高压旋喷桩在沿海软基加固中的应用
时间：2023-02-25 20:15:07 来源：千叶帆 本文已影响人
赖鹏燕
（福建博业建设集团有限公司，福建 厦门 361000）
在淤泥、粉质黏土、残积砂质黏性土等软土上部覆盖着吹填砂层、素填土层，在此地基上修筑道路时，容易产生路基失稳或沉降量过大等问题。软土路基处理方法有十几种，要根据软土的工程特性和拟建工程的需要从中选择几种处理方法结合使用，使地基承载力和变形满足结构要求。目前，在软土地基加固处理、深基坑、高边坡和堵水帷幕等工程中应用较多的是高压旋喷桩技术，但该技术在沿海滩涂区、吹填造地区应用较少。笔者结合工程实例，浅析高压旋喷桩技术在厦门沿海滩涂区、吹填造地区的应用要点。
1.1 高压旋喷桩加固原理
所谓高压旋喷桩技术，即是利用高压泵喷嘴中喷射出的高压浆液，其压力大（20～40MPa）、能量大、速度快，当它不间断和不离散地喷射在土体上，土粒在喷射流束的冲击力、离心力和重力等综合作用下，通过冲击、切割使土体破碎、裂隙张开和形成空洞，并以水泥基质浆液填充、掺混拌合，形成圆形柱状或板墙状的凝结体，以改善水在地层中的渗透或地基承载力的施工技术。高压旋喷桩复合地基主要是由桩、桩间土及褥垫层构成，柔性的褥垫层及设置在褥垫层的土工格栅将上部结构传来的垂直或水平拉伸应力通过适当的变形缓冲后，再分散给各个增强体及周围挤密土层，形成了一个整体上能满足上部结构的地基承载力和变形要求。在竖向增强体与天然地基土体承载的荷载大小一定的情况下，通过改变褥垫层厚度，调整桩和桩间土所受的垂直荷载比例，褥垫层越厚，桩承担的荷载越小，能充分发挥地基土层的承载力，降低工程造价。
1.2 高压旋喷桩力学特性
1.2.1 高压旋喷桩力学特征值的计算
复合地基承载力特征值在《建筑地基处理技术规范》中给出，初步设计时，对有黏结强度增强体复合地基，按下式计算其承载力特征值fspk：
式中：λ——单桩承载力发挥系数，可按地区经验取值,一般取1；
m——面积置换率，m2，m＝d/de，d为桩身平均直径，m；
de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m；
等边三角形布桩de＝1.05s，正方形布桩de＝1.13s，矩形布桩分别为桩间距、纵向桩间距和横向桩间距；
AP——桩的截面积，m2；
β——桩间承载力发挥系数，可按地区经验取值，可取0.4～0.8；
fsk——处理后桩间土承载力特征值，kPa，可按地区经验确定；
Ra——单桩竖向承载力特征值，kN；
Ra通过公式（2）计算，取其计算结果的小值。
式中：UP——桩的周长，m；
qsi——桩周土的侧阻力特征值，kPa，可按地区经验确定；
lpi——加固土层的厚度，m；
αp——桩端端阻力发挥系数，应按地区经验确定，可取0.4～0.6；
qp——桩端端阻力特征值，kPa，可按地区经验确定；
对于水泥搅拌桩、高压旋喷桩应取未经修正的桩端地基土承载力特征值。
高压旋喷桩复合地基增强体桩身强度应满足公式（3）的要求：
复合地基变形计算深度应大于复合土层的深度，复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的模量等于该层天然地基压缩模量的ξ倍，ξ值可按公式（4）确定：
式中：fak——基础底面下天然地基承载力特征值，kPa；
fspk——复合地基承载力特征值，kPa。
1.2.2 高压旋喷桩力学特征值的影响因素
