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)巖土工程專家的稱贊與重視。

1972年，鐵道部科學(xué)研究院率先開發(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)周圍土體有擠密壓縮作用。

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輛不斷增加，超載車輛過(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圍的具體條件，決定該道路機(jī)動(dòng)車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）