高壓旋噴樁在沿海軟基加固中的應用

賴鵬燕

（福建博業建設集團有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

在淤泥、粉質黏土、殘積砂質黏性土等軟土上部覆蓋著吹填砂層、素填土層，在此地基上修筑道路時，容易產生路基失穩或沉降量過大等問題。軟土路基處理方法有十幾種，要根據軟土的工程特性和擬建工程的需要從中選擇幾種處理方法結合使用，使地基承載力和變形滿足結構要求。目前，在軟土地基加固處理、深基坑、高邊坡和堵水帷幕等工程中應用較多的是高壓旋噴樁技術，但該技術在沿海灘涂區、吹填造地區應用較少。筆者結合工程實例，淺析高壓旋噴樁技術在廈門沿海灘涂區、吹填造地區的應用要點。

1 高壓旋噴樁的特性

1.1 高壓旋噴樁加固原理

所謂高壓旋噴樁技術，即是利用高壓泵噴嘴中噴射出的高壓漿液，其壓力大（20～40MPa）、能量大、速度快，當它不間斷和不離散地噴射在土體上，土粒在噴射流束的沖擊力、離心力和重力等綜合作用下，通過沖擊、切割使土體破碎、裂隙張開和形成空洞，并以水泥基質漿液填充、摻混拌合，形成圓形柱狀或板墻狀的凝結體，以改善水在地層中的滲透或地基承載力的施工技術。高壓旋噴樁復合地基主要是由樁、樁間土及褥墊層構成，柔性的褥墊層及設置在褥墊層的土工格柵將上部結構傳來的垂直或水平拉伸應力通過適當的變形緩沖后，再分散給各個增強體及周圍擠密土層，形成了一個整體上能滿足上部結構的地基承載力和變形要求。在豎向增強體與天然地基土體承載的荷載大小一定的情況下，通過改變褥墊層厚度，調整樁和樁間土所受的垂直荷載比例，褥墊層越厚，樁承擔的荷載越小，能充分發揮地基土層的承載力，降低工程造價。

1.2 高壓旋噴樁力學特性

1.2.1 高壓旋噴樁力學特征值的計算

復合地基承載力特征值在《建筑地基處理技術規范》中給出，初步設計時，對有黏結強度增強體復合地基，按下式計算其承載力特征值fspk：

式中：λ——單樁承載力發揮系數，可按地區經驗取值,一般取1；

m——面積置換率，m2，m＝d/de，d為樁身平均直徑，m；de為一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，m；等邊三角形布樁de＝1.05s，正方形布樁de＝1.13s，矩形布樁分別為樁間距、縱向樁間距和橫向樁間距；

AP——樁的截面積，m2；

β——樁間承載力發揮系數，可按地區經驗取值，可取0.4～0.8；

fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa，可按地區經驗確定；

Ra——單樁豎向承載力特征值，kN；Ra通過公式（2）計算，取其計算結果的小值。

式中：UP——樁的周長，m；

qsi——樁周土的側阻力特征值，kPa，可按地區經驗確定；

lpi——加固土層的厚度，m；

αp——樁端端阻力發揮系數，應按地區經驗確定，可取0.4～0.6；

qp——樁端端阻力特征值，kPa，可按地區經驗確定；對于水泥攪拌樁、高壓旋噴樁應取未經修正的樁端地基土承載力特征值。

高壓旋噴樁復合地基增強體樁身強度應滿足公式（3）的要求：

復合地基變形計算深度應大于復合土層的深度，復合土層的分層與天然地基相同，各復合土層的模量等于該層天然地基壓縮模量的ξ倍，ξ值可按公式（4）確定：

式中：fak——基礎底面下天然地基承載力特征值，kPa；

fspk——復合地基承載力特征值，kPa。

1.2.2 高壓旋噴樁力學特征值的影響因素

復合地基的承載力特征值由天然地基承載力和單根樁承載力組合而成，應滿足上部結構穩定要求，單根樁的容許承載力主要由樁側極限摩阻力和樁尖的極限承載力組成。其主要影響因素有以下幾方面：

