高壓旋噴樁加固高靈敏軟土地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

潘華林，錢和平*，蔡澤恩，蘭 燕，郭軒愷，洪 義

（1. 浙江省能源集團(tuán)有限公司，浙江 杭州310007；2. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 引 言

我國軟弱土基礎(chǔ)面積廣闊，隨著近海一帶的陸續(xù)開發(fā)，許多工程面臨著軟土基礎(chǔ)沉降和承載力不足等難題。高壓旋噴注漿法是目前常用于沿海灘涂的一種地基加固處理方法，以其施工占地少、震動(dòng)小、噪音較低等優(yōu)點(diǎn)，特別是在地層適應(yīng)性方面及防滲加固方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，在場(chǎng)地條件有限、承載力要求較高的情況下得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

浙能六橫電廠位于舟山南部六橫島的東北部，瀕臨東海，場(chǎng)地主要由灘涂回填而成（見圖1）。廠區(qū)內(nèi)擬建2根取水隧道和2根排水隧道，采用盾構(gòu)法施工。由于該處軟土地基具有含水量高、壓縮性大、滲透性差、強(qiáng)度低、靈敏度高（高達(dá)7.0）等不良工程性質(zhì)，考慮采用高壓旋噴樁對(duì)隧道下部土體進(jìn)行加固。為了確保電廠工程的順利實(shí)施，解決高壓旋噴樁處理高靈敏軟土地基可能存在的問題，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定高壓旋噴樁加固體的強(qiáng)度和范圍，確定復(fù)合地基承載力和單樁豎向承載力等[3]。

圖1 六橫電廠項(xiàng)目位置示意圖Fig. 1 Position of Liuheng power plant

針對(duì)高壓旋噴樁的受力特性，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值分析。李曉鄂等[4]通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)，研究了水泥含量和土質(zhì)對(duì)高壓旋噴樁成樁強(qiáng)度的影響。宋興海等[5]介紹了旋噴樁復(fù)合地基承載力的確定方法，通過對(duì)比分析靜載試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值，提出了承載力計(jì)算公式中幾個(gè)重要參數(shù)的合理取值。賈劍青等[6]通過理論計(jì)算和數(shù)值分析,研究了高壓旋噴樁復(fù)合地基的承載力。Croce等[7]利用室內(nèi)樁體試驗(yàn)，對(duì)旋噴樁樁體變形模量與壓縮強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了研究。但關(guān)于高壓旋噴技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究較少，高壓旋噴注漿法在高靈敏軟土地基的應(yīng)用方面，現(xiàn)有理論仍有欠缺。

六橫電廠場(chǎng)地為高靈敏軟弱土基礎(chǔ)，項(xiàng)目工期緊，盾構(gòu)隧道施工要求高。本文針對(duì)此工程實(shí)例，結(jié)合單樁豎向載荷試驗(yàn)、復(fù)合地基載荷試驗(yàn)、取芯試驗(yàn)、樁頂土方開挖試驗(yàn)等原位試驗(yàn)，分析了高壓旋噴樁處理后高靈敏軟土的承載特性與強(qiáng)度。研究結(jié)果為高壓旋噴技術(shù)在類似軟土地基中的應(yīng)用提供了參考。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

場(chǎng)地地形較平坦，地勢(shì)由西向東微傾，地面標(biāo)高約?1.2～0.5 m。試驗(yàn)場(chǎng)地的具體土層構(gòu)成如表1所示，盾構(gòu)隧道施工段處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了十字板剪切試驗(yàn)，剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

表1 主要土層構(gòu)成Table 1 Composition of main soil layers

圖2 十字板剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果圖Fig. 2 Diagram of shear strength test results of cross plate

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工程，高壓旋噴樁按梅花形布置，樁體有效直徑為1.0 m，間距為1.8 m，樁頂距離隧道底部有一層2.0 m左右的過渡層。為模擬實(shí)際工程，本次試驗(yàn)布置了 59根高壓旋噴樁（從左至右依次編號(hào)為1～59號(hào)），施工噴漿轉(zhuǎn)速為13 r/min，噴漿壓力為27 MPa，提升速度為15 cm/min，水泥摻量為35%，水灰比1∶1，樁長為21.7 m，停漿面控制高度?3.5～?4.5 m，樁端進(jìn)入④層粉質(zhì)黏土 1.5～2.0 m。選擇9根樁組成3組試樁（每組布置3根樁），分別進(jìn)行單樁靜載試驗(yàn)（M1、M2、M3樁）、單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)（S1、S2、S3樁）、鉆孔取芯試驗(yàn)（U1、U2、U3樁）。試驗(yàn)樁平面分布見圖3。單樁靜載荷試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，設(shè)計(jì)要求最大試驗(yàn)荷載為250 kN，每級(jí)加載量（取預(yù)估極限荷載的1/10）為25 kN，第一級(jí)加載值為分級(jí)加載值的2倍，每級(jí)卸載值為加載值的2倍[8-9]；單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的承壓板采用方形板，設(shè)計(jì)要求最大試驗(yàn)荷載為210 kPa，根據(jù)承壓板面積1.62 m2計(jì)算得分級(jí)加載值為34 kN，第一級(jí)加載值為分級(jí)加載值的2倍，每級(jí)卸載值為加載值的2倍[10]；對(duì)于土方開挖和鉆孔取芯試驗(yàn)，在旋噴樁施工時(shí)，場(chǎng)地標(biāo)高2.2 m處分別采用?3.0、?3.3、?3.5、?4.0、?4.5 m等5種停漿面，對(duì)此區(qū)域高壓旋噴樁進(jìn)行開挖，檢驗(yàn)樁頂?shù)拿皾{情況以及承載力，取芯試驗(yàn)則在滿足試驗(yàn)要求的情況下采用常規(guī)取芯法。

