沖積地層環境中的樁基加固施工技術

毛豹

（中國港灣工程有限責任公司，北京 100027）

1 引言

隨著城市化進程的加速，基礎設施建設不斷推進，土地資源的充分利用變得尤為重要。沖積地層的承載力相對較低，無法滿足大型建筑物的需求[1]。通過樁基加固，可以在較小的區域內提高地基的承載力，適應更大的建筑荷載，滿足大型建筑物的建設要求[2]。沖積地層在地震等外力作用下容易發生液化現象，導致建筑物地基失去支撐力，從而引發建筑物沉降或傾斜。這種情況下進行樁基加固可以提高地基的抗液化能力、穩定性和抗震性能。在沖積地層中進行樁基加固時，可以在地基上直接施工，無須進行大量的土方開挖和土方填筑，節省時間和成本[3]。然而，沖積地層中的土壤松散，在進行施工時可能會遇到土壤坍塌、失穩等問題，增加了施工的難度和風險。若進行樁基加固施工，需要進行振動等作業，可能會對周圍環境和建筑物產生影響，需要考慮振動對周圍結構和環境的影響。而且在沖積地層中地下水位變化幅度大，可能導致施工現場的涌水問題，影響施工的穩定性和安全性。目前存在將樁基施工分段進行的施工方法，有利于適應復雜地層的變化，提高施工精度。采用擾動射流系統可以清除施工過程中地層中的松散顆粒，為施工創造良好條件，分段施工和擾動-注漿可以根據地層情況進行調整，具有較強的適應性。在這樣的背景下，研究提出擾動-注漿一體化樁基加固施工技術，對施工設備和流程進行改良，以期為沖積地層環境中的樁基加固施工提供可行的技術參考。

2 擾動-注漿一體化樁基加固施工技術設計

沖積地層廣泛分布在河流流域、沿海沿湖地區、高原地區，地層的地質情況多變。在進行橋梁樁基修建時，沖積地層中的不同密度沖積物質會導致樁基承載力分布不均勻，地層的孔隙水壓力變化會影響樁基穩定性，沖積地層中的顆粒間摩擦力可能影響樁基的側向穩定性。進行樁基加固能夠在沖積地層中提高橋梁樁基的穩定性。目前常用的灌注樁后注漿施工方式無法在沒有預埋注漿管的既有樁基上開展，且漿液流向難以控制，導致漿液的有效利用性降低。為了提升漿液的有效利用性，研究提出擾動-注漿一體化的樁基加固施工技術。在鉆孔所使用鉆機上增加鉆頭和封孔器改造成優化鉆機，實現鉆孔和注漿過程的同時進行，引入擾動射流系統工法進行施工。施工的完整步驟設計如圖1 所示。

圖1 樁基加固施工步驟

由圖1 可知，在施工時首先需要對施工現場環境和地質條件進行評估，對施工方案進行設計，之后開始進行施工。施工時，首先使用優化鉆機進行鉆孔，在既有樁基周圍等距離位置進行自鉆旋轉沖擊土體，形成指定深度的成孔。鉆孔的深度由加固深度和樁長確定。在鉆孔深度達到方案指定深度后，對樁基加固進行分段施工。在鉆孔底部的位置向上一邊提升一邊旋轉將鉆桿位置提高，使用噴嘴噴射高壓水對周圍土體進行切割，高壓水的噴射流動壓破壞土體結構強度，使土塊和土顆粒從土體中分離。部分土塊和土顆粒與水混合，形成土水混合體。水土混合體孔隙較大、強度較低，使用振動錘逐漸將樁壓入地下，形成擾動區，作為施工的擾動區域。擾動過程中控制振動錘的頻率和振幅，以避免過度振動引起地層破壞。完成擾動后，將注漿管向下移動到擾動區域的底部位置，使用噴嘴噴出高壓水泥漿。水泥漿與擾動后的水土混合體在擾動區域內進行混合，混合體中的壓力差導致漿液和土粒進行移動，形成新的混合體。在高壓注漿達到鉆孔底部位置時，停止注漿管的移動，噴頭管道保持注漿。在漿液未流出地面時，噴嘴進行水泥漿的低壓靜注，將擾動區域進行填充和壓密，并滲透區域外近距離的土體。若漿液流出地面，則開啟封孔器進行注水封孔，并膨脹擠壓周圍的土體，阻止混合漿液在孔頂部流出。完成注漿壓漿后等待混合體凝固，形成固結體，即完成一段加固。之后對是否完成全段加固進行判斷，若未完成，則從擾動流程再次進行新一段的加固。在擴建工程中進行加固時，存在既有樁基，既有樁基在施工過程中僅承受自重的載荷。施工時分段由下到上進行施工，減小樁基施工時的沉降量。

在實際施工時，若靜注漿壓力和注漿量已滿足設計要求，則可停止注漿；但若注漿量達到設計值后，靜注漿壓力不足，則需進行間歇注漿，注入體積為方案中水泥漿設計值的30%～50%；在靜注漿壓力已經達到設計值并且保持10 min不變后，若此時注漿量低于方案設計值，則只需將注漿量補充到方案設計值的80%以上。施工時需要對振動頻率、振幅和沉降情況進行實時監測，確保現場安全，進行注漿時需要監測注漿流量和注漿壓力，確保注漿均勻。擾動-注漿一體化過程中土體遭受到脈沖形式的高壓水射流動壓沖擊，射流邊界存在紊流對土體產生吸卷作用，使土體擾動均勻性得到提升。在擾動和動注漿過程中，孔口會存在部分細土顆粒的排出，再由水泥漿液對原位空間進行置換充填，提升樁周土體的強度。加固體的直徑是注漿加固方案設計時必須考慮的參數。研究對單孔加固直徑計算方式進行構建，以鉆桿直徑作為固定參數，將極限切削距離與折減系數積的兩倍與鉆桿直徑相加，得到單孔加固直徑。計算過程中的極限切削距離由高壓水射流噴嘴的出口速度、噴嘴直徑、高壓水噴射流量、噴嘴個數、標準大氣壓、特征速度、土體抵抗力、土體不排水抗剪強度、有效摩擦角進行綜合分析得到。

