高壓旋噴樁在城市道路舊路改造路基加固中的應(yīng)用

唐義仁

摘要：高壓噴射注漿法是用高壓水泥漿通過(guò)鉆桿由水平方向的噴嘴噴出，形成噴射流，以此切割土體并與土拌和形成水泥土加固體的地基處理方法，我國(guó)簡(jiǎn)稱(chēng)為高壓旋噴樁。文章結(jié)合具體的工程實(shí)踐，著重介紹了高壓旋噴樁加固路基設(shè)計(jì)，闡述了旋噴樁設(shè)計(jì)參數(shù)、試樁后參數(shù)修正及施工質(zhì)量檢驗(yàn)，為同類(lèi)工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高壓旋噴樁；復(fù)合地基；地基加固；質(zhì)量檢驗(yàn)；城市道路；舊路改造 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U412 文章編號(hào)：1009-2374（2015）04-0040-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0303

1 概述

高壓噴射注漿法（Jet Grouting）是用高壓水泥漿通過(guò)鉆桿由水平方向的噴嘴噴出，形成噴射流，以此切割土體并與土拌和形成水泥土加固體的地基處理方法。我國(guó)簡(jiǎn)稱(chēng)為高壓旋噴樁。

20世紀(jì)60年代末期，日本NIT公司創(chuàng)造出這種全新的施工法——高壓噴射注漿法。它是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆至土層的預(yù)定位置后，用高壓設(shè)備使?jié){液或水以20MPa左右的高壓流從噴嘴中噴射出來(lái)，沖擊破壞土體，同時(shí)鉆桿以一定的速度漸漸向上提升，將漿液與土粒強(qiáng)制攪拌混合，漿液凝固后，在土中形成一個(gè)均勻的固結(jié)體，其地基加固和防水止?jié)B效果良好。當(dāng)時(shí)定名為CCP工法（Chemical Churning Pile or Pattern，我國(guó)現(xiàn)稱(chēng)單管法）。在1973年莫斯科舉行的第八屆國(guó)際土力學(xué)學(xué)會(huì)（ISSMFE）會(huì)議上，這一發(fā)明得到各國(guó)巖土工程專(zhuān)家的稱(chēng)贊與重視。

1972年，鐵道部科學(xué)研究院率先開(kāi)發(fā)高壓噴射注漿法。1975年，我國(guó)冶金、水電、煤炭、建工等部門(mén)和部分高等院校，也相繼進(jìn)行了試驗(yàn)和施工。至今，高壓噴射注漿法已成功應(yīng)用于已有建筑和新建工程的地基處理、深基坑地下工程的支擋和護(hù)底、構(gòu)造地下防水帷幕防止砂土液化、增大土的摩擦力和粘聚力以及防止基礎(chǔ)沖刷等方面。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已有近千項(xiàng)工程應(yīng)用了高壓噴射注漿技術(shù)。

2 旋噴樁的加固機(jī)理

高壓噴射注漿法是地基處理的方法之一，其原理是利用鉆機(jī)把帶有特制噴嘴的注漿管鉆到預(yù)定深度的土層，壓力把漿液或水從噴嘴中噴射出來(lái)，形成噴射流沖擊破壞土層。被破壞的土顆粒，較細(xì)者隨漿液或水沿鉆桿冒出地面，其余土粒在射流的沖擊力、離心力和重力等作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例和質(zhì)量大小重新排列，凝固后便在土中形成一個(gè)固結(jié)體。

第一，旋噴流對(duì)土體的破壞作用對(duì)于高壓旋噴噴射流，破壞土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最主要因素是噴射動(dòng)壓。根據(jù)動(dòng)量定律，在空氣中噴射時(shí)的破壞力為：

P=ρQvm

式中：

P——破壞力（kg·m/s2）

ρ——密度（kg/m3）

Q——流量（m3/s），Q=vm·A

mv——噴射流的平均速度（m/s）

P=ρAv2m

式中：

A——噴嘴截面積（m2）

由上式可知，破壞力對(duì)于某一種密度的液體而言，是與該射流的流量、流速的乘積成正比，而流量又為噴嘴斷面積與流速的乘積。所以在一定的噴嘴面積的條件下，為了取得更大的破壞力，需要增加平均流速，也就是需要增加旋噴壓力，一般要求高壓脈沖泵的工作壓力在20MPa以上，這樣就使射流像剛體一樣，沖擊破壞土體，使土與漿液攪拌混合，凝固成圓柱狀的固結(jié)體。旋噴時(shí)，高壓噴射流在地基中把土體切削破壞。其加固范圍就是噴射距離加上滲透部分或壓縮部分的長(zhǎng)度為半徑的圓柱體。一部分細(xì)小的土粒被噴射的漿液所置換，隨著液流被帶到地面上（俗稱(chēng)冒漿），其余的土粒與漿液攪拌混合。由于旋噴體不是等顆粒的單體結(jié)構(gòu)，固結(jié)質(zhì)量不均勻，通常是中心部分強(qiáng)度低，邊緣部分強(qiáng)度高。

