軟土區(qū)旋噴式插筋微型樁工藝試驗研究

吳越琛， 王進明， 陸舟超

(浙江省巖土基礎(chǔ)公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

隨著公路、鐵路、碼頭、軌道交通等交通設(shè)施及大型工業(yè)民用設(shè)施的大量興建，軟土地質(zhì)條件下建筑物的沉降變形和承載力要求越來越高，建筑物地基加固成為工程界關(guān)心的重點與難點。

既有建(構(gòu))筑物地基基礎(chǔ)加固或功能區(qū)(特別是廠區(qū))改造時，通常要保證既有建(構(gòu))筑物的正常生產(chǎn)使用，所以施工安全和周邊環(huán)境的保護顯得尤為重要。施工場地周邊及上部均會有工藝管道及生產(chǎn)設(shè)備，面臨著作業(yè)空間不足、距離生產(chǎn)區(qū)近等問題。很多建設(shè)場地塘渣層回填較厚，回填料粒徑大，地下水水位高。為確保生產(chǎn)區(qū)域的安全，避免大面積開挖形成塌方，充分考慮抗壓承載力、抗拔及與上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)連接等要求，提出旋噴式插筋微型樁工藝。

微型樁一般是指樁徑<400 mm，長細(xì)比>30，采用鉆孔、強配筋和壓力注漿施工工藝的灌注樁,是20世紀(jì)50年代由意大利的Lizzi提出，并被Fondedile公司首先開發(fā)利用。1982年法國soletanch公司來華進行技術(shù)交流，介紹了微型樁技術(shù)在法國的應(yīng)用情況，引起了國內(nèi)學(xué)術(shù)界的廣泛重視。孫劍平等[1]對膨脹土地基上的建筑進行微型樁的地基加固處理，分析指出了樁長的計算公式；呂凡任等[2]做了軟土地基上微型樁抗壓和抗拔特性試驗；黃濤[3]在微型鋼管樁在某地基加固工程中肯定了微型鋼管樁的作用；方家強[4]在對某沿海軟土地區(qū)建筑物基礎(chǔ)加固時，采用微型鋼管樁控制其沉降，現(xiàn)場對3根微型鋼管樁進行了單樁豎向抗壓靜載試驗，并對加固后建筑物的沉降進行了觀測，表明微型鋼管樁有良好的抗壓強度；屈勇等[5]選擇佛山地區(qū)典型軟土地基條件，對微型樁單樁及群樁基礎(chǔ)抗壓強度進行了試驗研究，試驗結(jié)果表明所設(shè)計的微型群樁具有良好的抗壓承載力；蘇榮臻等[6]在北侖電廠進行了微型樁的單樁、群樁抗壓試驗。綜上，在軟土地區(qū)微型樁的抗壓、抗拔性能及單樁、群樁承載力均開展過一定的應(yīng)用研究，主要采用的是混凝土灌注樁及鋼管樁，根據(jù)收集資料，旋噴式插筋微型樁工藝在工程實踐中應(yīng)用較少，對于該技術(shù)的承載力、可靠性需要進行試驗論證。

1 項目簡介

1.1 場地工程地質(zhì)概況

試驗場地地形平坦開闊，地貌類型單一，屬第四系濱海沖湖積平原，場地工程地質(zhì)概況見表1。

1.2 試驗方案簡介

1.2.1 設(shè)計方案

表1 場地工程地質(zhì)概況

旋噴式插筋微型樁樁型設(shè)計如下：高壓旋噴樁設(shè)計樁長22 m，樁間距≮3 m。旋噴樁直徑600 mm，采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比0.8～1.0。插筋設(shè)計采用20號無縫鋼管，直徑108～127 mm，插筋位置為旋噴樁中心，插筋長度11 m。

1.2.2 設(shè)計試驗方案

設(shè)計試驗微型樁7根，分別開展對旋噴式插筋微型樁的插筋體抗壓靜載試驗1次、旋噴式插筋微型樁單樁軸向受壓靜載試驗1次、旋噴式插筋微型樁插筋體抗拔承載力試驗1次、旋噴式插筋微型樁插筋體水平承載力試驗1次，未插筋的高壓旋噴樁軸向受壓承載力試驗1次以及高壓旋噴樁水泥土取樣樁2根。