（1）樁的有效長度、樁底截面、樁布置密度和樁的布置形狀；

（2）天然地基的承載力、樁對樁周圍土的約束力、土層含水量的大??；

（3）土的壓縮模量，土體的固結和土粒間的黏聚力、摩擦阻力以及聯鎖作用；

（4）垂直增強的抗壓強度（膠凝材料用量、養護時間、攪拌的均勻性）；

（5）褥墊層厚度、級配，施工時是否對樁與樁之間土體產生擾動影響其擠密。

1.3 沿海潮汐對高壓旋噴樁加固地基的破壞模式

沿海灘涂區域高壓旋噴樁復合地基的破壞主要在于海洋潮汐對水泥漿增強體的影響?；瘜W作用表現為：潮汐將水泥漿增強體從外到內逐漸溶解，侵蝕性物質與水泥漿增強體發生離子交換反應。物理作用表現為：風浪、冰凌、風沙、漂浮物沖刷撞擊造成的磨損，以及在潮汐作用下水位忽高忽低產生結晶脹縮。這些對增強體的破壞是通過加固區域塑性區的分布特征加以體現，塑性區是當交通荷載超過一定數值時，復合地基結構產生了不可恢復的非彈性變形，一旦非彈性變形進一步擴展、貫通即會出現不穩定的塑性區域。經增強體加固后，復合地基及路基在荷載作用下的塑性區分布主要在褥墊層、高壓旋噴樁復合地基上部，破壞形式主要表現為整體滑動或者其局部剪壞區發展，導致過大的甚至不均勻的地基變形從而直至加固體系失效。

2 高壓旋噴樁的應用實例

2.1 工程概況

工程案例位于廈門市翔安區新店鎮劉五店片區，起于翔安南路，南北走向，終于翔安隧道，道路長度為3122.998m，以交通功能為主，為連接翔安南路與翔安隧道主要分區的主干路。斷面組成：6m 人行道+3m 非機動車道+3m 綠化帶+11m 車行道+6m 中間綠化帶+11m車行道=40m，設計速度60km/h，改性瀝青混凝土路面設計基準期為15a。本項目途經沿海灘涂區、海域、吹填造地區和村莊，但大部分路段位于灘涂及海域區，其地層巖性：根據鉆探揭露，本項目場地地基土自上而下由第四系人工填土（Q4ml）（填砂①1、索填土13）、第四系海積層（Q4m）（淤泥②1、粗砂②2、粉質黏土②3、中砂②4、粉質黏土②5）、（殘積砂質黏性土④）及燕山早期侵入巖風化巖層（r52（3）c)）（全風化花閔巖⑤）等組成。根據區域規劃，在道路外側護岸工程先行填砂造地至2.5m 高程，后由濱海公園道路工程對本項目進行地基處理。本工程地基處理方案為：淤泥灘和海域回填區采用雙向水泥土攪拌樁處理；現狀填砂區采用沉管碎石樁；與第二東通道高架交叉區域范圍采用高壓旋噴樁。

2.2 軟土路基加固高壓旋噴樁施工要點控制

根據高壓旋噴樁復合地基、單樁豎向承載力特征值和塑性區分布特征，高壓旋噴樁在沿海軟土路基的應用中應控制好褥墊層的厚度、地層的含水量、水泥的摻量、噴漿的壓力、潮汐的影響等施工要點。

2.2.1 褥墊層厚度控制

褥墊層是保證樁和樁間土一起承擔上部荷載，使其所受荷載的比例更加合理。褥墊層厚度在100～300 mm，樁對結構底部的應力明顯減小，超過300mm后，可以視為天然地基。通過褥墊層厚度變化可以調整樁與土層的荷載比例，消除地基不均勻變形，使其變形基本穩定。褥墊層施工質量（厚度、壓實度、級配等）若不能滿足設計及規范要求，甚至未設置褥墊層，則容易引起地基不均勻沉降，出現病害?，F狀淤泥灘和海域回填區地基承載力低，觸變性大、含水量高、變形模量小等特點，結合塑性區褥墊層分布范圍，該項目的褥墊層厚度取500mm，其級配、密實度也需重點控制。

