插芯高壓旋噴樁在復合地基補強加固中的應用

張 葦（山西能源學院，山西 太原 030600）

高壓旋噴樁是目前加固軟土地基的常用處理方法之一，其原理是采用鉆機將帶有特制噴嘴的注漿管鉆入指定深度的土層內，使用20MPa～40MPa的高壓噴射流破壞地基土體，注入的漿液將沖下的土體置換，或與土體混合經過凝結固化形成固體，從而提高地基土層的承載力，減少地基土的變形[1-4]。但由于高壓旋噴樁一般采用水泥漿液進行土體加固，其本身單樁承載力較低，在地基承載力要求較高的情況下，樁體自身的材料強度往往不能滿足要求，而在旋噴樁上部部分插入型鋼則可以提高旋噴樁單樁承載力，擴大其在工程上的使用范圍[5]。本文依據插芯高壓旋噴樁在高層住宅地基加固中的應用，結合現場檢驗結果，對插芯高壓旋噴樁的應用效果做了討論。

1 工程概況

1.1 工程及地質概況

本工程為某小區高層住宅樓，地下一層，地上三十層，建筑高度99m，室內外高差0.45m，建筑平面尺寸為長91.2m、寬20.6m。上部結構為鋼筋混凝土剪力墻，基礎采用平板式筏形基礎。建筑結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級，建筑場地類別為Ⅲ類，地面粗糙度類別為B類，設計使用年限50年。地基土的各項物理力學指標分層統計結果詳見表1。在勘察期內測得地下水穩定水位在3.2m～6.8m左右，地下水類型上部為孔隙水，主要含水層為第①、②層粉砂、粉細砂，第③層以下則為承壓水。本工程場地土類型屬中軟場地土，嚴重液化場地，液化土層主要為第①層粉砂和第②層粉細砂。

表1 地基土層物理力學指標

1.2 既有地基處理方案

為了消除場地液化，采用了強夯法對整個基礎范圍內的地基土進行加固處理，單擊夯擊能4000kNd·M，夯點間距為6.0m，呈正方形布置。強夯后的地基承載力經檢測達到220kPa，不符合上部結構荷載要求，在經強夯處理后的地基土上滿打CFG樁，樁徑400mm，正方形布樁，樁間距1300mm，樁長21m，且應進入樁端持力層粉砂層。樁體混凝土強度標準值要求達到C20，施工采用長螺旋鉆孔、管內泵壓混合料灌注成樁工藝。經處理后的復合地基承載力設計值為500kPa，復合地基的最終變形量小于50mm。

2 地基加固方案的選取

本工程在平板筏形基礎施工過半時，由于建筑方案臨時調整，結構主體外輪廓發生變化，基礎底面積增大，結構新增部分下方的地基土僅進行了強夯處理，未進行CFG樁加固，不足以承擔上部結構傳來的荷載，必須對這部分地基土進行加固處理。但是由于基礎部分施工正在進行中，現場工作面很狹小，CFG樁的施工設備不能進場，不能進行CFG樁補打操作。這就需要選擇一種新的地基處理方案以滿足現場施工操作面的要求，既能在有限場地條件下進行施工，又可以滿足地基承載力和基礎變形的要求，并可以同CFG樁復合地基共同工作，保證上部結構的整體穩定性。經過方案比較論證，依據現有施工場地狀況確定選用施工占地面積較小的高壓旋噴樁來加固擴出的地基土。高壓旋噴樁采用三角形布樁方式，樁徑600mm,樁間距1200mm,，樁長21m。樁身強度標準值要求達到5MPa，水泥采用普通硅酸鹽水泥，強度等級不低于42.5。CFG樁及補打高壓旋噴樁樁位具體布置如圖1所示。

圖1 CFG樁與高壓旋噴樁樁位布置平面圖

3 高壓旋噴樁加固地基設計方案

3.1 高壓旋噴樁復合地基承載力計算

根據《建筑地基處理規范》（JGJ79-2012）[2]中的相關設計要求，旋噴樁復合地基承載力特征值和單樁承載力特征值應通過現場載荷試驗確定，在初步設計時可通過以下兩個公式確定。

式（1）中fSPK-為復合地基承載力特征值，kPa；

λ-為單樁承載力發揮系數，應由單樁復合地基試驗按等變形準則確定，有地區經驗時也可按地區經驗確定；

m-為面積置換率；

Ap-為樁的截面面積，m2；

R-為單樁豎向承載力特征值，kN；

β-為樁間土承載力發揮系數，可按地區經驗確定；

fSK-為處理后復合地基樁間土承載力特征值（kPa），可按地區經驗確定。

式（2）中μp-為樁的周長，m；

lpi-為樁長范圍內第i層土的厚度，m；

αp-為樁端阻力發揮系數；

qsi和qp-分別為樁周第i層土的側阻力和樁端阻力，kPa，可按地區經驗確定。

高壓旋噴樁單樁承載力除了受到樁土相互作用以及樁身幾何尺寸的影響外，還受樁身材料強度的控制，其樁身強度需要滿足公式（3）的要求。

3.2 幾何設計參數的選取

通過上述公式（1）～（3），可確定高壓旋噴樁復合地基的初步設計參數和承載效果。在本工程中，為了保證整體樓座可置于變形均勻的地基土層上，新增高壓旋噴樁復合地基需要達到同已有CFG樁復合地基基本相同的地基承載力。在選定樁長時，將兩種不同樁型的樁端持力層置于同一土層上，從而確保復合地基下臥層的受力均勻，變形一致。另外，考慮到上部結構擴出部位為建筑角部，向下傳遞的荷載較大，同原有的CFG樁相比較，新增的高壓旋噴樁采用較大的直徑（d=600mm）和更為緊湊的三角形布樁方式。