2 施工工藝

2.1 回填土層成孔

回填土層大多為直徑較大的塊石、碎石夾粘性土，需要鉆孔至原土層為高壓旋噴及插筋提供施工條件，且孔徑不宜小于150 mm，保證孔壁穩(wěn)定。

綜合考慮工程實際應(yīng)用中的施工條件及工藝要求，回填土層成孔選擇?175 mm氣動潛孔錘跟管鉆進工藝成孔護壁，見圖1。施工設(shè)備為小型多功能履帶式工程鉆機、移動式空壓機,見圖2。若回填土層孔壁較穩(wěn)定，則直接采用氣動潛孔錘成孔。小型履帶式工程鉆機在鉆進時需注意控制給進壓力，開孔時輕壓慢轉(zhuǎn)，鉆進時不可盲目加壓進尺導(dǎo)致鉆孔偏斜，鉆進過程中宜反復(fù)提動鉆具掃孔，防止卡鉆及孔壁周圍松動石塊或探頭石影響下一步施工。

圖1 護壁套管

圖2 施工鉆機

2.2 高壓旋噴施工

2.2.1 成樁機理

高壓噴射注漿法是在高壓水射流切割技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的施工工藝，是通過高壓發(fā)生裝置，使液流獲得巨大能量后，經(jīng)過注漿管道從一定形狀和孔徑的噴嘴中以很高的速度噴射出來，形成一股能量高度集中的液流。當(dāng)噴射流的動壓超過土體結(jié)構(gòu)強度時，土粒便從土體剝落下來，將漿液與土粒強制攪拌混合，一部分細(xì)小的土粒隨著漿液冒出地面，其余土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力等作用下，在橫截面上土粒按質(zhì)量大小有規(guī)律地排列起來，小顆粒在中間部位居多，大顆粒多在外側(cè)或邊緣部分，形成了以漿液為主體、攪拌混合和壓縮滲透等部分，經(jīng)過一定時間便凝固成強度較高、滲透系數(shù)小的固結(jié)體[7]。

2.2.2 成樁施工

鉆機更換高壓水龍頭及連接管路至高壓注漿泵，在護壁套管內(nèi)下入旋噴鉆具，高壓旋噴施工采用?65 mm雙噴嘴單管旋噴鉆具，噴嘴直徑2.0 mm，下鉆至預(yù)定孔深，將配置好的水泥漿借助高壓注漿泵進行高壓旋噴施工，水泥漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥配置，水灰比控制在0.8～1.0。高壓旋噴施工的具體施工參數(shù)：注漿壓力20～25 MPa，鉆桿提升速度20～30 cm/min，鉆桿旋轉(zhuǎn)速度20～30 r/min。為獲得較大的旋噴樁直徑以及對比水泥土強度值，在部分位置采用駐噴及復(fù)噴措施。

2.3 插筋施工

2.3.1 插筋體加工

插筋體采用?108 mm×8 mm規(guī)格的20號無縫鋼管，單根長度1.5 m，絲扣連接，為增加插筋體與旋噴樁水泥土之間的摩擦力，鋼管外繞螺旋箍筋并電焊牢固，鋼管之間連接采用方牙絲扣確保同心度和垂直度，并在?108 mm無縫鋼管絲扣連接處外側(cè)套?127 mm無縫鋼管短節(jié)并焊接牢固，底部制作十字樁尖。將每根樁的鋼管自上而下編號排序放置，在鋼管布設(shè)應(yīng)變片的位置對稱開直徑約20 mm的圓孔，作為屏蔽線穿線連接應(yīng)變片的通道。

2.3.2 插筋

高壓旋噴樁施工完成后，立即進行插筋作業(yè)。將加工好的鋼管按序號排列，鋼管間采用絲扣連接。在鋼管接頭外側(cè)焊接外接箍，接著利用加工好的壓入接頭逐根連接，靜壓下入孔內(nèi)，見圖3。

圖3 插筋

3 試驗成果

3.1 水泥土強度

成樁施工28 d后，組織GXY-200型地質(zhì)鉆機進場對2根水泥土取樣樁進行鉆心取樣，施工采用金剛石鉆頭單動巖心管鉆進，所取樣品見圖4。

分別取2根水泥土樁不同深度的樁身水泥土心樣，進行28、60、90 d齡期的抗壓強度試驗。試驗數(shù)據(jù)見表2。

3.2 靜載試驗與數(shù)據(jù)采集

按試驗設(shè)計分別進行了旋噴式插筋微型樁插筋體抗壓靜載試驗、旋噴式插筋微型樁單樁軸向受壓靜載試驗、旋噴式插筋微型樁插筋體抗拔承載力試驗、旋噴式插筋微型樁插筋體水平承載力試驗、單根

