單管高壓旋噴樁在軟基海堤除險加固中的應用

王圓圓

(東莞市水利勘測設計院有限公司,廣東 東莞 523115)

軟基是壓縮層內承載力較低、壓縮模量不高、孔隙低、天然含水量接近或小于液限，無法滿足路基以及人工構造物基底強度要求的地基。在軟基上建設海堤存在地基不夠堅固的問題，在出現海嘯或臺風等自然災害時，無法起到保護的功能，隨著時間的演變，軟基海堤還會產生一定的沉降，大大降低了海堤的除險功能[1]。為了防止海堤工程建筑后地基下沉拉裂造成建筑物不穩定等事故，需要對軟基海堤進行除險加固處理，處理的目的是提升海堤的固結度和穩定性。隨著軟基海堤處理工程的實踐和發展，相關學者在改造土的工程性質的同時，也在不斷豐富對軟土特性的研究和認識，推動軟基海堤除險加固處理技術和方法的更新。目前常用的軟土海堤除險加固方法包括排水固結、輕質路堤、加筋、吹填、置換、固化劑加固、振動密擠，以及路堤樁等多種，其中路堤樁的應用范圍更加廣泛。

經過長時間的應用研究發現，應用傳統的除險加固方法得出的軟基海堤處理結果依舊存在較大的沉降和穩定性問題。為了解決問題，將單管高壓旋噴樁應用到加固工程中。單管高壓旋噴樁是高壓旋噴樁的一種，利用高壓漿液，噴射沖切破壞土體，形成的樁體具有施工速度快和成本低的特點，也具有較好的加固效果[2]。現如今中國的單管高壓旋噴樁主要被應用在地鐵、鐵路以及公路的施工工程中，通過施工結果可以看出單管高壓旋噴樁可以對地表沉降進行有效控制，且能夠保證線路周邊建筑物和管線的安全，具有較高的社會和經濟效益。全面掌握單管高壓旋噴樁技術，并將其應用到軟基海堤的除險加固工程中，對在不良地質段工程的安全施工具有重要意義。

1 除險加固方法設計

軟基海堤除險加固標準設計主要是按照堤防等級重要性確定，結合海堤項目實際情況，經過風浪計算后，需要提高海堤的厚度和堤寬，并針對堤基不穩問題進行軟基海堤加固處理。此次軟基海堤除險加固方法在傳統方法的基礎上，將單管高壓旋噴樁以及單管高壓旋噴技術應用其中，遵循該技術的實現原理將其大體分為三個步驟，具體包括分析軟基海堤除險加固的目的，設計單管高壓旋噴工藝流程以及技術參數，最終通過室外噴射實驗和室內取樣試驗，得出最終的加固結果[3]。優化的軟基海堤除險加固方法的實現過程如圖1所示。

圖1 軟基海堤除險加固設計程序

一般來講軟基海堤可以分為三角洲相和海岸帶兩種類型，其中三角洲相可以分為頂積層、前積層和底基層，而海岸帶可以分為礫石相、砂相和淤泥相等。結合研究的軟基海堤的實際工程項目，劃分軟土海堤的類型，在此基礎上分析高壓旋噴注漿技術的作用機理[4]。

1.1 建立軟土海堤除險加固力學等效模型

采用二維彈塑性有限元軟件進行軟基海堤實際結構、荷載、位移、約束等方面的模擬，計算出各個部位的應力和變形，并進行相對應的力學分析。可以得出軟土海堤除險加固區域應力表達式如式(1)所示：

(1)

式中：σr為軟土海堤除險加固區域切應力;σθ為軟土海堤除險加固區域正應力;A和C均為常數，可以根據除險加固區域的內面邊界條件得出常數的具體取值[5];r為加固區域半徑值。同理可以得出除險加固區域外應力對應的表達式。

在考慮加固位移的情況下，可以得出加固區和未加固區的彈性體的徑向位移表達式如式(2)所示：

(2)

式中：ur為加固區的分部節點；I和K分別為任意常數，用來表示與形變無關的剛體位移；E和μ分別為加固區的彈性模量和泊松比[6]；Cr表示加固區域邊界閾值；θ為未加固區域的分部值。根據加固與未加固區域接觸面上具有相同位移的關系，可以得到對應的應力分量表達式如式(3)所示：

(3)

