高壓旋噴柱單樁承載力分析

王 勃 行小盈

(信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西西安 710002)

0 引言

高壓噴射灌漿(簡稱高噴灌漿或高噴)，是一種采用高壓水或高壓漿液形成高速噴射流束，沖擊、切割、破碎地層土體，并以水泥基質(zhì)漿液充填、摻混其中，形成樁柱或板墻狀的凝結(jié)體，用以提高地基防滲或承載能力的施工技術(shù)，工藝類型分為定噴、擺噴、旋噴，工法有單管法、雙管法、三管法[1]。該技術(shù)于1968年首創(chuàng)于日本，我國于20世紀(jì)70年代引進并研究[2]。目前，高壓旋噴工藝應(yīng)用最為廣泛，工藝技術(shù)最為成熟。本試驗在陜西省延安市某建成小區(qū)內(nèi)選三個試驗點，按不同旋噴樁施工工藝成樁，通過對樁身完整性檢測、單樁承載力試驗，分析旋噴樁成樁質(zhì)量及單樁承載力。

1 地層條件

該地段為非自重濕陷性場地，濕陷性等級為Ⅰ級(輕微)。場地因挖填方而形成的幾處土質(zhì)邊坡、陡坎，高度約為10～20 m。本場地未發(fā)現(xiàn)其它不良地質(zhì)現(xiàn)象，適宜建筑。

試驗深度范圍內(nèi)地層描述見表1。

表1 試驗深度范圍內(nèi)地層主要巖性特征描述

2 旋噴樁成樁工藝

(1)試驗旋噴樁設(shè)計樁徑

試驗旋噴設(shè)計樁徑500 mm，旋噴樁樁體強度設(shè)計5 MPa；旋噴樁成樁進入Q2黃土層7.0 m，設(shè)計樁長7 m，上部1.0 m雜填土待樁頭處理時予以清理。

(2)試驗旋噴施工參數(shù)

旋噴樁選用不同的工藝參數(shù)，高壓旋噴注漿用純水泥漿水灰比1∶1(質(zhì)量比)，密度：1.51～1.52 g/L；

第一根旋噴樁施工工藝參數(shù)：采用單管旋噴工藝，高壓注漿壓力22 MPa，旋噴轉(zhuǎn)速20 r/min，提升速度20 cm/min，注漿流量不小于60 L/min；

第二根樁施工工藝參數(shù)：采用單管旋噴工藝，高壓注漿壓力25 MPa，旋噴轉(zhuǎn)速22 r/min，提升速度22 cm/min，注漿流量不小于60 L/min；

第三根樁施工工藝參數(shù)：采用單管旋噴工藝，高壓注漿壓力28 MPa，旋噴轉(zhuǎn)速24 r/min，提升速度24 cm/min，注漿流量不小于60 L/min；

通過不同壓力條件下，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、提升速度對比施工工藝對旋噴樁單樁承載力的影響。

(3)單樁豎向承載力特征值預(yù)估

旋噴樁單樁豎向承載力特征值可按式(1)、式(2)估算，取兩者最小值[3-4]。

(1)

式中：Ra——單樁豎向極限承載力特征值，kN;

up——樁周長，m;

qsi——樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa;

li——樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度，m;

qp——樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，kPa;

Ap——樁截面面積，m2。

Ra=ηfcuAp

(2)

式中:Ra——單樁豎向極限承載力特征值,kN；

η——樁身強度折減系數(shù)，取0.33；

fcu——與旋噴樁樁身水泥土抗壓強度設(shè)計值,kPa；

Ap——樁截面面積,m2。

引自《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[4]，經(jīng)計算，旋噴樁單樁豎向極限承載力特征值按式2取為400 kN。

3 旋噴樁施工

根據(jù)預(yù)設(shè)工藝條件組織施工，施工前標(biāo)定注漿壓力表、注漿用水泥漿水灰比1∶1，使用婆美氏比重計實時監(jiān)測水泥漿比重，按設(shè)計參數(shù)給定壓力、旋轉(zhuǎn)速度、提升速度嚴(yán)控施工過程。

