高壓旋噴樁在基坑防護(hù)中的應(yīng)用研究

李 帆，邱學(xué)山，潘逸卉，孫 丹

(1.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017)

0 引言

在基坑工程中最常見的基坑防護(hù)結(jié)構(gòu)主要有：土釘墻支護(hù)、水泥土重力式圍護(hù)墻、鋼板樁支護(hù)、灌注排樁支護(hù)、地下連續(xù)墻等。高壓旋噴樁在基坑工程中也僅常見于與上述基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的配合使用。高壓旋噴樁是以高壓旋轉(zhuǎn)的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合，形成連續(xù)搭接的水泥加固體，具有成本低、固結(jié)體強(qiáng)度高、可靠性高、施工速度快、施工噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。高壓旋噴樁廣泛應(yīng)用于地基加固處理、基坑止水帷幕、邊坡?lián)跬翂驌跛⒒拥撞考庸獭⑺畮?kù)大壩及堤防防滲、構(gòu)筑物地下截滲等。

1 工程概況

1.1 工程位置

泰興市位于江蘇省中部、長(zhǎng)江下游北岸，東接如皋，西瀕長(zhǎng)江，南界靖江，北臨姜堰，東北與海安接壤，西北與泰州毗連，屬泰州行政轄區(qū)；東西最大直線距離為44.55 km，南北最大直線距離為43.5 km。泰興市屬長(zhǎng)江三角洲沖積平原，總面積1 175.59 km2，水域230.3 km2(含江域面積42.88 km2，占18.6%)。泰興市境內(nèi)具有豐富的物產(chǎn)資源和礦產(chǎn)資源，是江蘇省重要的糧食和油料產(chǎn)區(qū)；素有“銀杏之鄉(xiāng)”“建筑之鄉(xiāng)”“教育之鄉(xiāng)”之稱，多次被評(píng)為“中國(guó)明星縣(市)”“中國(guó)綜合競(jìng)爭(zhēng)力百?gòu)?qiáng)(市)”。

1.2 工程任務(wù)

本工程的主要任務(wù)為：通過三陽(yáng)中溝閘站的實(shí)施，進(jìn)一步完善泰興市城市防洪體系，使河道引、排水出路通暢，滿足周邊農(nóng)田的引水灌溉及防洪、排澇要求,保護(hù)沿岸村莊、工廠企業(yè)及農(nóng)田，改善水涵養(yǎng)、水環(huán)境，營(yíng)造環(huán)境優(yōu)美的水生態(tài)人文景觀。

1.3 工程規(guī)模

根據(jù)《泰興市城市水環(huán)境治理規(guī)劃(2012—2020)》，本工程實(shí)施后，與其他防洪排澇工程配套，使得泰興市主城區(qū)的防洪能力達(dá)到50年一遇標(biāo)準(zhǔn)，排澇能力達(dá)到20年一遇標(biāo)準(zhǔn)；本工程等別為Ⅳ等，主要水工建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)。

泰興市三陽(yáng)中溝閘站位于三陽(yáng)中溝與如泰運(yùn)河的交匯口處，主要用于城區(qū)汛期的防洪、排澇和非汛期內(nèi)河的換水、補(bǔ)水，設(shè)計(jì)總抽排流量為6.0 m3/s，配備兩臺(tái)潛水軸流泵。現(xiàn)狀三陽(yáng)中溝河道兩側(cè)駁岸均為漿砌石結(jié)構(gòu)，站址東側(cè)為規(guī)劃濟(jì)川藥廠用地，西側(cè)為濟(jì)川藥廠廠區(qū)；緊鄰現(xiàn)狀西側(cè)駁岸后布置有藥廠生產(chǎn)管線，藥廠進(jìn)出道路布置在現(xiàn)狀坡頂。施工過程中須對(duì)藥廠管線、道路及廠房進(jìn)行保護(hù)，確保企業(yè)生產(chǎn)正常。

2 地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告：擬建場(chǎng)地地震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.05 g。

