高壓旋噴樁在橋臺(tái)基礎(chǔ)中的應(yīng)用

孫鵬旭

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司 太原 030006)

0 引言

高壓旋噴樁是利用專用設(shè)備成孔后，鉆桿提升旋轉(zhuǎn)過程中噴射漿液與周圍土體切削、攪拌混合而成的圓柱體水泥土混合加固體。根據(jù)噴射方法的不同，分為單管法、雙管法、三管法和多管法，該注漿工藝具有施工占地面積少、對(duì)周邊擾動(dòng)小、噪聲低、施工速度快、成本較高等特點(diǎn)，加固強(qiáng)度和水泥含量、水泥漿稠度、土質(zhì)和噴射速度有關(guān)，適用于大部分土質(zhì)，在砂性土中加固效果尤為顯著[1]。該工藝被廣泛應(yīng)用于地基基礎(chǔ)加固或基礎(chǔ)補(bǔ)強(qiáng)中。

本文依托山西省河津市G5京昆高速公路侯禹段新209國道大橋橋臺(tái)病害維修處治工程，介紹高壓旋噴樁的施工工藝，為今后同類工程提供參考。

1 工程概況

G5 京昆高速公路侯禹段(簡稱“侯禹高速”)是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”中第十一橫(陵川營盤至河津禹門口)的一段，也是國家 G5 京昆高速的重要組成部分，全長 65.561km，2006年12月28日建成通車，該路起于臨汾市襄汾縣南史威村，止于陜西省韓城市大前村，途經(jīng)運(yùn)城市的新絳、稷山、河津等3個(gè)縣市。全程采用雙向4車道高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速120km/h，路基寬度28m。

新209國道大橋位于侯禹高速公路K830+908處。橋梁全長100m，上部結(jié)構(gòu)采用雙孔30m+40m+30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、肋板式臺(tái)、樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載：汽車超-20級(jí)，掛車-120級(jí)。橋面橫坡為雙向2%，縱坡1.6%。

侯禹高速公路自建成通車至今已 14 余年，經(jīng)過長期運(yùn)營，該橋0#臺(tái)、3#臺(tái)出現(xiàn)臺(tái)后路基沉降病害，同時(shí)，在日常維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn) 0#臺(tái)、3#臺(tái)處梁體已與背墻接觸，梁體與背墻之間已無伸縮空間，部分防撞墻已擠裂、伸縮縫鋼梁擠死。

2 病害調(diào)查

新209國道大橋橋臺(tái)路基為填方路基，路基填高 8m，調(diào)查采用人工現(xiàn)場踏勘方式，發(fā)現(xiàn)該路段橋梁兩側(cè)臺(tái)背均出現(xiàn)不同程度的沉降病害，沉降長度為 25m。沉降病害發(fā)生后，公路養(yǎng)護(hù)部門對(duì)路面進(jìn)行了加鋪找平處治，加鋪厚度約 40cm。由于路面不斷加鋪，導(dǎo)致相應(yīng)路段波形梁護(hù)欄高度不足，存在安全隱患。

公路養(yǎng)護(hù)管理部分委托地質(zhì)勘察單位對(duì)該橋梁兩側(cè)臺(tái)背沉陷位置采用美國地球物理測量系統(tǒng)公司(GSSI)生產(chǎn)的 SIR-4000 地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測，按車道縱向布置測線，共計(jì)完成地質(zhì)雷達(dá)剖面16條，剖面長度合計(jì)為 480m。

根據(jù)探測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該橋梁兩側(cè)搭板長度均為8m，布線的16條中共發(fā)現(xiàn)異常11處，在新209國道大橋上、下行兩端均存在一定范圍的不密實(shí)區(qū)域，局部回填層頂面下沉量較大，達(dá)0.4m，見表1。此外在探測范圍內(nèi)，地質(zhì)雷達(dá)探測未見其他明顯異常不良現(xiàn)象。

表1 異常情況匯總表

3 病害原因分析

橋梁臺(tái)背填高約8m，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果可知，臺(tái)背路基部分壓實(shí)不密實(shí)，導(dǎo)致運(yùn)營中受荷載影響出現(xiàn)正常固結(jié)壓縮變形。原路基處于濕陷性黃土地區(qū)，原路基土存在較強(qiáng)濕陷性，建設(shè)期已對(duì)原地面進(jìn)行強(qiáng)夯處治。路基固結(jié)壓縮變形后，路面出現(xiàn)下沉凹槽，結(jié)合該段落路線平縱情況，該路段位于下坡路段，路面徑流易匯聚于臺(tái)前，積水沿下沉段路面裂縫下滲后，導(dǎo)致路基填料黏聚力和內(nèi)摩擦角變小、土體抗剪強(qiáng)度降低，進(jìn)一步加劇了路基變形。