根據鄭剛[6]所做的水泥土-土、混凝土-土接觸面荷載傳遞實驗結果，可知水泥土攪拌樁與土之間的摩擦力大于干法成孔灌注樁和泥漿護壁成孔灌注樁與土接觸面的摩擦力，故在計算時，高壓旋噴樁的樁側阻力和樁端阻力均可按照已有地勘報告所提出的鋼筋混凝土灌注樁的參數來選用。

經公式（1）計算分析，在此種布樁方式下，要保證旋噴樁復合地基承載力達到520kPa，其單樁承載力特征值要求達到577kN即可。而根據公式（2），樁側摩阻力和樁端阻力所提供的單樁承載力特征值可以達到了797kN，滿足要求。

3.3 樁身強度的改善

在確定樁身設計強度時，根據旋噴樁在相似土質條件下的施工經驗及檢測結果，樁身強度最高可取為5MPa。根據公式（3），反算其所能提供的單樁承載力特征值僅為230kN，遠遠低于設計所需要的577kN。這是由于高壓旋噴樁樁體材料為水泥土，樁體自身強度相對較低，樁體向下傳遞荷載的能力非常有限，從而導致高壓旋噴樁很少用于較高地基承載力要求的地方。

一些工程實踐也表明，常規的水泥土樁的破壞并不是因為樁側阻力和樁端阻力達到極限，而是由于水泥土自身強度不足導致的。考慮到高壓旋噴樁這一缺陷，提出了一種在樁體上部有限樁長度內插入強度高于水泥土構件的辦法，增大旋噴樁樁身上部截面的抗壓強度，增強樁體向更大深度處傳遞荷載的能力，從而提高單樁承載力，擴大旋噴樁的適用范圍。芯材的插入時間應控制在高壓旋噴注漿完畢而水泥未初凝之前；在選擇插芯材料時，要充分考慮芯材自身的抗壓強度是否足夠，同時還要考慮芯材與水泥土之間的粘結力足夠承擔上部傳來的荷載，不會發生芯材同水泥土之間粘結力不足而破壞；在芯材長度的確定上，要根據下部未插芯的高壓旋噴樁所能承擔的承載力來確定，即旋噴樁的單樁承載力Ra可分為兩部分，上部插芯部分Ra1和下部未插芯部分Ra2，如公式（4）所示。Ra1和Ra2可通過公式（2）和（3）計算確定。

根據本工程自身特點以及施工緊迫性的要求，在高壓旋噴樁上部9m范圍內插入直徑245mm、壁厚7mm的Q235熱軋無縫鋼管，提高樁體上部截面的抗壓強度，具體如圖2所示。圖中鋼管自身的抗壓強度可以達到215MPa，按其樁身強度所能承擔的承載力達到1124kN。根據經驗值，鋼管同水泥土之間的黏結強度設計值取0.2MPa，則通過計算可知，鋼管與水泥土接觸面的摩擦力可提供的承載力足夠承擔上部荷載，水泥土與鋼管可以共同工作。通過公式（4）計算可得，在插入9m鋼管后，旋噴樁未插芯部分的強度足以承擔上部傳來的荷載，插芯高壓旋噴樁復合地基可以達到設計要求的地基承載力。

圖2 插芯高壓旋噴樁剖面圖

3.4 復合地基檢驗

作為補強加固的高壓旋噴樁施工完成后，為檢驗復合地基的承載力滿足設計要求，現場進行平板靜載荷試驗。試驗采用壓重平臺反力系統，液壓千斤頂加壓，采用1m×1m方形承壓板，沉降觀測采用百分表、基準梁觀測系統。試驗總載荷為1100kPa，分10級加載，每級荷載增量為110kPa。此外，抽取3根旋噴樁做取芯檢驗，并對所有的旋噴樁采用低應變檢測樁身的完整性。試驗結果表明，在本工程中采用的此種插芯高壓旋噴樁復合地基承載力、樁身強度均滿足設計要求。

3.5 上部結構加強措施

對于高層住宅下部采用兩種不同地基處理方式的工程，還應該在基礎以及上部結構上采取相應的加強措施，保證上部結構、基礎和地基之間傳力的均勻性，減小整個建筑的不均勻沉降。在本工程高壓旋噴樁部位新增筏板基礎，在滿足上部結構傳力要求的同時，增大筏板在交接部位配筋，適當增大外邊緣，即增大樓座底面積，減小基底壓力，通過厚板作用將上部荷載更均勻地傳遞到復合地基土上。

4 結語

通過此工程實例，可以得出以下幾點結論：

（1）在場地條件有限的情況下，施工設備要求較小的高壓旋噴樁是進行既有建筑的地基補強和加固的很好選擇。

（2）在高壓旋噴樁有限樁長內插入合適強度的芯材，可以有效提高旋噴樁體自身強度，提高單樁承載力，從而提高復合地基的承載能力，擴大高壓旋噴樁的使用范圍。

（3）高壓旋噴樁+芯材的組合樁體設計目前還沒有相關的設計規范，水泥土同芯材之間的相互作用機理以及樁的整體傳力機制還需要研究人員進一步的探討研究。

（4）對于處在兩種不同地基處理方式上的上部結構，應在協調地基處理方式的同時對上部結構進行調整，保證上部結構、基礎與地基之間的協同工作。