高壓旋噴樁加固技術在工程中的應用

陳 邛 李 明 徐 典

(1.重慶建工工業有限公司，重慶 400030; 2.江西省浩風建筑設計院有限公司，江西南昌 330017;3.重慶科技學院建筑工程學院，重慶 401331)

復合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強，或被置換，或在天然地基中設置加筋材料，加固區是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基。在荷載作用下，基體和增強體共同承擔荷載的作用。地基處理常用的方法有:換土墊層法、振密法、擠密法、排水固結法、置換法、膠結法等［1］。高壓旋噴樁已經在鐵路橋梁、公路等軟弱地基加固中廣為應用［2-4］，本文主要研究民用商住樓在復雜地基條件下高壓旋噴樁復合地基的加固技術，以工程實例為背景，介紹了高壓旋噴樁復合地基加固的施工流程、加固原理，并對加固后的復合地基承載力按規范給出的方法進行計算，驗證了地基加固的效果。

1 工程概況

擬建商住樓的場地位于成都坳陷盆地。該盆地西距南北走向的龍門山褶皺帶約60 km，東距北東走向的龍泉山褶皺帶約20 km。

根據巖土工程勘察資料，場地內分布地層為第四系人工填土層(Qml4)、第四系上更新統沖洪積層(Qal+pl4)的砂土、卵石土。各土層的結構和特征分述如下:①素填土:淺灰色，干，為近期堆填形成，土層厚度在0.5 m～2.6 m之間。②粉質粘土:淺灰色混少量黃褐色，干～稍濕，以粉質粘土為主含有砂土，上部砂土含量較少，向下砂土含量逐漸增多，局部以砂土為主。該層在場地上部呈似層狀分布，層厚在0.6 m～3.4 m之間。③卵石:雜色，以深灰色為主夾少量黃褐色，濕～飽和，松散～密實，級配一般～較好。卵石磨圓度較好，多呈亞圓形，卵石粒徑最大接近20 cm，一般粒徑在4 cm～15 cm之間，卵石含量在50%～85%之間，漂卵石含量在10%～15%之間，漂卵石構成了該層骨架，空隙由砂土充填，根據鉆探揭露在卵石層中存在透鏡體狀中砂，厚度在0.5 m～1.6 m

之間。層頂埋深在3.8 m～6.4 m之間。④中砂:黃褐色、深灰色，松散～稍密，成分以石英、長石顆粒為主，含有白云母片，以中砂為主混有粉土，局部含有少量卵石，厚度在0.5 m～1.6 m之間。擬建場地內無河流、水溝等地表水流經過。地下水類型主要為賦存于第四系沖洪積砂卵石層中的孔隙潛水。主要受地表水和大氣降水補給，卵石層透水性良好。水位高程為496.7 m～497.58 m。

2 高壓旋噴樁復合地基施工流程

2.1 施工機具設備及工藝流程

主要施工機具:NJ1200泥漿攪拌機，1臺;XPZ-50型旋噴鉆機，1臺;高壓旋噴注漿泵ZJB/BP-30型及配套裝置(90 kW)，1臺套;SH-30型勘察鉆機，2臺套。

流程:基坑開挖→測放旋噴點位→鉆機取土、引孔→下PVC塑料管→將旋噴噴嘴置入鉆孔孔底→由下至上旋噴注漿→樁體養護→地基加固效果檢測→土方檢底→樁頂褥墊層施工。

2.2 施工技術要求

1)土方開挖:應避免對地基土的擾動。挖至設計基底以上0.3 m時必須停止，將余土作為預留層，待旋噴施工之后再以人工檢底挖除。

2)取土、引孔:用SH-30型勘察鉆機動探引孔。引孔孔徑8 cm，引孔深度要求穿過各層軟弱層嵌入預計的下伏穩定卵石層(中密以下)0.7 m ～1.0 m。

3)下PVC塑料管。

4)旋噴注漿:先空轉旋噴管直至孔口返漿，再提升旋噴管自下而上旋噴施工，直至孔口。注漿材料采用P.O32.5水泥。制備的水泥漿漿液水灰比為0.5～1.1。噴射注漿壓力為30 MPa～35 MPa，噴嘴旋轉速度(20±5)r/min，噴嘴提升速度(20±5)cm/min，并在孔口處復噴一次。