3 擾動-注漿一體化樁基加固施工技術的有效性

為了對研究提出的樁基加固施工技術的有效性進行分析，對不同注漿深度的樁基進行加固數值模擬測試，得到不同注漿深度的樁基荷載-沉降曲線，如圖2 所示。

圖2 樁基荷載-沉降曲線

由圖2 可見，不同注漿深度的樁基在荷載較小時的沉降高度沒有明顯差別，隨著荷載升高，沉降高度差值越來越大。在未注漿樁基中，在荷載達到2 000 kN 時沉降量開始明顯升高，約達19 mm；在荷載達到5 000 kN 時沉降量約達329 mm。在2～5 m 注漿樁基中，在荷載達到3 000 kN 時沉降量開始明顯升高，達到約31 mm；在荷載達到5 000 kN 時沉降量達到約299 mm。在2～8 m 注漿樁基中，在荷載達到3 000 kN 時沉降量開始明顯升高，達到約29 mm；在荷載達到5 000 kN 時沉降量達到約234 mm。在2～11 m 注漿樁基中，在荷載達到3 500 kN時沉降量開始明顯升高，達到約34 mm；在荷載達到5 000 kN時沉降量達到約92 mm。在2～14 m 注漿樁基中，在荷載達到4 000 kN 時沉降量開始明顯升高，達到約32 mm；在荷載達到5 000 kN 時沉降量達到約73 mm。在2～16 m 注漿樁基中，在荷載達到1 000 kN 時的沉降量約4 mm；在荷載達到2 000 kN時的沉降量為約11 mm；在荷載達到3 500 kN 時的沉降量為約29 mm；在荷載達到4 000 kN 時的沉降量為約31 mm；在荷載達到5 000 kN 時的沉降量為約46 mm。從圖2 中可以看出，注漿深度越高，樁基所產生的沉降量越小，沉降量隨荷載增大的升高速度越慢。根據JTG/T 3512—2020《公路工程基樁檢測技術規程》進行計算，可以確定不注漿樁基的極限承載力為2 787.5 kN；2～5 m 注漿樁基的極限承載力為3 190.24 kN；2～8 m 注漿樁基的極限承載力為3 459.12 kN；2～11 m 注漿樁基的極限承載力為4 037.20 kN；2～14 m 注漿樁基的極限承載力4 362.20 kN；2～16 m 注漿樁基的極限承載力4 569.50 kN。說明研究方法能夠有效提升樁基的承載力。使用有限元分析軟件對不同加固體厚度的樁基豎向應力云圖進行生成，如圖3 所示。

圖3 樁基豎向應力云圖

由圖3 可見，在加固體厚度為60 cm 的樁基中，樁基豎向應力在頂端短距離出現下降情況，之后逐漸上升，在接近底端位置達到最高值，在底端位置再次出現小幅度下降。在加固體厚度為80 cm 的樁基中，樁基豎向應力在頂端短距離出現下降情況，之后逐漸上升，在接近底端位置達到最高值，在底端位置再次出現小幅度下降，整個過程中的應力相較加固體厚度為60 cm 的樁基略高。在加固體厚度為100 cm 和120 cm的樁基中的樁基豎向應力情況接近，在頂端達到最低值，之后隨著深度增加，樁基豎向應力上升，在接近底端位置達到最高值，在底端位置再次出現小幅度下降。經過計算分析得到，加固體厚度為60 cm 的樁基承載力提升幅度達到72.26%；加固體厚度為80 cm 的樁基承載力提升幅度達到90.90%；加固體厚度為100 cm 的樁基承載力提升幅度達到113.40%；加固體厚度為120 cm 的樁基承載力提升幅度達到115.70%。說明研究方法能夠有效對沖積地層環境中的樁基進行加固。

4 結語

沖積地層環境中樁基的穩定性決定了施工安全和工程質量。研究通過將樁基加固施工過程進行重新設計，提出了一種沖積地層環境中的樁基加固施工技術。過程中在鉆機上增加鉆頭和封孔器，引入擾動射流系統工法進行施工，將樁基施工中的擾動和注漿進行一體化設計，最后對研究方法進行了數值模擬測試。在實驗結果中，研究方法在不同注漿深度的樁基荷載-沉降測試中，2～14 m 注漿樁基在荷載達到4 000 kN 時沉降高度開始明顯升高，達到約32 mm；在極限承載力計算結果中，2～16 m 注漿樁基的極限承載力為4 569.50 kN；在樁基豎向應力云圖測試中，樁基在接近底端位置達到應力最高值。說明研究方法能夠有效提升樁基的承載力，對樁基進行加固，且工序的重新設計減少了施工煩瑣度。但研究方法僅進行了數值模擬分析，后續將進行實際應用分析，以豐富實驗結果并對方法進行優化。