圖3 試驗(yàn)樁平面分布圖Fig. 3 Plan distribution diagram of the test piles

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 旋噴樁單樁豎向靜載荷試驗(yàn)

采用慢速維持荷載法對(duì)試驗(yàn)區(qū) 3根樁（M1，M2，M3）進(jìn)行靜載試驗(yàn)，得到荷載（Q）與沉降（s）數(shù)據(jù)，畫出Q-s和s-logt曲線如圖4至圖7所示。

圖4 M1、M2、M3樁荷載-沉降曲線Fig. 4 Curves of load and settlement of M1, M2 and M3 piles

圖5 M1樁沉降-時(shí)間曲線Fig. 5 Curves of settlement of M1 pile with time

圖6 M2樁沉降-時(shí)間曲線Fig. 6 Curves of settlement of M2 pile with time

圖7 M3樁沉降-時(shí)間曲線Fig. 7 Curves of settlement of M3 pile with time

從圖4～7可以看出：

（1）M1樁按規(guī)定荷載級(jí)別加載到第一級(jí)荷載50 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為3.25 mm；加到第四級(jí)荷載125 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為10.82 mm；繼續(xù)加載到第九級(jí)荷載（設(shè)計(jì)荷載）250 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為 31.62 mm。達(dá)到設(shè)計(jì)荷載后停止加載。卸載后測(cè)得樁頂回彈量為5.16 mm，樁頂殘余沉降量為26.46 mm。

（2）M2樁按規(guī)定荷載級(jí)別加載到第一級(jí)荷載50 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為3.35 mm；加到第四級(jí)荷載125 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為11.36 mm；繼續(xù)加載到第九級(jí)荷載（設(shè)計(jì)荷載）250 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為 31.90 mm。達(dá)到設(shè)計(jì)荷載后停止加載。卸載后測(cè)得樁頂回彈量為4.85 mm，樁頂殘余沉降量為27.05 mm。

（3）M3樁按規(guī)定荷載級(jí)別加載到第一級(jí)荷載50 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為3.41 mm；加到第四級(jí)荷載125 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為9.32 mm；繼續(xù)加載到第九級(jí)荷載（設(shè)計(jì)荷載）250 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為25.56 mm。達(dá)到設(shè)計(jì)荷載后停止加載。卸載后測(cè)得樁頂回彈量為4.81 mm，樁頂殘余沉降量為20.75 mm。

結(jié)合有關(guān)規(guī)范[8-9]，單樁極限承載力為250 kN。

2.2 旋噴樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)

根據(jù)旋噴樁直徑（1 000 mm）、間距（1 800 mm）及布置方式，確定方形承壓板面積取為1.62 m2，荷載板直徑取為1 437 mm。根據(jù)平板荷載試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，得到荷載-沉降曲線如圖8所示。

圖8 S1、S2、S3樁荷載-沉降曲線Fig. 8 Curves of load and settlement of S1, S2 and S3 piles

根據(jù)彈性力學(xué)知識(shí)，壓縮模量由以下公式確定[10]：

式中：ω=1.0（圓形承壓板）；b為承壓板邊長或直徑，取1.437 m；p1、s1分別為相對(duì)應(yīng)的比例界限及沉降值；μ為泊松比，取0.2。

試驗(yàn)樁 S1、S2、S3復(fù)合地基最大荷載加至340 kN，承壓板面積為1.62 m2，單位面積最大試驗(yàn)荷載即為 210 kPa。由p-s曲線可見，按相關(guān)的規(guī)范，S1樁承載力特征值為88 kPa，相應(yīng)S1取值為8.63 mm；S2樁承載力特征值為84 kPa，相應(yīng)S1取值為8.73 mm；試驗(yàn)點(diǎn)S3樁承載力特征值為95 kPa，相應(yīng)S1取值為8.23 mm。

