設計承載力。

根據式(3)可知，為了滿足設計要求，加固后的復合地基承載力特征值 fspk=γR[fa］≥Pmax=297.2 kPa，引用推薦的計算式(4)[6］，由以下各指標數據代入式(4)計算，得出 Ra=540.44 kN，小于由式(5)確定的樁身強度設計值660 kN，故單樁豎向承載力特征值 Ra取540.44 kN。

其中，fsp，k為復合地基承載力特征值，kPa;Ae為1根樁承擔的處理面積，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，取0.5;Ra為單樁豎向承載力特征值，kN，按式(5)，式(6)計算取較小者;fcu，k為與旋噴樁樁身水泥土配比相同的室內加固土試塊(邊長為70.7 mm的立方體)在標準養護條件下28 d齡期的立方體抗壓強度平均值，本橋梁取4 000 kPa;η為樁身強度折減系數，可取 0.33。

3)計算旋噴樁長度。

根據已確定的單樁豎向承載力特征值，由式(6)來計算旋噴樁長度，計算結果h=7.79 m≈8.0 m，故旋噴樁長度取8 m。綜合有關影響因素和經驗結論，在本橋梁基礎加固的時候，旋噴樁的長度取值為距擴大基礎頂面10.4 m，即在擴大基礎底面以下延伸8 m。

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

2.3.5 其他參數

根據工程特點及場地地質條件，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，噴嘴孔徑及個數分別為2 mm，1個;水泥漿液壓力擬定30 MPa，流量100 L/min，噴嘴孔徑及個數分別為 2 mm，1個;注漿管外徑50 mm;提升速度 15 cm/min;旋轉速度 15 rpm;水泥漿采用52.5級普通硅酸鹽水泥與清水調制，水灰比1∶1，其參數在試噴時根據實際情況進行調整。

2.3.6 加固效果

為了檢驗采用高壓旋噴樁對本橋梁地基的加固效果，施工后對旋噴樁進行開挖檢查、取芯及載荷試驗，質量檢驗均滿足設計規范要求，同時根據在加固處理完成后再次投入使用期間對本橋梁進行長期觀測結果，表明該橋墩下沉已很微弱，特別是在再次投入使用的三個月之后，基本未見沉降，總的變形數據遠小于設計及規范允許的范圍，表明加固效果達到預期的目的，加固效果良好。

3 結語

高壓旋噴樁在現有橋梁基礎加固中應用越來越廣泛，通過本次高壓旋噴樁在橋梁基礎加固中的成功應用，進一步驗證了該方法的可行性和經濟性，取得了良好的社會經濟效益，值得深入研究和推廣。地基基礎加固中設計，應根據工程的地質條件和工程具體特點，確定技術可行、經濟合理的地基基礎加固方案。

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

[2]牛志榮，李 宏，穆建春，等.復合地基處理及其工程實例[M］.北京:中國建材工業出版社，2000.

[3]龔曉南.地基處理手冊[M］.第3版.北京:中國建材工業出版社，2000.

[4]張勁泉，王文濤.橋梁檢測與加固手冊[M］.北京:人民交通出版社，2007:1589-1592.

[5]蒙 云，盧 波.橋梁加固與改造[M］.北京:人民交通出版社，2005:160-162.

[6]牛志榮，李 宏.復合地基處理及其工程實例[M］.北京:中國建材工業出版社，2000:543-549，563-616.