复合地基的承载力特征值由天然地基承载力和单根桩承载力组合而成，应满足上部结构稳定要求，单根桩的容许承载力主要由桩侧极限摩阻力和桩尖的极限承载力组成。其主要影响因素有以下几方面：
（1）桩的有效长度、桩底截面、桩布置密度和桩的布置形状；
（2）天然地基的承载力、桩对桩周围土的约束力、土层含水量的大小；
（3）土的压缩模量，土体的固结和土粒间的黏聚力、摩擦阻力以及联锁作用；
（4）垂直增强的抗压强度（胶凝材料用量、养护时间、搅拌的均匀性）；
（5）褥垫层厚度、级配，施工时是否对桩与桩之间土体产生扰动影响其挤密。
1.3 沿海潮汐对高压旋喷桩加固地基的破坏模式
沿海滩涂区域高压旋喷桩复合地基的破坏主要在于海洋潮汐对水泥浆增强体的影响。化学作用表现为：潮汐将水泥浆增强体从外到内逐渐溶解，侵蚀性物质与水泥浆增强体发生离子交换反应。物理作用表现为：风浪、冰凌、风沙、漂浮物冲刷撞击造成的磨损，以及在潮汐作用下水位忽高忽低产生结晶胀缩。这些对增强体的破坏是通过加固区域塑性区的分布特征加以体现，塑性区是当交通荷载超过一定数值时，复合地基结构产生了不可恢复的非弹性变形，一旦非弹性变形进一步扩展、贯通即会出现不稳定的塑性区域。经增强体加固后，复合地基及路基在荷载作用下的塑性区分布主要在褥垫层、高压旋喷桩复合地基上部，破坏形式主要表现为整体滑动或者其局部剪坏区发展，导致过大的甚至不均匀的地基变形从而直至加固体系失效。
2.1 工程概况
工程案例位于厦门市翔安区新店镇刘五店片区，起于翔安南路，南北走向，终于翔安隧道，道路长度为3122.998m，以交通功能为主，为连接翔安南路与翔安隧道主要分区的主干路。断面组成：6m 人行道+3m 非机动车道+3m 绿化带+11m 车行道+6m 中间绿化带+11m车行道=40m，设计速度60km/h，改性沥青混凝土路面设计基准期为15a。本项目途经沿海滩涂区、海域、吹填造地区和村庄，但大部分路段位于滩涂及海域区，其地层岩性：根据钻探揭露，本项目场地地基土自上而下由第四系人工填土（Q4ml）（填砂①1、索填土13）、第四系海积层（Q4m）（淤泥②1、粗砂②2、粉质黏土②3、中砂②4、粉质黏土②5）、（残积砂质黏性土④）及燕山早期侵入岩风化岩层（r52（3）c)）（全风化花闵岩⑤）等组成。根据区域规划，在道路外侧护岸工程先行填砂造地至2.5m 高程，后由滨海公园道路工程对本项目进行地基处理。本工程地基处理方案为：淤泥滩和海域回填区采用双向水泥土搅拌桩处理；
现状填砂区采用沉管碎石桩；
与第二东通道高架交叉区域范围采用高压旋喷桩。
2.2 软土路基加固高压旋喷桩施工要点控制
根据高压旋喷桩复合地基、单桩竖向承载力特征值和塑性区分布特征，高压旋喷桩在沿海软土路基的应用中应控制好褥垫层的厚度、地层的含水量、水泥的掺量、喷浆的压力、潮汐的影响等施工要点。
2.2.1 褥垫层厚度控制
褥垫层是保证桩和桩间土一起承担上部荷载，使其所受荷载的比例更加合理。褥垫层厚度在100～300 mm，桩对结构底部的应力明显减小，超过300mm后，可以视为天然地基。通过褥垫层厚度变化可以调整桩与土层的荷载比例，消除地基不均匀变形，使其变形基本稳定。褥垫层施工质量（厚度、压实度、级配等）若不能满足设计及规范要求，甚至未设置褥垫层，则容易引起地基不均匀沉降，出现病害。现状淤泥滩和海域回填区地基承载力低，触变性大、含水量高、变形模量小等特点，结合塑性区褥垫层分布范围，该项目的褥垫层厚度取500mm，其级配、密实度也需重点控制。