2.2.2 地層含水量控制

海域回填區段的地層通水率大，靜水壓力大，淤泥含水量大，甚至超過液限，這是沿海軟土地基的顯著特點。高壓旋噴樁施工過程中主要采用水泥漿作為增強體材料，因地層含水量大，為了保證樁身強度和加固深度，很多施工人員采用加大水泥用量、減小水膠比來克服含水量的影響，造成成本增加、污染環境、施工技術難度增大；同時，含水量大，凝固時還會引起樁周圍的收縮。對此，筆者提出了先預壓固結排水和先做護岸工程（墻體用黏土袋并鋪防水土工布）來防水防潮汛，施工完后在樁頂周圍及時做好防排水措施，在水泥漿中摻入速凝劑，提高增強體的耐久性，減少水泥用量，選用具有一定潛在活性或者火山灰活性的礦物摻和料，改善高壓旋噴樁的施工工藝，既減小資源浪費、節約成本，降低施工技術難度，又保證地基承載力更加穩定和工后沉降符合要求。

2.2.3 水泥摻量的控制

高壓旋噴樁的增強膠凝材料主要為水泥，摻和粉煤灰、磨細礦渣粉、偏高嶺土粉等其他活性材料來減少水泥用量。膠凝材料的用量利用噴量法和體積法分別計算。

噴量法：

體積法：

式中:Q——高壓旋噴樁施工的實際漿量；

β——旋噴樁施工中漿量的損失系數，約在0.1～0.2；

V——鉆桿提升的速度，m/min；

H——處理的長度，m；

Qq——單位噴漿量，m3/m；

De——增強體的直徑，m；

Do——施工中漿管的直徑，m；

K1——水泥漿液的填充率，約在0.75～0.9；

h1——旋噴的長度，m；

K2——旋噴時土的填充率，約在0.5～0.75之間；

h2——未旋噴的長度，m。

通過計算噴漿的實際用量，取兩者大值作為施工的數量，再用水灰比和用漿量就可以得出膠凝材料的用量。降低水泥用量常見的措施就是在符合規范要求的情況下，盡量采用活性材料如粉煤灰等替代水泥用量，同時摻入速凝劑。

2.2.4 噴漿壓力的控制

噴漿壓力大，擴散的距離大，有利于提高整體強度。但當壓力超過受注土層的自重和強度時，土層破壞；施工時壓力太小影響加固質量。因此，對于深厚軟基處理通常采用增大噴漿壓力來保證成樁質量和控制土體變形，但是容易出現土層破壞跑漿現象，對漿泵的機械性能要求更高。施工中采取逐步升壓的辦法，繪制壓力與漿量的關系曲線圖，當壓力提高到某一數值時，注漿量突然增大時表明土層破壞或空隙增大，把此時對應的壓力值作為確定容許注漿壓力的最大值。對于淤泥灘和海域回填區軟土層較厚，僅憑增大噴漿壓力，容易跑漿使得地基處理后還會產生較大變形，因此應結合塑性區分布特點，改善褥墊層的級配以保證樁頂的刺入和增加厚度來增大置換率，保證噴漿壓力在較小時進行，實際應用中獲得一定的效果。

2.2.5 潮汐的影響控制

針對潮汐的影響，主要用固結排水、施做外側護岸、漿中摻入速凝劑、提高增強體的耐久性等措施來防止潮汐對復合地基的影響。

2.3 實時監控

本工程采用專業監測儀在線實時監控云平臺，平臺采用無線發射模塊和先進的通訊模塊，通過無線發射模塊將所采集的數據發送，以GPRS通信技術實時傳輸給終端監控平臺（電腦、手機），實時記錄、貯存、查詢、數據分析等功能，方便各參建方動態跟蹤檢查監督，并對施工過程進行評價與分析。

3 結束語

綜上所述，高壓旋噴樁加固軟土地基是一項要求施工經驗豐富和專業技術很強的工作，在不同的地層、場地等加固效果和影響因素相差甚遠。因此，在沿海灘涂軟土地基加固的設計與施工過程中，應特別重視褥墊層、地基土的含水量、水泥摻量、噴漿壓力和潮汐的影響；利用在線實時監控云平臺對施工過程動態監控，方便各參建方對施工過程的檢查與監督。