式中：n為加固區和未加固區彈性模量的比值；a和b分別為加固前后單管高壓旋噴樁的開挖半徑;q為 加固區和未加固區的載荷。

1.2 高壓噴射流的流體力學特征

將單管高壓旋噴樁應用到除險加固工程中，需要利用高壓旋噴技術得到噴射流，并通過風干得到最終的樁體[7]。在高壓旋噴過程中需要嚴格地控制噴射壓力，從而控制流體的速度和功率，對應噴射流壓力與速度和功率的關系如表1所示。

表1 噴射流壓力與速度、功率關系

在外界環境以及空氣阻力的影響下，單管高壓旋噴流的速度和功率逐漸降低，按照旋噴流與噴嘴的距離可以將其劃分為初期區、遷移區、主要區和終結區四個部分，并得出各個階段旋噴流壓力的衰減規律，可以表示為式(4)：

(4)

式中：xn和K均為常數系數;d0為旋噴流與噴嘴之間的距離；p0和pm分別為旋噴流的初始壓力和距離噴嘴d0距離的壓力[8]。

1.3 成樁機理分析

使用單管高壓泵將水泥漿通過噴射裝置，水泥漿在高壓的作用下高速注入到軟基海堤土體中，其過程如圖2所示。

圖2 單管旋噴注漿示意圖

在單管高壓旋噴流的作用下對土體產生破壞作用，使得土體由整體狀態轉變為松散狀態，噴射流的破壞力可以表示為式(5)：

F=pQVm

(5)

式中：F為單圈高壓旋噴流介質的輸出節點；p和Q為單圈高壓旋噴流介質的密度和流量；Vm為流體的平均旋噴速度。

隨著旋噴流的沖切和移動，將配置完成的水泥漿注入到單管中，水泥在軟基海堤內部發生水解和水化反應[9]。水泥漿中水泥顆粒表面的礦物會和軟基海堤中的水發生反應，生成氫氧化鈣、硅酸鈣等化合物，在不同含量的水環境下水化的速度與程度不同。另外水泥漿在軟基海堤環境中的水化作用也就是碳酸化作用，高壓旋噴注入的水泥漿中有利的氫氧化鈣與水中以及空氣中的二氧化碳混合，生成不溶于水的碳酸鈣物質。通過一系列的化學以及風干反應，注入的水泥漿在軟基海堤中逐漸固結與硬化，最終得到單管高壓旋噴樁。

2 高壓旋噴樁施工工藝

在軟基海堤除險加固處理過程中，為了保證單管高壓旋噴樁得到更好的應用，滿足除險加固的要求與軟基海堤的施工要求，必須嚴格按照施工工藝流程進行施工，具體的施工過程如圖3所示。

圖3 單管高壓旋噴樁施工工藝流程

單管高壓旋噴樁施工就是先將注漿管插入指定的軟基海堤中，自下而上進行高壓旋噴作業。

2.1 準備噴射注漿材料

單管高壓旋噴樁的注漿主劑可以分為無機和有機兩種類型，其中無機類型包括單液水泥類、水泥黏土類、水玻璃類等；而有機類型可以分為木質素類、丙烯酰胺類等[10]。結合軟基海堤土質類型的基本特征，使用單液水泥漿液為主劑，按照一定的比例，并添加一定量的附加劑，配置成漿液材料。不同配比的噴射注漿材料的基本性能如表2所示。

表2 不同配比水泥漿材料的基本性能

2.2 選取高壓旋噴樁的施工設備

需要準備的高壓旋噴樁施工設備包括高壓泥漿泵、旋噴鉆機、旋噴器以及材料攪拌系統等，將各個設備按照其施工工藝流程連接在一起，得出的高壓旋噴樁施工設備連接情況如圖4所示。

圖4 高壓旋噴樁設備示意圖

其中對旋噴鉆機的要求包括：鉆機提升速度為10～30 cm/min，旋轉速度為15～30 r/min等。滿足上述參數要求的旋機設備包括SH30-2 型、76 型和GD-2 型等，可以結合現場的施工環境進行具體的設備型號選擇[11]。另外旋噴器包括上部送液器、中部鉆桿、下部噴射頭三個部分組成，其中送液器的作用是將漿液、水等設備輸送到噴射頭中，鉆桿是將送液器中的液體按照不同的壓力介質送到噴射頭中，鉆桿的厚度強度計算公式為式(6)：

(6)