調(diào)查中未發(fā)現(xiàn)錐坡及臺(tái)后路基邊坡兩側(cè)有明顯向橋梁方向滑移現(xiàn)象，路基兩側(cè)邊溝完好未開裂，但路側(cè)邊坡拱形骨架內(nèi)填土有明顯下沉現(xiàn)象，且前期設(shè)計(jì)勘察中臺(tái)后地勘鉆孔時(shí)未發(fā)現(xiàn)明顯滑移面，據(jù)此基本排除臺(tái)后土體沿原地面滑移推動(dòng)橋臺(tái)變形的情況。

4 處治方案設(shè)計(jì)

4.1 高壓旋噴樁的特點(diǎn)

高壓旋噴樁通過射流作用強(qiáng)制改變?cè)孛娼Y(jié)構(gòu)達(dá)到加固地層，固結(jié)質(zhì)量高，適用范圍廣，對(duì)施工場地要求低，無須對(duì)地面進(jìn)行開挖，施工簡便，耐久性好，材料來源廣泛、價(jià)格低廉，注漿材料主要采用水泥，無毒無害，施工設(shè)備震動(dòng)小、噪聲低，與傳統(tǒng)的靜力壓漿工藝相比，優(yōu)勢明顯、效果顯著，符合現(xiàn)代工程建設(shè)和環(huán)境保護(hù)的要求[2]。

4.2 方案選擇

針對(duì)本工程橋臺(tái)臺(tái)后沉降，擬采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固處治，加固深度應(yīng)深入穩(wěn)固土層不小于2m，高壓旋噴樁在加固土體過程中主要起到對(duì)土體改性的作用。高壓旋噴樁形成過程中，樁體附近的巖土受壓，漿液黏結(jié)松散的巖土形成一個(gè)整體，同時(shí)因旋噴樁的存在，使得樁間未加固土體在荷載作用下也由原來的無側(cè)限受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢ㄟ吔鐥l件的應(yīng)力狀態(tài)，擠密了土體，從而提高了樁間土的強(qiáng)度，使土體強(qiáng)度參數(shù)變大、滲透系數(shù)變小，故填土穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。

高壓旋噴樁布樁形式為孔間距1.5m 的梅花形布置；采用水灰比為 1∶1(重量比)的水泥漿液，成樁直徑不小于50cm；旋噴樁采用單重管法施工，漿液噴射壓力為20～40MPa，旋噴速度20r/min，提升速度0.2～0.25m/min，噴嘴直徑2～3mm，漿液流量60～70L/min。

由于路基采用旋噴樁加固處治，對(duì)原有路基擾動(dòng)較大，施工過程中及施工完畢后存在工后沉降情況，根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果及《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-02-2013)規(guī)定，對(duì)本項(xiàng)目路基加固后沉降情況進(jìn)行預(yù)估，經(jīng)計(jì)算，工后沉降約為 5.0cm，滿足規(guī)范“橋臺(tái)與路堤相鄰處允許工后沉降≤10cm”的要求[3]。

5 高壓旋噴樁施工工藝

5.1 工藝流程

高壓旋噴樁施工工藝流程見圖1所示。

圖1 高壓旋噴樁施工工藝流程

5.2 施工工序

5.2.1 場地準(zhǔn)備

首先對(duì)橋臺(tái)基礎(chǔ)需要加固的部位進(jìn)行場地整理，做好周邊圍擋，防止施工垃圾和漿液流失污染周圍環(huán)境，并做好周邊排水設(shè)施，做好橋臺(tái)錐坡外臨時(shí)沉漿池的設(shè)置。

5.2.2 孔位放樣

按照施工圖紙位置和要求，確定樁號(hào)的位置，在樁位上用白灰做好標(biāo)記，并標(biāo)記好樁長。

5.2.3 鉆機(jī)就位

鉆機(jī)就位過程中，操作人員小范圍移動(dòng)鉆機(jī)，校核鉆機(jī)的位置，保證鉆桿鉆頭與樁位的偏差小于50mm。鉆機(jī)定位后，用尺子和定位測錘進(jìn)行校準(zhǔn)，保證鉆桿的垂直度在1%之內(nèi)。

5.2.4 鉆孔插管

按照設(shè)計(jì)圖紙做好準(zhǔn)備工作后，開機(jī)前再次檢查設(shè)備的各項(xiàng)工作參數(shù)，待滿足設(shè)計(jì)要求后，按照施工工藝開始勻速鉆孔，中途做好鉆桿的接長工作，為防止堵管，插管時(shí)要邊射水邊插管，水壓力為0.5MPa左右，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后勻速旋轉(zhuǎn)、提升噴射管，自下而上旋轉(zhuǎn)噴射注漿[4]。

5.2.5 漿液配制

漿液的水泥應(yīng)采用標(biāo)號(hào)不小于PO 42.5的普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比一般控制在1︰1左右，密度不小于1.53g/cm3。按照“先清水，后水泥” 的原料投放順序制作水泥漿，為保證水泥漿液均勻，每次水泥漿液攪拌時(shí)間應(yīng)≥2min，水泥漿液轉(zhuǎn)入儲(chǔ)料罐前，保持勻速不停地?cái)嚢?，使用時(shí)過濾篩，篩除夾雜的雜質(zhì)或塊狀物，防止堵管，影響施工質(zhì)量[5]。