圖4 水泥土心樣

樁號編號取樣深度/m實際齡期/d試件直徑/mm試件高度/mm破壞荷載單值/kN抗壓強度/MPa單值平均值4271304.102888.590.064.010.404272306.202886.087.092.515.924273309.502888.090.5106.517.5114.614274605.306089.091.083.013.344275606.706087.089.082.513.884276609.906088.089.570.511.5912.944277905.809088.589.080.013.014278906.909088.090.0111.518.3342799010.809088.590.098.015.9315.764281303.302886.088.034.05.854282309.202886.088.049.58.5242833010.002887.089.564.010.778.384284603.406088.089.049.58.144285608.606089.091.061.09.8142866011.006087.089.560.010.099.354287903.609087.588.562.010.314288909.409088.090.072.011.8442899012.009088.588.561.510.0010.72

注：428號樁進行一次高壓旋噴施工；427號樁進行二次復(fù)噴。

高壓旋噴樁的軸向受壓承載力試驗各1次，均為破壞性試驗。試驗曲線均呈陡降型，試驗結(jié)果見表3。

通過對靜載試驗中樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集，以旋噴式插筋微型樁單樁抗壓試驗為例，可以在樁身應(yīng)變總圖(圖5)中看到，樁身主要應(yīng)力集中在樁身3～6 m范圍內(nèi)，在靜載試驗的后期，樁身應(yīng)力有一部分已傳遞到下部樁體。圖6為旋噴式插筋微型樁插筋體抗拔試驗插筋體應(yīng)變曲線圖，由于試驗過程中受周邊堆載擾動，后期應(yīng)變數(shù)據(jù)失真?？煽吹讲褰铙w受拉荷載達(dá)到175 kN時，插筋體應(yīng)變主要集中在6 m深度以上，還未傳遞至下部，按11 m插筋體長度計算抗拔力與試驗結(jié)果基本吻合。

表3 靜載試驗結(jié)果匯總

圖5 抗壓試驗樁身應(yīng)變曲線

圖6 抗拔試驗樁身應(yīng)變曲線

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗結(jié)果與理論計算

靜載試驗的結(jié)果表明，回填土區(qū)旋噴式插筋微型樁的抗壓承載力比單一旋噴樁提高了426%，在單一旋噴樁沒有抗拔力的基礎(chǔ)上增加了抗拔承載性能，達(dá)到了抗壓承載力的30%。旋噴式插筋微型樁在插筋體受壓的情況下可以取得相同的抗壓承載力。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)中對于雙橋探頭靜力觸探資料確定單樁豎向極限承載力的公式：

Quk=Qsk+Qpk=u∑liβifsi+αqcAp

(1)

式中：fsi——第i層土的探頭平均側(cè)阻力，kPa；qc——樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上4d(d為樁的直徑或邊長)范圍內(nèi)按土層厚度的探頭阻力加權(quán)平均值，然后再和樁端平面以下1d范圍內(nèi)的探頭阻力進行平均，kPa；α——樁端阻力修正系數(shù)，對于粘性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2；βi——第i層土樁側(cè)阻力綜合修正系數(shù)，粘性土、粉土βi=10.04(fsi)-0.55，砂土βi=5.05(fsi)-0.45。

根據(jù)《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50783-2012)，對于由樁體材料強度可能提供的單樁豎向抗壓承載力特征值應(yīng)按公式(2)計算：

Ra=ηfcuAp

(2)

式中：Ra——單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；Ap——單樁截面積，m2；η——樁體強度折減系數(shù)，取0.33。

靜載試驗前處理樁頭過程中開挖3 m深度，發(fā)現(xiàn)上部回填土層成樁質(zhì)量差，原土層樁體直徑較小，實際樁徑為400～450 mm，后在0～3 m范圍內(nèi)采取了鋼護筒內(nèi)澆搗混凝土的接樁措施。根據(jù)實際樁徑將該場地的雙橋探頭靜力觸探數(shù)據(jù)代入公式(1)計算得出高壓旋噴單樁理論極限側(cè)阻力值Qsk為1232 kN，極限端阻力值Qpk為100 kN(在超過一定長度時，樁端阻力對水泥土單樁承載力的影響可以忽略不計)。根據(jù)樁身水泥土強度平均值按公式(2)計算得出高壓旋噴單樁理論極限承載力Ra值為1229 kN，與公式(1)得出結(jié)果比較接近。而靜載試驗的結(jié)果表明，高壓旋噴單樁在最大試驗荷載325 kN時已發(fā)生沉降破壞，旋噴式插筋微型樁的豎向抗壓極限承載力則很接近理論計算值。