式中：δ為變形量；d為管壁直徑;pg為桿內產生的壓力;m和σ為安全系數和抗拉強度。

同理對設備中的噴射頭的型號進行選擇，最終得出單管高壓旋噴樁的施工設備。

2.3 單管高壓旋噴樁設計與布置

單管高壓旋噴樁呈正三角形布置，其橫斷面布置的具體情況如圖5所示。

圖5 旋噴樁橫斷面布置示意圖

另外還需要布置旋噴樁的孔位，計算孔位之間的距離以及孔位深度[12]。

2.4 確定單管高壓旋噴樁施工參數

根據軟基海堤土質條件、加固要求確定單管高壓旋噴樁施工參數，旋噴壓力施工參數的計算方法如式(7)：

(7)

式中：φ為旋噴嘴的流速系數；Q為噴射泵量。

另外還需要對單管高壓旋噴樁設備的旋噴直徑進行參數設置，直徑的計算公式為式(8)：

(8)

式中：D0為噴嘴直徑；σc和vt為軟基海堤土的抗壓強度和噴管提升速度[13]。

在此基礎上，按照圖3中表示的施工程序流程，實現對單管高壓旋噴樁的施工工藝。

2.5 施工質量控制標準與質量檢查

為了保證軟基海堤除險加固的質量，需要對單管高壓旋噴樁的施工結果進行質量檢測，質量檢測分為施工前檢查、施工后檢查兩個部分[14]。其中施工前檢查就是檢查樁與樁之間的連接是否嚴密，而施工后的質量檢查就是在旋噴施工一個階段完成后或整個施工項目竣工后進行的，檢查施工固結體是否存在異常情況。最終結合施工質量的檢測結果，對其進行糾偏調整，從而保證單管高壓旋噴樁的施工質量，以及軟基海堤的除險加固質量。

3 應用效果測試試驗分析

為了測試單管高壓旋噴樁在軟基海堤除險加固工作中的應用效果，設計測試對比試驗，并觀察不同加固方法的加固效果。設置應用效果的檢測指標為軟基海堤表面的沉降量和變形量，使用位移傳感器設備得出量化的測試數據結果。為了形成試驗對比，將傳統的軟基海堤除險加固方法以及文獻[7]中提出的基于云模型的病險水閘除險加固方法作為此次試驗的兩個對比方法，分別將三種除險加固方法應用到相同的軟基海堤加固工程中，對比不同方法下的加固效果。

3.1 軟基海堤除險加固工程概況

此次試驗選擇的加固工程項目為位于廣東沿海的某個軟基海堤，該工程土層層位穩定，厚度變化小，連續性良好。

3.2 設置單管高壓旋噴設備參數

在試驗工程環境下，分別準備旋噴鉆孔和高壓注漿泵機設備，兩設備的型號分別為xpz-50和bwt100/30，另外還需要準備Lj660型號的立式攪拌機以及JQB2-10的潛水泵等單管高壓旋噴設備，并得出對應的成樁結果，其中部分旋噴樁的成樁結果數據如表3所示。

表3 單管高壓旋噴樁設計參數表

3.3 軟基海堤除險加固效果檢測對比結果

為了形成試驗對比，此次試驗選擇多次測量取平均值的方式，分別在各個軟基海堤上加載不同大小的荷載，每次加荷后間隔15 min觀測一次，記錄海堤的沉降情況與變形情況，并結合傳感器中的讀數得出量化結果。綜合各個位置的沉降與變形結果得出試驗的應用效果對比結果，其中在50 MPa荷載下沉降與變形的試驗統計結果如表4所示。

表4 試驗對比結果 mm

從表4中可以看出，在50 MPa外力荷載下，應用傳統和文獻[7]中提出的除險加固方法得出的平均沉降量分別為62.7 mm和42.3 mm，而平均變形量分別為91.2 mm和80.2 mm。而應用單管高壓旋噴樁的除險加固方法的平均沉降量和變形量分別為28.3 mm和48.8 mm。由此可見在這種外力荷載狀態下，應用單管高壓旋噴樁的除險加固方法的加固效果更優。同理可以得出在其他外力荷載下的試驗結果，綜合所有試驗結果可以得出，將單管高壓旋噴樁應用到軟基海堤除險加固工程中，具有較好的應用效果。

4 結 論

單管高壓旋噴樁是軟基海堤進行除險加固處理的一種有效型式，可以通過與樁間土形成復合地基，從而提高軟基海堤的承載能力，縮小沉降與變形程度，對其工程的適用性和應用領域拓展具有指導意義。然而由于首次采用單管高壓旋噴工藝處理，可利用的施工參數較少，加上施工工藝復雜，因此會出現施工時間長的問題，需要在未來的研究工作中進一步優化。