5)回灌補漿、樁頭處理:旋噴作業完成后，應將不斷冒出地面的漿液引回到樁孔內，避免漿液凝固收縮在孔口形成空洞。

6)土方檢底、褥墊層施工:樁體養護28 d后進行靜載荷試驗檢測。檢測合格后以人工檢底將基底以上余土挖除，若基底以下尚有填土層未至老土，則必須按照結構設計要求，將其全部挖除直至老土層頂面以下不少于200 mm為止，超挖部分回填級配砂卵石并作夯實處理。檢底后即鋪設級配砂卵石褥墊層，厚度0.3 m，夯填度(夯實后的厚度與虛鋪厚度之比)不得大于0.9，最大粒徑不宜超過3 cm。

3 高壓旋噴樁復合地基加固原理

3.1 地基加固處理方法、目的與要求

當基底下存在軟弱下臥層時，其強度和變形不能滿足上部荷載要求，需對其進行加固處理。本工程根據場地工程地質條件，設計采用高壓旋噴樁對其進行加固處理，以處理后的復合地基作基礎持力層。加固處理后，要求滿足復合地基承載力特征值fspk≥530 kPa，壓縮模量 Esp≥40 MPa。

3.2 加固原理

高壓旋噴樁是利用高壓泵將水泥漿液通過鉆桿端頭的特制噴頭，以高速水平噴入土體，借助液體的沖擊力切削土層，同時鉆桿一面以一定的速度旋轉，一面低速徐徐提升，使土體與水泥漿充分攪拌混合凝固，形成具有一定強度的圓柱固結體(即旋噴樁)，從而使地基得到加固。旋噴樁的特點是:可提高地基的抗剪強度;能利用小直徑鉆孔旋噴成比孔大8倍～10倍的大直徑固結體;施工噪聲低，振動小;可用于任何軟弱土層，可控制加固范圍;設備較簡單、輕便，機械化程度高;料源廣闊，施工簡便。

1)高壓噴射流切割破壞土體作用。噴流動壓以脈沖形式沖擊土體，使土體結構破壞出現空洞。

2)混合攪拌作用。鉆桿在旋轉和提升的過程中，在射流后面形成空隙，在噴射壓力作用下，迫使土粒向與噴嘴移動相反的方向(即阻力小的方向)移動，與漿液攪拌混合后形成固結體。

3)置換作用。高速水射流切割土體的同時，由于通入壓縮空氣而把一部分切割下的土粒排出灌漿孔，土粒排出后所空下的體積由灌入的漿液補入。

4)充填、滲透固結作用。高壓漿液充填沖開的和原有的土體空隙，析水固結，還可滲入一定厚度的砂層而形成固結體。

5)壓密作用。高壓噴射流在切割破碎土體的過程中，在破碎帶邊緣還有剩余壓力，這種壓力對土層可產生一定的壓密作用，使高噴樁體邊緣部分的抗壓強度高于中心部分。

4 高壓旋噴樁復合地基加固計算

依據相關規程、規范、標準，商住樓基底下存在中砂軟弱層，采用高壓旋噴樁對其進行地基處理，根據基底標高不同，分為2個加固區域(加固1區和加固2區)，共處理面積約140 m2。其中加固2區因下部軟弱層厚度較薄，且結合現場實際情況，加固處理難度大。

4.1 確定樁長、樁徑

按設計要求旋噴樁處理深度應穿過中砂層進入下部中密卵石層，并以中密卵石層作為樁端持力層，此時樁體在荷載作用下主要起應力集中的作用，從而使軟土負擔的壓力相應減少。結合本場地地質條件，高壓旋噴樁加固至持力層(中密卵石層)70 cm。因本工程處理面積小(約140 m2)，處理范圍內僅涉及ZK15一個勘察孔，參照該鉆孔資料及現場情況，本工程加固1區高壓旋噴樁平均處理深度為3.0 m;加固2區高壓旋噴樁平均處理深度為1.5 m。根據所采用的成樁設備，本工程旋噴樁樁徑確定為550 mm。