經(jīng)勘察查明，在本次勘察深度范圍(控制性孔65 m)內(nèi)的地基土屬Q(mào)4的沉積層，主要由表土、粉砂夾粉土及粉質(zhì)黏土等組成，各土層間的強(qiáng)度、壓縮變形差異性較大。根據(jù)沉積時(shí)代、成因類型及其土性可劃分3個(gè)工程地質(zhì)層。擬建場(chǎng)地內(nèi)各層地基土組成、物理性質(zhì)、工程性能評(píng)述及分布情況如下。

(1)表土：土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，上部以厚0.3～4.6 m的雜填土為主，雜色，夾碎磚、砼塊類建筑垃圾；下部為素填土，灰褐色～灰黃色，以粉土、粉質(zhì)黏土為主，局部地段為淤泥質(zhì)土，夾植物根莖。該層土堆積年限大于5 年，工程地質(zhì)性質(zhì)差。場(chǎng)區(qū)內(nèi)該層土普遍分布。

(2)粉砂夾粉土：灰黃色～淺灰色，飽和，中密為主，局部稍密，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、云母等，渾圓狀，磨圓性好，顆粒級(jí)配不良，具水平微層理。該層土局部夾少許厚度小于0.8 m的粉土、細(xì)砂及粉質(zhì)黏土，粉砂與粉土、細(xì)砂及粉質(zhì)黏土的厚度比例約為10∶3∶2∶1。工程地質(zhì)性質(zhì)較好。場(chǎng)區(qū)內(nèi)該層土局部缺失。

(3)粉質(zhì)黏土：灰色，軟塑～可塑，含云母、貝殼碎屑、大量有機(jī)質(zhì)及腐殖物。局部夾厚度小于0.9 m的粉土及粉砂，粉質(zhì)黏土與粉土及粉砂的厚度比例約10∶2∶1。無(wú)搖震反應(yīng)，稍有光澤，中等強(qiáng)度，中等韌性，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。場(chǎng)區(qū)內(nèi)該層土局部缺失。

各工程地質(zhì)層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 各工程地質(zhì)層物理力學(xué)指標(biāo)

3 基坑防護(hù)方案

3.1 方案比選

3.1.1 設(shè)計(jì)方案

本工程站址土層分布主要以粉砂夾粉土為主，土體透水性強(qiáng)，施工過程中基坑須采取管井或輕型井點(diǎn)降水措施。考慮到施工降水影響范圍較大，且現(xiàn)狀河道西側(cè)藥廠廠房距離河道最近僅15 m，因此，須對(duì)基坑西側(cè)進(jìn)行支護(hù)的同時(shí)增設(shè)防滲帷幕，確保施工降水過程中藥廠管線、道路及廠房安全。

采取常規(guī)的水泥土重力式圍護(hù)墻、灌注排樁支護(hù)、地下連續(xù)墻等支護(hù)方案，雖能起到基坑支護(hù)及防滲的效果，但工程費(fèi)用較高。考慮到本工程投資限制，經(jīng)綜合比選，本次設(shè)計(jì)采用高壓旋噴樁對(duì)現(xiàn)狀堤腳土體進(jìn)行加固，并形成一道連續(xù)的防滲帷幕，以滿足本工程基坑防護(hù)的要求。基坑防護(hù)設(shè)計(jì)，如圖1和圖2所示。

圖1 基坑防護(hù)橫斷面布置(單位：mm)

圖2 高壓旋噴樁平面布置(單位：mm)

3.1.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)施工工藝：三管法施工。

(2)漿液：純水泥漿液(漿液密度1.4～1.5 g/cm3)，水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，可摻入適量外加劑[1]。

(3)旋噴固結(jié)體呈圓柱狀，直徑≥1.0 m，旋噴樁之間最小搭接長(zhǎng)度不小于20 cm。

(4)布孔形式：布孔形式為兩排、梅花形，樁距為80 cm，排距為80 cm，最終成墻厚度不小于1.40 m。

(5)壓力參數(shù)：高壓水泥漿的壓力>30 MPa，流量>70 L/min，提升速度0.1～0.2 m/min[1]。

(6)水灰比：暫定0.8(宜為0.8～1.2)。

(7)樁底高程：-15.0 m。

(8)成樁質(zhì)量：現(xiàn)場(chǎng)取芯28天齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于4 000 kPa，抗剪強(qiáng)度不小于400 kPa，滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s[2]。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.2.1 計(jì)算原理

