高壓旋噴樁加固碎石注漿樁在實(shí)踐中的應(yīng)用

朱廣幸，柴 碩，李家昱

（白城師范學(xué)院 土木工程學(xué)院，吉林 白城 137000）

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加強(qiáng)，一些特殊地質(zhì)條件的地區(qū)得到開發(fā)利用，其中軟土地基在荷載作用下，往往會(huì)產(chǎn)生沉降或失穩(wěn)，若不采取措施，會(huì)產(chǎn)生不同程度的破壞，導(dǎo)致建筑物和構(gòu)筑物不能正常使用.

國(guó)內(nèi)外成熟的軟土地基處理方式有很多種，比如置換法、復(fù)合地基、排水固結(jié)等幾大類方法.單一的軟基處理方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，而將兩種不同加固方法進(jìn)行混合應(yīng)用的案例較少，本文通過高壓旋噴樁加固碎石注漿樁的混合加固實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為混合加固處理提供參考和指導(dǎo).

1 工程概況

東南沿海鐵路地處海積平原，軟土層的厚度超過了20 m深，軟土含水量達(dá)到65%~82%；孔隙比大，達(dá)到1.5~2.5；強(qiáng)度低，抗剪強(qiáng)度只有0.87~8.2 kPa；壓縮性和觸變性高，壓縮模量E=1.35~2.8 MPa.

按原設(shè)計(jì)進(jìn)行管樁加固時(shí)，經(jīng)測(cè)量監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，管樁對(duì)已完成施工的結(jié)構(gòu)物有明顯擠壓現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)物安全造成不良影響，為減少對(duì)已完成施工的橋涵結(jié)構(gòu)物的影響，經(jīng)綜合比選，改用碎石注漿樁加固.碎石注漿樁，一般不用配筋，采用取土設(shè)備成孔，成孔后放入導(dǎo)管，注入碎石，然后通過導(dǎo)管高壓注入水泥砂漿，水泥砂漿一部分滲入土體，一部分與碎石結(jié)合成樁，使原來(lái)土體得以加固.碎石注漿樁與樁間土體形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)荷載；由于碎石注漿樁采用置換原理，對(duì)周圍土體不產(chǎn)生擠土效應(yīng)，施工工藝簡(jiǎn)單易行；同時(shí)施工設(shè)備采用小型鉆機(jī)作業(yè)，機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)單，搬運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)方便，施工時(shí)噪聲低、振動(dòng)小，對(duì)場(chǎng)地?cái)_動(dòng)小，主要適用于加固區(qū)域上部有高壓電力線、框架結(jié)構(gòu)物等導(dǎo)致管樁無(wú)法實(shí)施的，或容易對(duì)結(jié)構(gòu)物地基產(chǎn)生擠壓或位移影響的部位和地段.

碎石注漿樁設(shè)計(jì)樁徑0.5 m，漿體的混凝土強(qiáng)度C20，嵌入持力層不少于1 m，路肩范圍內(nèi)按照間距2 m的正方形布置，道路邊坡范圍內(nèi)按照間距2.5 m的正方形布置，樁長(zhǎng)30~36 m，樁頂設(shè)樁帽，尺寸為1.4 m×1.4 m×0.35 m，樁帽頂部鋪設(shè)兩層加筋土工格柵的0.6 m厚的碎石墊層.

2 施工工藝

本項(xiàng)目碎石注漿樁施工工序?yàn)殂@孔后下注漿管，然后投料、清孔，最后注漿.

（1）鉆孔.將鉆桿和螺旋套筒聯(lián)結(jié)，通過鉆桿的旋轉(zhuǎn)，使套筒部分的刃片切削上層土體，并使土層切入套筒內(nèi)，待鉆入一定深度，提出套筒，清除套筒內(nèi)的泥土，放下套筒，循環(huán)此操作.通過鉆桿接長(zhǎng)，直到鉆至設(shè)計(jì)要求的深度后鉆具在原位慢速回轉(zhuǎn)、掏渣，當(dāng)沉渣厚度不大于10 cm時(shí)方可終孔［1］.

