淺談旋噴樁復合地基的設計

王曉軍，吳偉杰，尚知宇（蘇州中材建設有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 概述

旋噴樁（又稱高壓旋噴樁）就是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進土層的預定位置后，以高壓設備使漿液或水、空氣成為20～40MPa的高壓射流從噴嘴中噴射出來，沖切、擾動、破壞土體，同時鉆桿以一定速度逐漸提升，將漿液與土粒強制攪拌混合，漿液凝固后，在土中形成一個圓柱狀固結體（即旋噴樁），以達到加固地基或止水防滲的目的。高壓噴射有旋噴（固結體為圓柱狀）、定噴（固結體為壁狀）和擺噴（固結體為扇狀）三種基本形狀。噴射注漿有三種：單管法（噴射高壓水泥漿液一種物質）、雙管法（噴射高壓水泥漿液和壓縮空氣二種介質）、三管法（噴射高壓水流、壓縮空氣和水泥漿液等三種物質）。

《建筑地基處理技術規范JGJ 79—2012》介紹了旋噴樁處理地基的方法。對旋噴樁處理地基的設計則沒有具體的方法，以致許多設計人員及施工技術人員在遇到旋噴樁地基處理設計問題時難以下手，本文結合工程案例歸納了旋噴樁復合地基的設計方法及步驟。

1 設計方法和步驟

1.1 旋噴樁的適用范圍

旋噴樁適用于處理淤泥、淤泥質土、黏性土（流塑、軟塑和可塑）、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地基。對硬粘性土、土中含有較多的大直徑塊石、大量植物根莖和高含量的有機質，以及地下水流速較大的工程，應根據現場試驗結果確定其適用性。

1.2 旋噴樁復合地基承載力估算

根據地勘報告，按旋噴樁復合地基承載力特征值為180～200 kPa估算基礎底面積，可以初步確定樁的直徑、樁長、樁間距、樁的根數。

樁徑一般400～1000mm，樁長要貫穿基礎主要受力層，對于條基不應小于3b（b為基礎寬度）；對于獨立基礎應不小于1.5b，且獨基下旋噴樁樁數不應少于4根；對于片筏基礎不應小于（1.0～1.2）b，且不小于5m；樁間距不小于3d（d為樁徑），不大于6d。

旋噴樁復合地基宜在基礎和樁頂之間設置褥墊層，墊層厚度宜為150～300mm，褥墊層材料可選中砂、粗砂和級配碎石，褥墊層最大粒徑不宜大于200mm。褥墊層的夯實度應不小于0.9。

1.3 旋噴樁復合地基承載力強度

根據初步定的樁徑、樁長、樁間距，按《建筑地基處理技術規范JGJ 79—2012》中的式（1）及（2）計算有粘結強度增強體復合地基承載力特征值：

其中：λ—增強體單樁承載力發揮系數，0.7～1.0；Ra—增強體單樁豎向承載力特征值，kN；Ap—樁的截面積，m2；β—樁間土承載力發揮系數，1.0～1.1；up—樁的周長，m；qsi—樁周第i層土的側阻力特征值（kPa）；lpi—樁長范圍內第i層土的厚度，m；αp—樁端阻力發揮系數，1.0（水泥土攪拌樁取0.4～0.6及樁長過長影響樁端承載力發揮時取低值）；qp—樁端端阻力特征值（kPa），對于水泥攪拌樁、旋噴樁取未經修正的樁端地基土承載力特征值。

最后應采用平板載荷試驗確定旋噴樁復合地基承載力特征值，然后按《建筑地基基礎設計規范GB50007—2011》第5.2.1條公式pk fa及pkmax 1.2fa驗算持力層強度。如不滿足要求，可增加樁的數量（即縮小樁間距），或增加樁長，再進行驗算，直到強度滿足要求。