第二，高壓旋噴注漿體的成樁機(jī)理由于高壓噴射流對(duì)土體的破壞作用，使土體由整體狀態(tài)變?yōu)樗缮顟B(tài)。隨著噴射流的連續(xù)沖切和移動(dòng)，土體破壞的深度和范圍不斷擴(kuò)大。旋噴時(shí)，高壓噴射流是水泥漿液，即以水泥作為硬化劑，邊旋轉(zhuǎn)邊以一定的速度緩慢提升，被切削下來(lái)的一部分細(xì)小土粒由于被漿液置換而發(fā)生升揚(yáng)置換作用，隨著液流以泥漿的形式被帶到地面。其余的土顆粒在噴射動(dòng)壓力、離心力和重力的共同作用下，在橫斷面上按質(zhì)量大小有規(guī)律地重新排列并與漿液攪拌混合形成一種新型的水泥-土網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一般小顆粒在中間部位居多，外側(cè)或邊緣部分土顆粒較大。隨著噴射流在終了區(qū)域失去了沖切力，四周的土體未被切削下來(lái)，不能與漿液發(fā)生混合攪拌，但它仍有擠壓力，對(duì)周?chē)馏w有擠密壓縮作用。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

龍眠山路是安慶市與合安高速銜接的重要道路，也是安慶城市規(guī)劃中的南北向城市主干道之一。其北起于高速公路收費(fèi)站，南至華中路，道路全長(zhǎng)6.65千米，共分A、B、C三段，紅線寬度60米，其中C段全長(zhǎng)2717.957米?，F(xiàn)狀龍眠山路C段道路為水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，原道路修建時(shí)路段多為填濱填塘上修筑而成，由于工期緊路基處理深度不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量迅速增長(zhǎng)，特別是高速公路出入大噸位車(chē)輛不斷增加，超載車(chē)輛過(guò)多、過(guò)大，導(dǎo)致道路再現(xiàn)斷板、唧泥、翻漿、錯(cuò)臺(tái)、橋面破損等病害，行車(chē)舒適性差，路面使用性能降低，通行能力下降，嚴(yán)重影響了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和道路服務(wù)水平。

3.2 現(xiàn)狀道路調(diào)查

3.2.1 路面破損率調(diào)查：現(xiàn)狀道路水泥混凝土路面多處大面積破損，機(jī)動(dòng)車(chē)道板塊嚴(yán)重破損率28.23%，中等破損率27.90%。

圖1 路面交叉、網(wǎng)狀裂縫、碎板 圖2 路面沉陷

3.2.2 地質(zhì)勘察報(bào)告：高速出入口至緯五路路段路基地質(zhì)情況：在勘察深度范圍內(nèi)，自上而下分為5層：混凝土面板、人工含礫填土（水泥穩(wěn)定層）、人工素填土、粉質(zhì)粘土和粘土。道路主要持力層為人工素填土和粉質(zhì)粘土。地下水位高，埋深為0.85～1.76m。人工素填土層厚度為1.59～4.86m，土層密實(shí)度差，孔隙比為0.56～0.93，平均值0.74，接近天然軟土孔隙比標(biāo)準(zhǔn)（0.9）；壓縮性高，壓縮模量?jī)H為4.2MPa，容許承載力低于設(shè)計(jì)要求。

緯五路至柘山路路段路基地質(zhì)情況：在勘察深度范圍內(nèi)，自上而下分為4層：碎石（水泥穩(wěn)定層）、素填土2、素填土2～1、粉質(zhì)粘土。道路主要持力層為人工素填土和粉質(zhì)粘土。地下水位較高，埋深為1.4～1.9m。素填土2層物理特性與高速出入口至緯五路路段人工素填土類(lèi)似。素填土2～1層層厚0.2～1.9m，與素填土2層相比，本層土孔隙比更高，均值為0.81；壓縮性更高，壓縮模量?jī)H為2.3MPa；容許承載力僅為60kPa，嚴(yán)重低于設(shè)計(jì)要求。

圖3 拆除舊水泥混凝土 圖4 高壓水泥旋噴樁

路面后路基 平面布置示意圖

3.3 路基設(shè)計(jì)

龍眠山路高速公路出入口連接市區(qū)重要城市主干道，且道路兩側(cè)地塊均已開(kāi)發(fā)，要求道路改造工期短，對(duì)兩側(cè)地塊影響盡量降到最低，因此常規(guī)換填等地基處理方法不適合本工程。結(jié)合地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)，充分考慮到高壓旋噴樁在處理軟土地基中的顯著作用及該工程周?chē)木唧w條件，決定該道路機(jī)動(dòng)車(chē)地基處理采用高壓旋噴樁法。

3.3.1 高壓旋噴參數(shù)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)高壓旋噴樁，樁徑Φ400～Φ500mm，樁間距為1.2m呈梅花形布置，樁長(zhǎng)4.0～6.0m，設(shè)計(jì)水灰比為0.6，設(shè)計(jì)注漿壓力選擇20MPa。