2.2.2 地层含水量控制
海域回填区段的地层通水率大，静水压力大，淤泥含水量大，甚至超过液限，这是沿海软土地基的显著特点。高压旋喷桩施工过程中主要采用水泥浆作为增强体材料，因地层含水量大，为了保证桩身强度和加固深度，很多施工人员采用加大水泥用量、减小水胶比来克服含水量的影响，造成成本增加、污染环境、施工技术难度增大；
同时，含水量大，凝固时还会引起桩周围的收缩。对此，笔者提出了先预压固结排水和先做护岸工程（墙体用黏土袋并铺防水土工布）来防水防潮汛，施工完后在桩顶周围及时做好防排水措施，在水泥浆中掺入速凝剂，提高增强体的耐久性，减少水泥用量，选用具有一定潜在活性或者火山灰活性的矿物掺和料，改善高压旋喷桩的施工工艺，既减小资源浪费、节约成本，降低施工技术难度，又保证地基承载力更加稳定和工后沉降符合要求。
2.2.3 水泥掺量的控制
高压旋喷桩的增强胶凝材料主要为水泥，掺和粉煤灰、磨细矿渣粉、偏高岭土粉等其他活性材料来减少水泥用量。胶凝材料的用量利用喷量法和体积法分别计算。
喷量法：
体积法：
式中:Q——高压旋喷桩施工的实际浆量；
β——旋喷桩施工中浆量的损失系数，约在0.1～0.2；
V——钻杆提升的速度，m/min；
H——处理的长度，m；
Qq——单位喷浆量，m3/m；
De——增强体的直径，m；
Do——施工中浆管的直径，m；
K1——水泥浆液的填充率，约在0.75～0.9；
h1——旋喷的长度，m；
K2——旋喷时土的填充率，约在0.5～0.75之间；
h2——未旋喷的长度，m。
通过计算喷浆的实际用量，取两者大值作为施工的数量，再用水灰比和用浆量就可以得出胶凝材料的用量。降低水泥用量常见的措施就是在符合规范要求的情况下，尽量采用活性材料如粉煤灰等替代水泥用量，同时掺入速凝剂。
2.2.4 喷浆压力的控制
喷浆压力大，扩散的距离大，有利于提高整体强度。但当压力超过受注土层的自重和强度时，土层破坏；
施工时压力太小影响加固质量。因此，对于深厚软基处理通常采用增大喷浆压力来保证成桩质量和控制土体变形，但是容易出现土层破坏跑浆现象，对浆泵的机械性能要求更高。施工中采取逐步升压的办法，绘制压力与浆量的关系曲线图，当压力提高到某一数值时，注浆量突然增大时表明土层破坏或空隙增大，把此时对应的压力值作为确定容许注浆压力的最大值。对于淤泥滩和海域回填区软土层较厚，仅凭增大喷浆压力，容易跑浆使得地基处理后还会产生较大变形，因此应结合塑性区分布特点，改善褥垫层的级配以保证桩顶的刺入和增加厚度来增大置换率，保证喷浆压力在较小时进行，实际应用中获得一定的效果。
2.2.5 潮汐的影响控制
针对潮汐的影响，主要用固结排水、施做外侧护岸、浆中掺入速凝剂、提高增强体的耐久性等措施来防止潮汐对复合地基的影响。
2.3 实时监控
本工程采用专业监测仪在线实时监控云平台，平台采用无线发射模块和先进的通讯模块，通过无线发射模块将所采集的数据发送，以GPRS通信技术实时传输给终端监控平台（电脑、手机），实时记录、贮存、查询、数据分析等功能，方便各参建方动态跟踪检查监督，并对施工过程进行评价与分析。
综上所述，高压旋喷桩加固软土地基是一项要求施工经验丰富和专业技术很强的工作，在不同的地层、场地等加固效果和影响因素相差甚远。因此，在沿海滩涂软土地基加固的设计与施工过程中，应特别重视褥垫层、地基土的含水量、水泥掺量、喷浆压力和潮汐的影响；
利用在线实时监控云平台对施工过程动态监控，方便各参建方对施工过程的检查与监督。