1.4 旋噴樁復合地基軟弱下臥層驗算

當旋噴樁長度不是很長，未穿透整個軟弱層，這時必須對樁長以下軟弱下臥層的強度進行驗算。很多人認為持力層強度滿足承載力要求，整個地基強度就可以滿足，或者認為由現場載荷板試驗得出的承載力就是整個地基的承載力。實際因為載荷試驗用的載荷板的尺寸不大，所以載荷試驗的影響深度較小，它只能反映持力層土的承載力，對軟弱下臥層的承載力仍要計算復核，這點要特別注意。

旋噴樁一般情況下都是水泥摻量較大的，單樁具有較高的樁身強度及較大的粘結力，其樁身強度接近于剛性樁，復合地基承載力主要由單樁承載力確定，因此，旋噴樁復合地基在對受力層范圍內軟弱下臥層進行強度驗算時，可參照混凝土類樁復合地基的擴散模型，即樁與樁間土可視為一個假想的實體基礎，按群樁作用原理進行下臥層地基強度驗算，擴散模型可按兩種方法考慮：

第一種：基底壓力擴散角α取樁范圍各土層內摩擦角加權平均值φ的1/4，同時在假想基礎底面到軟弱下臥層頂面之間進行二次擴散（如圖1）。假想實體基礎底面處的附加壓力為：

其中：f—假想實體基礎底面處的附加壓力；po—群樁頂面所受的附加壓力；L—混凝土樁的樁長；ao—矩形實體基礎長；bo—矩形實體基礎寬。

第二種：考慮假想實體基礎側面與土的摩擦力，計算出假想實體基礎底面處的附加應力，同時在假想實體基礎底面到軟弱下臥層頂面之間進行二次擴散（如圖2）。假想實體基礎底面處的附加壓力為：

其中：f—假想實體基礎底面處的附加壓力；po—群樁頂面所受的附加壓力；L—混凝土樁的樁長；γp—樁身長度范圍內土的加權平均重度。

圖1 從樁頂開始的應力擴散模型

圖2 從樁底開始的應力 擴散模型

根據上述兩種方法求出實體基礎底面處的附加應力f后，再根據樁端以下土層的壓縮模量與軟弱下臥層模量的比值進行二次擴散，計算出軟弱下臥層頂面處所受的附加壓力，按《建筑地基基礎設計規范》pz+pcz faz公式（pz為荷載效應標準組合時，軟弱下臥層頂面處的附加壓力值，kPa；pcz為軟弱下臥層頂面處地基土的自重壓力值，kPa；faz為軟弱下臥層頂面處經深度修正后的地基承載力特征值，kPa）驗算軟弱下臥層強度是否滿足設計要求（要注意深度修正系數的取值）。

1.5 旋噴樁復合地基變形驗算

旋噴樁復合地基的變形沉降按《建筑地基處理技術規范JGJ 79—2012》中第7.1.7條方法對加固區和非加固區均采用分層總和法計算，加固區沉降按復合模量法計算，復合模量提高系數等于復合地基與天然地基承載力的倍數；軟弱下臥層頂面的附加應力按《建筑地基基礎設計規范GB 50007—2011》第5.2.7條第二款計算。

設計時還要注意以下幾點：①旋噴樁復合地基的對立基礎除要控制每個基礎的沉降外，還要驗算相鄰基礎的差異沉降，差異沉降滿足《建筑地基基礎設計規范GB 50007—2011》第5.3.4條規定；②對于筏板基礎，由于筏板基礎剛度大、整體性好，調整不均勻沉降的能力好，除控制最大沉降外，還要注意控制好傾斜量；③旋噴樁復合地基中，因為樁和樁周土的剛度相差較大，為使樁和樁間土更好的共同工作、有效地發揮樁間土的承載力，必須調整樁和樁間土的剛度差（或者說相對位移），因此基礎下應設置一層150～300 mm厚的級配砂石褥墊層，并用平板振動器振實（可適量噴水）。