設(shè)計(jì)的提升速度為50cm/min，旋轉(zhuǎn)速度為20r/min。施工采用單管法，注漿中噴嘴直徑選用2.0～3.2mm。旋轉(zhuǎn)速度為20r/min。通過(guò)試樁來(lái)調(diào)整。

設(shè)計(jì)復(fù)合地基承載力為130kPa，土基施工結(jié)束、道路鋪基層之前必須測(cè)土路基層回彈模量，E0>30MPa。

圖5 施工現(xiàn)場(chǎng)

表1

序號(hào) 荷載

（kN） 歷時(shí)（min） 沉降（mm）

本級(jí) 累計(jì) 本級(jí) 累計(jì)

0 0 0 0 0.00 0.00

1 36 75 75 0.33 0.33

2 54 60 135 0.27 0.60

3 72 75 210 0.32 0.92

4 90 75 285 0.42 1.34

5 108 60 345 0.48 1.82

6 126 90 435 0.66 2.48

7 144 60 495 0.78 3.26

8 162 60 555 0.87 4.13

9 180 60 615 1.06 5.19

10 144 15 630 -0.48 4.71

11 108 15 645 -0.56 4.15

12 72 15 660 -0.64 3.51

13 36 15 675 -0.68 2.83

14 0 120 795 -0.68 2.15

最大沉降量：5.19mm

最大回彈量：3.04mm；回彈率：58.6%

3.3.2 試樁后得到參數(shù)。通過(guò)試樁檢測(cè)后得到參數(shù)為樁徑Φ400～Φ500mm，樁間距為1.2m，樁長(zhǎng)4.0～6.0m，設(shè)計(jì)水灰比調(diào)整到0.5，注漿壓力為20MPa，提升速度為50cm/min，旋轉(zhuǎn)速度為20r/min。施工采用單管法，注漿中噴嘴直徑選用2.8mm雙噴嘴。

3.3.3 單樁豎向靜載試驗(yàn)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007-2002》《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范JGJ106-2003》的有關(guān)規(guī)定，進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)。

圖6 Q-s曲線圖 圖7 s-lgt曲線圖 圖8 s-lgQ曲線圖

試驗(yàn)樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)可以看出，加荷至180kN時(shí)，累計(jì)沉降量為5.19mm，Q-s曲線呈緩變型，s-lgt曲線各級(jí)載荷所對(duì)應(yīng)的曲線均較為平坦。根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范JGJ106-2003》4.4.2，取該單樁豎向抗壓極限承載力為180kN。

3.3.4 復(fù)合地基承載力檢測(cè)。本次試驗(yàn)根據(jù)中華人民共和國(guó)建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范JGJ79-2002》附錄A.復(fù)合地基載荷試驗(yàn)要點(diǎn)中的有關(guān)規(guī)定，共進(jìn)行了三個(gè)點(diǎn)的單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。

表2

序號(hào) 荷載

（kN） 歷時(shí)（min） 沉降（mm）

本級(jí) 累計(jì) 本級(jí) 累計(jì)

0 0 0 0 0.00 0.00

1 82 90 90 0.95 0.95

2 123 90 180 0.56 1.51

3 164 90 270 0.72 2.23

4 205 90 360 0.83 3.06

5 246 90 450 0.92 3.98

6 287 90 540 1.10 5.08

7 328 150 690 1.20 6.28

8 246 30 720 -0.81 5.47

9 164 30 750 -0.87 4.60

10 82 30 780 -1.20 3.40

11 0 180 960 -1.45 1.95

最大沉降量：6.28mm；最大回彈量：4.33mm

回彈率：68.9%；壓板面積：1.26m2

圖9 Q-s曲線圖 圖10 s-lgt曲線圖 圖11 s-lgQ曲線圖

單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)可以看出加荷至328kN時(shí)，累計(jì)沉降量為6.28mm，地基沉降量較小，P-S曲線為緩變形，從S-lgt曲線看各級(jí)載荷所對(duì)應(yīng)的曲線較平坦，未見(jiàn)下彎。以上情況說(shuō)明該載荷板試驗(yàn)未進(jìn)入極限狀態(tài)，承載能力尚有一定余量。取所對(duì)應(yīng)荷載值的1/2為單樁復(fù)合地基承載力fak=328/2/1.26=130kPa。滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.5 土路基頂面彎沉值檢測(cè)。設(shè)計(jì)回彈模量值換算成彎沉值實(shí)測(cè)<258.8×10-2mm。復(fù)合地基彎沉值檢測(cè)平均值為177.50×10-2mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 高壓旋噴樁施工完成

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)高壓旋噴樁樁長(zhǎng)L=4.0m，穿透較軟弱的人工填圭層，進(jìn)入持力層粉質(zhì)黏土層約1m；樁徑Φ=0.4m，采用單管攪拌樁；樁間距1.2m；置換率：10.6%。采用此方案對(duì)孔隙率較高的人工填土地基進(jìn)行了處理。旋噴樁處理軟基工程，工期短，地基加固效果良好，地基承載力、單樁豎向承載力和復(fù)合地基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，地基穩(wěn)定性較好。

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）