5.2.6 噴射注漿

噴射設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場后，檢查加壓設(shè)備和各種管線，保證滿足施工要求。施工過程中，按規(guī)范要求和設(shè)計(jì)規(guī)定提前設(shè)置好各種參數(shù)，現(xiàn)場技術(shù)員應(yīng)注意設(shè)備壓力、轉(zhuǎn)速、流量等參數(shù)，按30min觀察記錄一次，出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)查明原因并采取補(bǔ)救措施。

噴射時(shí)，控制好壓力，待達(dá)到規(guī)定壓力后噴漿旋轉(zhuǎn)1～3min，使?jié){液和土體充分?jǐn)嚢?，之后緩緩提升鉆桿，同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)，使壓力為 20～40MPa，旋噴速度 20r/min，提升速度 0.2～0.25m/min，待噴射至距離樁頂1m時(shí)，為保證樁頂密實(shí)均勻，應(yīng)放慢旋噴速度，旋噴30s后再向上緩慢提升0.5m，必要時(shí)進(jìn)行樁頂復(fù)噴[6-7]。

5.2.7 沖洗移位

待完成一根樁后，移至下一樁位，待全部樁完成后，將水泥漿液換成水進(jìn)行噴射，清洗機(jī)械設(shè)備和管道，防止?jié){液在設(shè)備、管道中凝固。

5.2.8 技術(shù)優(yōu)勢

高壓旋噴樁對(duì)處理橋臺(tái)沉降具有較好的應(yīng)用效果，但是該技術(shù)在不同地質(zhì)條件下適用的工藝參數(shù)有所差別，如參數(shù)控制不當(dāng)，施工過程中返漿現(xiàn)象嚴(yán)重，造成材料浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境也會(huì)造成污染。

針對(duì)以上不足，重點(diǎn)在施工前進(jìn)行試樁試驗(yàn)，根據(jù)軟土地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出漿液配比1∶1，壓力20MPa，旋噴速度20r/min，并以0.2～0.25m/min的速度勻速緩慢提升管道，可以使返漿現(xiàn)象控制在有效范圍內(nèi)。同時(shí)現(xiàn)場設(shè)置沉淀池，防止?jié){液漫流，最后將沉淀后的水泥漿回收攪拌，作為臺(tái)后回填材料，杜絕浪費(fèi)，且保護(hù)周邊環(huán)境。

5.3 注意事項(xiàng)

(1)成樁過程中，為保證樁與樁之間能夠咬合，可以使用“打一跳一”的方法。

(2)正式施工前，應(yīng)做至少3根試驗(yàn)樁，驗(yàn)證施工工藝，確保各項(xiàng)工藝參數(shù)滿足要求后，方可施工。

(3)噴射施工過程中，注意孔內(nèi)返漿情況，冒漿量控制在注漿量的20%為宜，超過20%或者完成不返漿時(shí)，應(yīng)及時(shí)分析原因，解決后再繼續(xù)施工[8]。

(4)施工過程中，及時(shí)監(jiān)測樁機(jī)垂直度，避免因沉陷或震動(dòng)導(dǎo)致樁位傾斜，影響成樁質(zhì)量。

6 成樁質(zhì)量檢測

6.1 多維非線性固結(jié)沉降公式理論

同一種土層，假定土體為均勻、連續(xù)、各向同性的增量彈性體，土體應(yīng)力增量與應(yīng)變?cè)隽繚M足廣義虎克定律，土體在多維固結(jié)變形情況下的豎向應(yīng)變與側(cè)限條件下的豎向應(yīng)變成正比[9]。應(yīng)用多維非線性固結(jié)沉降公式計(jì)算橋臺(tái)地基加固前、后的固結(jié)沉降曲線如圖2，由圖2可知橋臺(tái)地基加固前最終沉降量為140mm，加固后最終沉降量為50mm，因此橋臺(tái)地基經(jīng)高壓旋噴樁加固后，復(fù)合地基的模量較加固前提高了2.8倍[10]。

圖2 固結(jié)沉降曲線

6.2 破壞性開挖檢測

施工后對(duì)成樁進(jìn)行開挖，其結(jié)果表明，樁徑基本都超過500mm，最大超過700mm，滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的效果。

7 結(jié)語

京昆高速侯禹段新209國道大橋采用高壓旋噴樁施工工藝，徹底根治了橋臺(tái)基礎(chǔ)沉降的問題。該方法具有處治效果顯著、施工便捷、噪聲小、對(duì)周邊干擾小等特點(diǎn)，在高速公路橋臺(tái)基礎(chǔ)沉降病害處治中達(dá)到了預(yù)期的效果。對(duì)于地質(zhì)特性較差、容易沉陷地段的處治方案比選時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮高壓旋噴樁，該工藝具有較高的競爭優(yōu)勢和推廣價(jià)值。