2 工程案例

2.1 工程概況

某水泥廠二期工程，原料配料車間框架柱基礎平面（見圖3），E軸線X 1軸線～8軸線為新建框架柱，設計要求框架柱基礎持力層落在⑥強風化砂巖上，fak=300kPa；地勘剖面圖（見圖4），①層為回填夯實的素土，現場檢測地基承載力特征值為fak=120kPa，樁基參數見表1。

圖3 基礎平面圖

圖4 地勘剖面圖

2.2 施工遇到的問題

地勘報告在此車間僅有兩個布孔，且間距比較大，實際開挖后各土層厚度與地勘報告描述的偏差較大。問題一：6軸線～8軸線設計基底標高-6.0m，實際現場開挖到-4.0m就到⑥強風化砂巖持力層。問題二：1軸線～5軸線開挖至設計標高時，大部分基礎均未到⑥強風化砂巖持力層，經現場釬探，到達持力層還要繼續下挖深度在2～4m不等，而場地周圍環境已經不允許再繼續下挖（一側為一線的電纜橋架，另一側為一線正在生產的原料配料站基礎，存在嚴重安全隱患）。問題三：1軸線～2軸線間的地基梁設計上質心與重心不重合，偏心較大。

2.3 問題的處理

對于問題一，經與設計人員溝通，6軸線～8軸線的基礎按圖繼續施工，僅將基底標高抬高至-4.0m。對于問題二及問題三要結合基礎方案統一處理，設計提出兩個處理方案，第一方案灌注樁基礎，樁徑10000mm，樁長不小于21m，一柱一樁（共8根）；第二方案采用旋噴樁復合地基（現場正好有旋噴樁機）。由于現場場地狹小，1軸線～5軸線已經開挖到-5.3m標高，不適合大型機具作業，而旋噴樁機體積小、運行靈活、施工速度快。項目部經綜合分析后，決定采用旋噴樁處理地基，處理后的復合地基承載力特征值設計要求達到fak=300kPa；而且地基梁貫通1軸線至5軸線，地基梁截面及配筋用原設計的2-2剖面施工。

表1 樁基設計參數表 kPa

2.4 旋噴樁復合地基設計

現場按設計提供的計算數據，根據地勘報告剖面圖，確定1軸線～5軸線為到持力層部分旋噴樁平面圖（見圖5），旋噴樁處理深度貫穿①填土層到⑥強風化砂巖，進入⑥強風化砂巖500mm。根據上述公式（1）、（2）來確定復合地基的承載力。

（1）確定Ra。單樁極限承載力標準值：

其中：Ap=0.3 ×3.14=0.282 6 m（旋噴樁直徑6000mm）；up=3.14×0.6=1.884m；qsik樁極限側阻力標準值，qsik=20kPa及260kPa；li按土層劃分的各層厚度，li分別為2m及0.5m（按最小長度2.0m考慮，入持力層0.5 m）；αp樁端極限端阻力發揮系數；αp=1.0；Ruk=1.884×（20×2+260×0.5）+1.0×2200×0.2826=942kN。

增強體單樁豎向承載力特征值：

現場單樁豎向極限承載力標準值檢測結果為10080kPa。

圖5 旋噴樁平面布置圖

本案例中，由于上部加固區沉降很小，而下部的下臥層為強風化砂巖，厚度大，壓縮模量較大，沉降也是很小，再加上基礎采用剛度很大的地基梁，故可忽略總沉降量的計算。目前二線已經投產運行數個月，二線原料配料站未出現任何不均勻沉降。

3 結語

在地基基礎設計中包括了對地基的選擇和對基礎的設計，旋噴樁復合地基施工受場地及地層條件限制小，適用范圍很廣，固結體形狀可以控制；普遍應用于提高軟弱地基承載力，減小總沉降變形，特別是減少樁身范圍的沉降量，有效減少差異沉降。所以，本案例合理選擇地基處理方法和基礎形式，不僅可以在技術上滿足建筑結構的安全要求，還可以節約造價，縮短工期，達到降本增效的理想效果。