圖1 成樁照片

4 旋噴樁質(zhì)量檢測與試驗成果分析

(1)樁徑測量

清理樁頭后，經(jīng)測量成樁樁徑為535 mm、510 mm、590 mm。

(2)樁身強度檢測

使用地質(zhì)鉆機鉆樁芯取樣(見圖2)，取樣每樁每組試樣3塊，取樣分組按28 d、90 d分組。

圖2 樁芯取樣照片

經(jīng)試驗，旋噴樁樁身結(jié)石體強度統(tǒng)計表見表2。

表2 旋噴樁樁身結(jié)石體強度統(tǒng)計表

(3)樁身完整性檢測

檢測采用低應(yīng)變反射波法推定樁身完整性。

樁身缺陷位置可按《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106)公式8.4.2-1進行計算[5]。

(3)

式中:x——樁身缺陷至傳感器安裝點距離,m;

Δtx——速度波第一峰與缺陷反射波峰間的時間差,ms；

c——受檢樁的樁身波速,m/s，無法確定時，可用樁身波速平均值替代。

樁身完整性低應(yīng)變分析曲線見圖3；低應(yīng)變動力檢測結(jié)果見表3。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，樁身平均波速為2632～2929 m/s，三根試樁波速平均值為2776 m/s。被測3根樁中，均判定為Ⅰ類樁。

圖3 低應(yīng)變分析曲線

表3 樁身完整性低應(yīng)變法檢測結(jié)果統(tǒng)計表

(4)單樁豎向抗壓承載力試驗

施工前對樁頭進行處理，樁頭加固500 mm厚C30混凝土澆筑，澆筑前樁身部分加鋼護筒，護筒高度600 mm，護筒直徑大于樁徑100 mm，旋噴樁樁身部分深入護筒100 mm左右。

1)試驗方法：單樁豎向抗壓承載力靜載試驗采用堆載法。

①反力裝置

采用堆載法提供反力，堆載總重為1450 kN。

②加載裝置

加載裝置為電動加壓系統(tǒng)。采用高壓油泵向一臺3200 kN級液壓千斤頂輸油，在通往千斤頂?shù)妮斢凸艿郎洗?lián)安裝一個密刻度100 MPa的油壓表，用以實時測讀和控制油壓。分級加載讀數(shù)是根據(jù)加壓系統(tǒng)的檢定結(jié)果，預(yù)先計算核定，作為加載時的控制依據(jù)。

③量測裝置

在承壓板上對稱安裝四只讀數(shù)百分表(量程為30 mm)，用以觀測樁頂?shù)某两盗俊?/p>

④加載觀測方法

a.加載分級：現(xiàn)場試驗按照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106)有關(guān)要求，共分10級，靜載試驗每級加載量為120 kN，最大加載量為1200 kN。試驗的初始加載量為最大加載量的1/5。

b.觀測時間：每級加載后，按間隔5、10、15、30、30 min各測讀一次沉降量，以后每隔30 min讀一次。每級維持時間不小于2.5 h。

c.穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：試驗采用慢速維持荷載法。在每級荷載作用下，沉降量在每小時小于0.1 mm時，并且連續(xù)出現(xiàn)兩次，可以認為相對穩(wěn)定，允許加下級荷載。

⑤終止加載條件

當(dāng)出現(xiàn)下述情況之一時，即可終止加載：

a.某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍；

b.某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；

c.已達到預(yù)定的最大加載量。

⑥卸載與卸載沉降觀測

每級卸載量為分級加載值的兩倍，等量進行。每級荷載維持1 h后，記錄沉降量，即可卸下一級荷載。卸載至零后，隔3 h后測讀總的回彈量。

圖4 靜載現(xiàn)場照片

2)檢測結(jié)果

①各測點的靜載荷試驗結(jié)果見表4。

表4 各測點的靜載荷試驗結(jié)果

②單樁豎向承載力判定

當(dāng)荷載加至1200 kN時，SZ1、SZ2、SZ3試驗樁Q-s曲線均未出現(xiàn)明顯陡降段，s-lgt曲線均未出現(xiàn)明顯下彎段(見圖5、圖6)，當(dāng)安全系數(shù)取2時，判定單樁豎向抗壓承載力特征值為Ra=600 kN[5]。