（2）下注漿管.注漿管統(tǒng)一采用直徑為3 cm、長(zhǎng)度為3~6 m的鍍鋅鐵管，連接方式為絲扣連接，鐵管與孔底部距離大約15~30 cm.注漿管放置到位后，應(yīng)再次測(cè)量孔內(nèi)的沉渣厚度，確保沉渣厚度符合設(shè)計(jì)要求.

（3）投料.將潔凈的碎石慢慢倒入孔內(nèi)，當(dāng)填至距孔口2 m左右時(shí)，安放并固定鋼筋籠，繼續(xù)填充碎石，至孔口為止.

（4）清孔.孔內(nèi)填滿碎石以后，使用注漿泵通過注漿管將水注入孔內(nèi)，檢測(cè)泥漿比重，當(dāng)泥漿比重小于1.08時(shí)方可停止注入清水，清孔結(jié)束.

（5）壓力注漿.清孔結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)攪拌水泥砂漿，利用注漿泵的壓力，將攪拌好的水泥砂漿通過注漿管從孔底逐漸上升，并滲入到碎石空隙及周圍土層中.水泥砂漿采用細(xì)砂，為增強(qiáng)潤(rùn)滑作用可摻入一定數(shù)量的粉煤灰，按照M25配合比攪拌，采用連續(xù)注漿.由于注漿過程中引起振動(dòng)，會(huì)使樁頂部分碎石有一定量的沉落，故在注漿過程中應(yīng)逐步補(bǔ)充部分碎石到樁頂.砂漿在孔口充分溢出后，停止注漿，預(yù)留3~6 m注漿管在孔內(nèi).30~60 min后砂漿液面標(biāo)高有所回落，此時(shí)再注入一定量砂漿，直至水泥砂漿再次溢出孔口，此為二次補(bǔ)漿過程.

（6）振搗.用插入式振搗器插入樁體1.5 m左右進(jìn)行振搗，使樁頂砂漿充分密實(shí)后，拔出預(yù)留的注漿管，此時(shí)注漿結(jié)束［2］.

3 初次加固效果

本項(xiàng)目最后一根碎石樁施工完成7天后，破樁頭進(jìn)行小應(yīng)變檢測(cè)，檢測(cè)合格后開始樁帽板施工.當(dāng)樁帽板混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后，開始路基分層填筑.路基開始填筑時(shí)間與最后一根碎石樁注漿完成時(shí)間間隔一般不小于1個(gè)月.沉降觀測(cè)從路基填筑同步開始，直到路基本體及基床表層、工程線路上砟及鋪軌，附屬工程全部完成.根據(jù)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)得到數(shù)據(jù)如表1和表2所示，可以發(fā)現(xiàn)路基繼續(xù)出現(xiàn)較大沉降，5個(gè)月后仍未收斂.

表1 單樁豎向抗壓靜載實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表

表2 碎石注漿樁加固段累計(jì)沉降值匯總表

鋪軌后，電纜溝出現(xiàn)明顯變形，設(shè)置觀測(cè)標(biāo)志后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，20天沉降值達(dá)到6~9 mm，大于規(guī)范規(guī)定的沉降速率.

4 沉降超限原因分析

采用碎石注漿樁加固軟土地基，處理區(qū)段沉降不收效的主要原因有兩個(gè)方面.