4.2 水泥土樁特性

從已有對水泥土樁的研究與認(rèn)識看，王蕊[8]認(rèn)為水泥土樁承載力的關(guān)鍵在于淺層樁身強度，水泥土單樁的破壞模式表現(xiàn)為樁體材料強度破壞而造成的陡降型。增加樁長來提高樁體承載力是有一定限度的，存在有效樁長的問題。隨著樁長增加，在樁長5～8 m內(nèi)樁體承載力增加很快，樁長到8 m后幅度減小至趨于定值。

趙順波等[9]在回填土區(qū)深層攪拌樁和高壓旋噴樁復(fù)合地基的靜承載性能研究中認(rèn)為增加樁長來提高樁體承載力收效甚微，增加樁體強度尤其是上部樁體的強度則能夠較大地提高復(fù)合地基承載力。即上部樁體的材料強度在提高水泥土樁承載能力上起主要作用。在回填土區(qū)，回填土深度范圍內(nèi)的樁周側(cè)限壓力小，樁體分擔(dān)壓力較大，因此容易造成樁體破壞而使下部樁體和下部樁間土體承載力不能充分發(fā)揮。

段繼偉等[10]認(rèn)為水泥土樁存在著臨界樁長lc，為14d～17.7d(d為樁徑)，單樁樁身變形、軸力和側(cè)摩阻力主要集中在0～lc深度內(nèi)，對于單樁其最大應(yīng)變發(fā)生在樁頂，對于單樁帶臺其最大應(yīng)變不發(fā)生在樁頂，而是樁身3～4 m深度處，其原因是絕對剛性承臺帶動樁、土同時下沉，使靠近樁頂附近側(cè)摩阻力來不及發(fā)揮引起的。認(rèn)為樁的破壞主要發(fā)生在淺層，即所謂淺層破壞。這一點與本次試驗圖5顯示的結(jié)果類似，其最大應(yīng)力發(fā)生在3 m測點處，其原因是3 m以上樁身開挖處理后形成了絕對剛性的鋼護筒混凝土樁身。

4.3 原因分析

按有效樁長14d考慮重新計算樁側(cè)極限摩阻力值Qsk1為376 kN，仍然大于目前試驗得到的高壓旋噴樁單樁豎向抗壓極限承載力，分析原因一為高壓旋噴樁成樁過程中由于施工因素仍然可能存在樁身強度薄弱部位，鉆心法檢測的往往是經(jīng)過機械擾動破壞后人為選擇的完整柱狀水泥土心樣，其強度值并不能說明高壓旋噴樁樁體強度值是穩(wěn)定連續(xù)的；二是結(jié)合以往一些工程經(jīng)驗來看，由于回填土區(qū)地質(zhì)條件特點，特別是孔隙較大的塊石、碎石回填層成樁質(zhì)量差，甚至有時形不成有效樁體，淺層樁體傳遞荷載效果不理想。

而本次試驗方案通過利用在水泥土樁上部樁體中插筋的方式，極大地提高了單樁承載性能，由高壓旋噴成樁機理可知，樁中心部分強度低，邊緣部分強度高，旋噴樁中心的插筋體起到加強上部樁體整體強度的作用，使插筋體范圍內(nèi)樁體不易破壞，這一點起到了關(guān)鍵的作用；二是利用插筋體將荷載向下傳遞給下部樁體和深層土體，提高了有效樁長值，充分發(fā)揮了高壓旋噴樁的樁側(cè)摩阻力；三是在回填土區(qū)，通過開挖發(fā)現(xiàn)回填土深度范圍內(nèi)的成樁質(zhì)量不佳，而通過插筋體直接連接上部荷載的方式，避免了回填土范圍內(nèi)的成樁質(zhì)量因素以及樁體分擔(dān)壓力過大綜合導(dǎo)致的上部樁身破壞的問題。

5 結(jié)論

(1)旋噴式插筋微型樁工藝大幅提高了水泥土樁的承載性能，且具有一定的抗拔承載能力，為工程應(yīng)用提供了技術(shù)數(shù)據(jù)支持。

(2)通過插筋體直接連接上部荷載的方式，有效解決了水泥土樁荷載傳遞的問題。

(3)旋噴式插筋微型樁工藝可以實現(xiàn)狹窄、限高場地內(nèi)基礎(chǔ)加固及基礎(chǔ)施工的要求，且施工效率高，對周邊建筑物及環(huán)境影響小。

(4)在實際工程應(yīng)用后定期觀測上部結(jié)構(gòu)沉降情況并記錄，可繼續(xù)開展下一步工作確定群樁基礎(chǔ)受力承載性能。