4.2 確定樁間距［5，6］

1)確定天然地基承載力特征值fak。

根據地勘報告提供相關承載力參數，中砂層地基承載力特征值取fak=150 kPa。

2)計算單樁豎向承載力特征值Ra。

依據JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范提供的方法來計算單樁豎向承載力特征值Ra，并取其中較小值。

其中，Ra為樁豎向承載力特征值，kN;η為樁身強度折減系數，取0.33;fcu為樁試塊在標準養護條件下28 d齡期的立方體抗壓強度的平均值，取9 000 kPa;Ap為樁的截面積，m2。

則按式(1)計算的單樁豎向承載力特征值為:Ra=ηfcuAp=705.26 kN。

其中，μp為樁的周長，m;n為樁長范圍內所劃分的土層數;qsi為樁周第i層土的側阻力特征值，kPa，成都地區經驗中砂取35 kPa，中密卵石取75 kPa、密實卵石取80 kPa;qp為樁周第i層土的樁端端阻力特征值，kPa，按中密卵石取1 500 kPa;li為第i層土的厚度，m，按勘察報告第15號孔，中砂取2.0 m，中密卵石0.4 m，密實卵石0.7 m。

計算得單樁豎向承載力特征值為:

地基加固1區:Ra=625.60 kN，單樁豎向承載力特征值Ra取小值625.60 kN。

地基加固2區(基底標高比地基加固1區低2.1 m):Ra=501.258 kN，單樁豎向承載力特征值Ra取小值501.258 kN。

3)計算面積置換率m。

依據JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范公式9.2.5計算面積置換率m。

其中，fspk為復合地基承載力特征值，kPa，設計要求530 kPa;m為面積置換率;fsk為處理后樁間土承載力特征值，即取地基土承載力平均值150 kPa;β為樁間土承載力折減系數，取0.40。

按式(3)計算面積置換率m:

加固 1 區:m=0.183;加固2 區:m=0.229。

由面積置換率m，分別得等效影響直徑de，加固1區:de=1.285 m;加固2 區:de=1.149 m。

4)確定樁間距s。

a.按三角形布樁，則 de=1.05s，得加固 1 區:s=1.223 m，加固2區:s=1.09 m。

b.按正方形布樁，則 de=1.13s，得加固 1 區:s=1.137 m，加固2區:s=1.07 m。

4.3 布樁方案

旋噴樁加固范圍為中砂分布范圍。按照規范要求，在確保旋噴樁面積置換率不低于設計值(加固1區0.183，加固2區0.229)的前提下將樁位均勻布置到基礎下，本工程按正方形布樁，樁間距加固1區1.10 m，加固2區1.00 m。樁端進入下臥中密卵石層1倍樁徑以上，即0.7 m，且樁長加固1區不小于3.0 m，加固2區不小于1.5 m。

加固1區與加固2區均按照矩形布樁方式，總樁數為124根，加固1區平均樁長3.00 m，加固2區平均樁長1.50 m。預計總加固深度333 m。

4.4 復合地基承載力驗算

5 結語

本文對高壓旋噴樁地基加固技術進行了研究，以成都某商住樓為工程背景，詳述了采用高壓旋噴樁進行地基加固的施工流程和相應的施工技術要求，并分析了該方法的加固原理。最后按《建筑地基處理技術規范》給出的方法，計算了加固后的復合地基承載力，得出了加固1區和加固2區的地基承載力均大于530 kPa的結論，驗證了高壓旋噴樁加固技術的有效性。

［1］龔曉南.地基處理手冊［M］.第3版.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［2］陳開圣.高壓旋噴樁在邵懷高速公路軟基加固中的應用［J］.路基工程，2010，18(3):69-71.

［3］龍 剛，宣以瓊.高壓旋噴樁在橋梁樁基加固工程中的應用［J］.安徽建筑工業學院學報，2010，18(3):55-58.

［4］付艷斌，謝永健.基坑旋噴樁施工對周邊環境的影響及改進措施［J］.建筑技術，2008，20(5):42-46.

［5］GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范［S］.

［6］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范［S］.