本次基坑結(jié)構(gòu)計(jì)算同岸坡穩(wěn)定計(jì)算，分別對(duì)加固墻后岸坡穩(wěn)定進(jìn)行分析，計(jì)算方法采用瑞典圓弧法[3]計(jì)算，主要計(jì)算公式如下：

K=

式中：W為土條重量；Q，V分別為水平和垂直地震慣性力；u為作用于土條底面的孔隙力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中心的半徑之間的夾角；b為土條寬度；c′，φ′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；MC為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R為圓弧半徑。

3.2.2 計(jì)算參數(shù)

岸坡穩(wěn)定計(jì)算工況及巖土參數(shù)，如表2和3所示。

表2 岸坡穩(wěn)定計(jì)算工況

表3 計(jì)算巖土參數(shù)

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

本工程利用高壓旋噴樁對(duì)基坑加固，根據(jù)設(shè)計(jì)每延米旋噴樁成墻厚度不小于1.5 m，樁體抗剪強(qiáng)度按設(shè)計(jì)要求取400 kPa，則樁體提供的抗滑力為1.5(每延米截面積)×400(樁體抗剪強(qiáng)度)=600 kN。基坑加固前后的岸坡穩(wěn)定抗滑結(jié)果如表4所示。

表4 邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果

根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，采用高壓旋噴樁加固后的岸坡整體穩(wěn)定性有顯著的提高，加固后岸坡穩(wěn)定性能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 施工注意事項(xiàng)

(1)施工前應(yīng)進(jìn)行水泥加固土的室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)被加固土的性質(zhì)及設(shè)計(jì)樁身強(qiáng)度要求，確定每延米水泥用量。

(2)每段作業(yè)點(diǎn)施工前必須先打工藝試驗(yàn)樁，以檢驗(yàn)機(jī)具性能及施工工藝中的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，其中包括漿液配比、旋噴參數(shù)、鉆進(jìn)和提升速度等。

(3)設(shè)備就位后必須平整，確保施工過程不發(fā)生傾斜和移動(dòng)，確保機(jī)架和鉆桿的垂直度[1]。

(4)制備好的水泥漿不得有離析現(xiàn)象，若停置時(shí)間過長(zhǎng)，不得使用。

(5)施工過程中應(yīng)嚴(yán)格按照施工參數(shù)和材料用量施工，用漿量和提升速度應(yīng)采用自動(dòng)記錄裝置做好施工各項(xiàng)記錄。

(6)高壓泵離噴射注漿孔不宜過遠(yuǎn)，以防高壓軟管過長(zhǎng)，沿程損失增大，造成實(shí)際噴射壓力過低[2]。

(7)鉆孔過程中出現(xiàn)短暫停止或終孔待噴時(shí)，孔口應(yīng)加以保護(hù)，若時(shí)間過長(zhǎng)應(yīng)采取措施防止塌孔。

(8)高噴灌漿自下而上連續(xù)作業(yè)，若因故中斷后恢復(fù)施工時(shí)，應(yīng)對(duì)中斷孔段進(jìn)行復(fù)噴。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)高壓旋噴樁在基坑支護(hù)中大多作為輔助防滲措施，作為主體支護(hù)結(jié)構(gòu)情況較少。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)本工程土層情況選擇合適的樁徑及設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)于作為主體支護(hù)結(jié)構(gòu)樁的排數(shù)應(yīng)通過邊坡穩(wěn)定軟件反復(fù)試算最終確定。

(2)旋噴樁能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，室內(nèi)配合比試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試樁及施工過程中各參數(shù)的控制都是至關(guān)重要的。

(3)高壓旋噴樁施工完成后須對(duì)樁身的均勻性、成樁的直徑、樁身不同部位的強(qiáng)度及防滲效果等進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

(4)對(duì)于部分重要基坑，失事后存在嚴(yán)重后果的，設(shè)計(jì)人員須采用旋噴樁內(nèi)增插型鋼的方案，以增加基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性。