圖5 Q -s曲線

圖6 s-lgt曲線

③單樁豎向承載力特征值

表5 單樁豎向抗壓承載力特征值統(tǒng)計表

5 試驗成果研究與分析

(1)成樁質(zhì)量

樁徑：在注漿壓力22 MPa條件下實測樁徑為535 mm，在注漿壓力28 MPa條件下實測樁徑為590 mm；可見成樁樁徑主要影響因素為地層條件及注漿壓力。同等地層條件下，提高注漿壓力可增大成樁樁徑。

(2)樁身水泥土結(jié)石體強度

轉(zhuǎn)速20 r/min、提升速度20 cm/min條件下,28 d強度為5.5 MPa、90 d強度為8.4 MPa；轉(zhuǎn)速24 r/min、提升速度24 cm/min條件下，28 d強度為6.2 MPa、90 d強度為8.2 MPa。在不考慮注漿壓力影響條件下，較低的轉(zhuǎn)速和提升速度可提高旋噴樁樁身強度，且隨著時間推移旋噴樁樁身強度有所提高。

(3)樁身完整性

轉(zhuǎn)速20 r/min、提升速度20 cm/min條件下波速為2929 m/s；轉(zhuǎn)速24 r/min、提升速度24 cm/min條件下波速為2632 m/s?？梢?，較低的轉(zhuǎn)速和提升速度對樁身完整性有利。

(4)單樁承載力

當(dāng)荷載加至1200 kN時，SZ1、SZ2、SZ3試驗樁Q-s曲線均未出現(xiàn)明顯陡降段，s-lgt曲線均未出現(xiàn)明顯下彎段，當(dāng)安全系數(shù)取2時，判定單樁豎向抗壓承載力特征值為Ra=600 kN。

因旋噴樁樁身強度較低，單樁承載力受樁身強度制約，本試驗實測最低樁身強度5.5 MPa，設(shè)計樁徑500 mm，實測最大樁徑590 mm，依據(jù)式(2)計算,η(樁體強度折減系數(shù))值介于0.4～0.56之間。

(5)工程經(jīng)濟

預(yù)設(shè)工藝參數(shù)條件下均滿足設(shè)計承載力。從工程經(jīng)濟角度出發(fā)，選擇較大的注漿壓力和較高的轉(zhuǎn)速及提升速度可提高施工效率并節(jié)約水泥用量，從而達到節(jié)約工程造價的目的。

6 結(jié)論

(1)旋噴樁質(zhì)量與施工工藝、地層條件有關(guān)。通過調(diào)整施工工法及施工工藝參數(shù)可以有效提高旋噴樁成樁質(zhì)量及承載力。

(2)隨著時間推移，旋噴樁樁身強度有所增加，且低轉(zhuǎn)速、低提升速度條件下有利于后期強度的提高。

(3)旋噴可以作為復(fù)合地基、單獨樁基礎(chǔ)使用。

(4)旋噴樁樁身強度是影響旋噴樁單樁承載力的決定因素。

(5)通過本試驗，旋噴樁單樁承載特征值可達到600 kN，旋噴樁樁身強度折減系數(shù)可由最高0.33提高至0.45～0.5。

(6)通過對旋噴樁樁周土觀察，旋噴樁施工可有效改善樁周土物理力學(xué)性質(zhì)，對提高樁周土側(cè)摩阻力具有積極作用。

(7)本試驗是在加固場地可實施性條件下確定的旋噴樁設(shè)計樁徑及承載力，施工工藝按是否滿足設(shè)計承載力選擇?？筛鶕?jù)場地實際及地層條件調(diào)整并選擇最為經(jīng)濟的設(shè)計參數(shù)及工藝參數(shù)。

本試驗過程由陜西中電建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司提供技術(shù)支持，在此表示感謝。