4.1 不同樁型地基加固容易產(chǎn)生較大的沉降差異

根據(jù)碎石注漿樁施工工藝分析，碎石注漿樁施工鉆機(jī)采用簡(jiǎn)單旋挖方式，樁底穿透淤泥層伸入卵石持力層后立即終孔，碎石注漿樁樁端伸入卵石持力層不到30 cm.與管樁相比，管樁嵌入持力層達(dá)到100 cm左右，碎石注漿樁達(dá)不到足夠的端頭錨固效果，單樁承載力雖滿足設(shè)計(jì)要求，但安全系數(shù)較低，路基沉降控制遠(yuǎn)達(dá)不到管樁加固效果.因此，同一加固地段內(nèi)大面積采用預(yù)應(yīng)力管樁，局部區(qū)段采用碎石注漿樁，兩種不同樁型地基加固容易產(chǎn)生較大的差異沉降.

4.2 現(xiàn)場(chǎng)工藝控制難度較大

碎石注漿樁在使用簡(jiǎn)單設(shè)備旋挖成孔的基礎(chǔ)上，先下注漿管和碎石，清孔后壓力注水泥漿填充空隙，是一種小孔徑的鉆孔灌注樁.注漿工藝控制是碎石注漿樁工程質(zhì)量監(jiān)控的關(guān)鍵所在，由于地形條件復(fù)雜，注漿工藝控制難度較大.

5 補(bǔ)強(qiáng)加固處理措施

經(jīng)對(duì)沉降未收斂的原因及加固處理方案進(jìn)行研究，認(rèn)為碎石注漿樁端頭伸入持力層深度不足是造成鋪軌后路基沉降超標(biāo)的主要原因，并提出了采用高壓旋噴樁二次加固補(bǔ)強(qiáng)的處理措施.

5.1 加固設(shè)計(jì)

根據(jù)碎石注漿樁樁徑0.5 m，路肩內(nèi)2.0 m×2.0 m、路肩以外2.5 m×2.5 m的布樁形式，在碎石注漿樁間隙布置成孔直徑0.6 m高壓旋噴樁進(jìn)行加固，路基坡腳范圍內(nèi)按矩形布置，樁間距2.5 m.樁頂自承臺(tái)向下1.0 m，正線五列及道岔區(qū)樁尖至持力層以上1.0 m.路肩處樁長(zhǎng)按設(shè)計(jì)施工.路基坡腳范圍外布置三列，按梅花形交錯(cuò)布置，相鄰樁間距1.4 m.樁長(zhǎng)從原地面開始，樁端嵌入持力層0.5 m.縱向布置原則距離臺(tái)背1.5 m布置第一排，至最后一排碎石注漿樁.高壓旋噴樁中心樁位可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌及枕木位置適當(dāng)調(diào)整.噴射漿液材料選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿，水灰比1.0.樁體水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0~2.0 MPa.

5.2 加固施工工藝

加固時(shí)主要施工工藝流程為放樣定孔位、埋管、滿鋪方木枕木平臺(tái)、引孔、鉆機(jī)就位、旋轉(zhuǎn)鉆孔、攪拌水泥漿、旋轉(zhuǎn)提噴水泥漿、回灌、清洗設(shè)備、移位.

5.3 主要工序操作要點(diǎn)

結(jié)合高壓旋噴樁施工經(jīng)驗(yàn)，為避免旋噴樁施工完成后引起地表隆起，進(jìn)而破壞軌道和道岔結(jié)構(gòu)，高壓旋噴樁補(bǔ)強(qiáng)采用了以下措施.

（1）調(diào)整施工參數(shù).高壓旋噴樁上部6.0 m壓力為15 MPa，下部壓力為20 MPa；上部6.0 m水泥為140 kg/m，下部為195 kg/m；提升速度：20~25 cm/min，旋轉(zhuǎn)速度：20 r/min；水泥漿摻1%的早強(qiáng)型高效減水劑.

（2）樁長(zhǎng)調(diào)整.高壓旋噴樁提管至碎石注漿樁帽板以下1.0 m時(shí)停止壓力注漿；軌道下方五排高壓旋噴柱樁端進(jìn)入持力層后上提1.0 m后開始噴漿提管；路肩處兩排高壓旋噴樁樁端進(jìn)入淤泥質(zhì)黏上層2.0 m.