經(jīng)計(jì)算得3點(diǎn)的壓縮模量如表2所示。

表2 各試驗(yàn)點(diǎn)壓縮模量Table 2 Cmpression modulus of each test point

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，復(fù)合地基壓縮模量為15.3 MPa，承載力特征值為89 kPa，未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)估值。分析其可能原因如下：

由于試驗(yàn)區(qū)試樁樁頂埋深離地表深6 m，基坑需開挖深度達(dá)到6 m，寬約10 m，深基坑維護(hù)采用灌注樁和鋼管支撐，坑內(nèi)施工和試驗(yàn)條件十分不便。試樁開挖時(shí)通過機(jī)械挖至樁頂，對(duì)樁頭可能造成了一定損傷，導(dǎo)致旋噴樁單樁載荷、復(fù)合地基載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)估值相差較大。盾構(gòu)穿堤施工時(shí)，不存在開挖等情況，而且預(yù)留有2 m過渡層，施工對(duì)旋噴樁的影響小，因此實(shí)際承載力按設(shè)計(jì)預(yù)估值取值。

2.3 土方開挖與鉆孔取芯試驗(yàn)

高壓旋噴樁在施工過程中，通常會(huì)有部分土顆粒隨著漿液沿注漿管管壁向上冒出[11]，冒出的漿液相對(duì)于停漿面的高度稱為冒漿高度。通過對(duì)冒漿高度的測(cè)量，可以進(jìn)一步研究高靈敏軟土地基對(duì)旋噴樁施工質(zhì)量的影響。

試驗(yàn)區(qū)高壓旋噴樁施工結(jié)束10 d后，對(duì)旋噴樁U1、U2、U3取芯檢測(cè)分析，圖9為所得土樣圖片。高程?2.40～27.50 m為水泥土混合層，呈灰白色，色澤較均勻，有氣泡。通過對(duì)高壓旋噴樁取芯分析，發(fā)現(xiàn)旋噴樁冒漿高度基本在土工布底（淤泥面層），旋噴樁樁體水泥土較均勻，強(qiáng)度較高且脆。

圖9 旋噴樁芯樣圖Fig. 9 Picture of jet grouting pile cores

對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的高壓旋噴樁進(jìn)行開挖試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樁頂已連成整體。檢驗(yàn)樁頂?shù)拿皾{情況和承載力如下：

（1）1～10號(hào)樁，原施工噴漿停止在?4.0 m、?4.5 m處，隆土冒漿不明顯，開挖至?3.0 m處，樁頂強(qiáng)度不高。

（2）17號(hào)、18號(hào)樁，噴漿停止在?1.5 m，開挖至?0.5 m有樁頭，強(qiáng)度不高，至?1.5 m處，強(qiáng)度明顯提高。

（3）其余停漿面在?3.3、?3.5 m的樁，冒漿面均在?1.5 m，有少量的水泥摻入，強(qiáng)度很低，到?2.0 m略有提高，?3.0 m樁頂處強(qiáng)度明顯增高。

根據(jù)開挖情況，旋噴樁樁頂最大冒漿高度為2.0 m，但水泥土強(qiáng)度不高，冒漿高度為0.5 m時(shí)水泥土強(qiáng)度有明顯改善?？赡艿脑蚴沁^高的注漿壓力過度擾動(dòng)高靈敏軟土地基，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)性過度喪失，并且過高的冒漿高度使得水泥土中水泥含量偏少。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)浙能六橫電廠新建盾構(gòu)隧道中利用高壓旋噴樁加固高靈敏軟土地基的工程實(shí)例，根據(jù)單樁豎向承載力、復(fù)合地基承載力、水泥土芯樣以及樁頂冒漿情況，研究了高壓旋噴樁處理后高靈敏軟土地基的承載特性與強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)承載力試驗(yàn)，單樁極限承載力為250 kN，復(fù)合地基承載力特征值為89 kPa，壓縮模量為15.3 MPa，考慮到試驗(yàn)條件客觀限制，實(shí)際承載力按設(shè)計(jì)預(yù)估值取值。

（2）從開挖和旋噴樁取芯分析可知，旋噴樁樁體水泥土總體較均勻，強(qiáng)度較高。旋噴樁冒漿高度為2.0 m，冒漿體近地表部分強(qiáng)度不高，與設(shè)計(jì)樁頂距離0.5 m處的水泥土強(qiáng)度明顯提高?？赡艿脑蚴亲{壓力過大時(shí)對(duì)高靈敏軟土造成過度擾動(dòng)，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)性過度喪失，同時(shí)冒漿高度過高使得水泥土中水泥含量偏少。

（3）利用高壓旋噴樁處理地基能有效提高高靈敏軟土地基的承載力。由于土層靈敏度較高，以及施工時(shí)難以控制冒漿量，地基承載力試驗(yàn)值低于設(shè)計(jì)值，在實(shí)際工程施工時(shí)應(yīng)考慮其影響。