（3）施工順序.施工順序嚴(yán)格按照從臺(tái)背向路基、先中間后兩側(cè)的順序施工.為避免或減少土體上拱引起地面隆起，樁機(jī)采用隔排布置施工［3］.

（4）在臺(tái)背增加減壓措施.在臺(tái)背后設(shè)置130 mm直徑的應(yīng)力釋放孔三個(gè)，孔深距原地面下15.0 m，孔內(nèi)填碎石.臺(tái)背后第一排高壓注漿后，才能施工第二排.

（5）沉降及位移觀測(cè).施工期間加強(qiáng)沉降及位移觀測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)物或路基出現(xiàn)較大變形時(shí)立即停止施工，調(diào)整施打順序后才能繼續(xù)施工.位移測(cè)量精確到0.1 mm，每個(gè)樁必須監(jiān)測(cè)高程和水平變形.每次觀測(cè)監(jiān)控位移和高程變化控制在2 mm，觀測(cè)間隔時(shí)間6 h.在施工樁的樁位附近每天4次，其余按每天2次進(jìn)行檢測(cè).累計(jì)變形達(dá)6 mm或路基變形達(dá)10 mm時(shí)立即停止施工，調(diào)整施工方案.注漿過程中對(duì)注漿孔附近觀測(cè)點(diǎn)每小時(shí)觀測(cè)一次.

6 補(bǔ)強(qiáng)加固處理效果

采用高壓旋噴樁加固原碎石注漿樁施工區(qū)域，施工期間路基從下沉到穩(wěn)定、地表上升再到穩(wěn)定后，隨著高壓旋噴樁強(qiáng)度不斷發(fā)育，其承載能力逐步得到體現(xiàn)，路基沉降得到有效控制.

6.1 沉降觀測(cè)方案

高壓旋噴樁施工期間沉降觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，沿縱向4.0~5.0 m設(shè)置一個(gè)斷面，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)物、緊靠臺(tái)背斷面、碎石注漿樁與管樁相鄰斷面、間隔5 m的管樁斷面，也要設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，橫斷面每根鋼軌上各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn).

6.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

本次沉降觀測(cè)歷時(shí)83天，每個(gè)施工段落布設(shè)了路基、軌面、護(hù)道（路基坡腳）觀測(cè)樁.沉降觀測(cè)曲線如圖1所示.

圖1 加固補(bǔ)強(qiáng)后沉降觀測(cè)曲線

由圖1可知，旋噴樁施工完成初期，路基和軌面部分趨于穩(wěn)定，后期出現(xiàn)上升，最大上升2 mm.加固施工完成后4周內(nèi)沉降速率較大，第5周后沉降趨于穩(wěn)定，最大沉降量15 mm.

7 結(jié)論

采用碎石注漿樁加固軟土具有施工簡(jiǎn)單、可以避免擠土效應(yīng)，減少對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的影響，能提高土體的側(cè)阻強(qiáng)度，改善土體力學(xué)性質(zhì).但如果軟基地下水發(fā)育、承載力極低、厚度太深，則成樁過程難以控制縮孔、塌孔等情況，影響成樁質(zhì)量.

對(duì)于出現(xiàn)沉降偏差較大且不收斂的情況，及時(shí)采用高壓旋噴樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理，建議從持力層開始噴漿提管，并在后期提管時(shí)注意適當(dāng)降低噴漿壓力，距地面50 cm左右停止噴漿，防止地面隆起產(chǎn)生其他破壞.通過補(bǔ)強(qiáng)加固，強(qiáng)化了地基基礎(chǔ)，提高地基承載能力，控制了路基的工后沉降［4］.實(shí)踐證明，采用高壓旋噴樁控制工后沉降、治理沉降不收斂的問題，已取得良好的效果，補(bǔ)強(qiáng)加固措施是合理的、工藝是可以控制的，加固效果是滿足要求的.