高压旋喷桩在水闸地基沉降加固处理中的应用

　　摘要:本文结合水工建筑物软弱地基加固处理的工程实例，介绍了高压旋喷桩施工技术的适用条件和范围、成桩的工艺机理、工程设计和施工的方法、以及主要的质量控制措施，对于类似工程的地基处理可供参考。

　　关键词:高压旋喷桩,地基加固,沉降,水闸,工程技术

　　1 工程概况

　　某水闸位于陕西渭北黄土塬地区一小河道岸坡，为开敞式泄水闸，由上下游翼墙、闸室和泄水渠道组成，坐落在厚层黄土地基之上。上下游翼墙为浆砌石重力式挡土墙，闸室为单孔，钢筋混凝土整体结构，水闸底板为驼峰堰曲面形式。由于河道长期干涸了，闸前水位大幅度降落后，水闸的翼墙和闸室出现沉降现象，发展比较迅速，在三个月内上游东侧翼墙沉降156--215mm，东侧下游翼墙和西侧上下游沉降20--35mm，闸室整体沉降18mm，左右不均匀沉降20mm。沉降导致伸缩缝不同程度张开，进水渠混凝土底板翘起、断裂，与下部地层脱离，西边墙与土质边坡之间出现缝隙，继续发展将导致翼墙倾斜，闸室开裂或损坏，闸门不能够正常使用。

　　2 原因分析

　　为了全面了解地层结构特征，分析判断水闸地基沉降变形的原因，为处理加固方案的确定提供依据，首先进行了地质物理探测，再根据物理探测结果在水闸四角布设四个地质勘探钻孔，勘探深度达到40米。

　　勘探结果表明，水闸地基由第四系风洪积黄土、黄土状壤土和古土壤组成，建筑物基础以下2.5～9.5m地层，呈软可塑状，标准贯入锤击数N=2～8击，平均承载力只有55kpa，承载力明显偏低，地基土的压缩系数a1-2=0.32～0.44Mpa-1，压缩模量Es=4.64～6.24Mpa，属中等压缩性土，地基土压缩变形量较大，同时局部存在小型空穴和渗漏通道。综合分析，基础下存在厚达7米的不良地层是导致水闸沉陷的主要原因。另外，由于河道长期干涸，水闸前地下水位降低，减小了浮托力，而在东侧堆积土方又增加了附加荷载，加速了水闸东北侧的沉降。

　　3 处理方案选择

　　经过方案比较，高压旋喷桩以其适合处理松散、软弱土层地质条件，如第四纪冲(洪)积层、残积层、淤泥和人工填土等，在黄土、粉土、粘性土和砂类土中易取得较好的效果，特别适用于加固已建成建筑物地基，不受地下水影响，适合不同深度地层、桩长基本不受限制，施工技术成熟而且操作简便、工程质量可靠，施工机械体型小适合狭窄环境、可靠近建筑物施工，无振动噪音小、对已有建筑物无损伤等优良特点，因此选作该水闸地基沉降加固处理的方法。

　　4 高压旋喷桩工艺

　　高压旋喷桩基础施工首先在建筑物地基的地层内钻成直径小于100mm的钻孔，穿过不良土层到设计持力层深度后，再换成高压喷头进行旋喷桩施工，随后可在土层中形成较大直径的桩体，作为建筑物桩基础，可独立承担或与坚固的土层组成复合地基承托建筑物荷载，迅速消除基础沉降变形。

　　成桩机理：高压旋喷桩基础处理是把注浆管置入土层后，在20-40Mpa的压力下使喷嘴侧向喷出高压射流，在钻机的操作控制下，让喷射头在缓慢旋转的同时缓慢提升，使高压射流在螺旋形上升的过程中环向切割、破坏周围的土体，扩大钻孔，形成圆柱形空间。被切割剥落下来的一部分较细小的土粒被喷射浆液所置换，随液流沿钻孔流出地表，其余土粒在喷射动力、离心力和重力的共同作用下，在横断面上重新排列，四周未剥离的土粒则被挤密压缩，在砂类土中还有一部分浆液渗透到压缩层外面，形成一层硬壳，浆液固结后形成桩体。土粒置换有全置换和半置换两种方式，全置换是先将被冲下的土全部排出地表，形成的空间用其他材料充填，形成固结桩体;半置换是被冲下的土部分排出地表，余下的和射流浆液搅拌混合后形成混合凝固桩体。本工程采用水泥浆液半置换旋喷，最终形成了水泥土混合桩，达到置换软弱地基的目的。

　　5 基础处理设计

　　高压旋喷桩设计的程序和主要内容：根据地质条件与建筑物特征以及地基处理的目的，选定喷射的方法、选定浆液的类型与配比、设定桩体的性能、进行桩体的布设和尺寸的设定、设定旋喷注浆技术参数、选择设备与机具、进行现场旋喷桩试验、试验检测、在施工参数和试桩质量达到设计要求后开展施工。

　　由于水闸基础下2.5～9.5m为软可塑状风洪积黄土、黄土状壤土和古土壤地层，承载力低下，而且具有较高的可压缩性，不能承托上部建筑物，但是在10.5～39米地层呈硬塑及硬可塑状态，标准贯入锤击数N=12～17，承载力大于110kpa，具有较低的压缩性，可以作为水闸的基础持力层。因此，设置旋喷桩穿过软弱地层到持力层，作为新基础承载上部建筑物，消除水闸沉降现象，是该项地基加固工程的主要目的。

　　5.1材料和配比：根据现场土层性质并结合类似工程经验，采用单管旋喷法，选择水泥浆作为喷射浆液，水泥采用普通硅酸盐水泥，标号PC32.5R，进行实验室浆液配制后，确定水灰比为1:1。为了提高浆液性能和早期强度，旋喷施工时在水泥浆液中添加0.03%～0.05%的三乙醇胺和0.5%的氯化钠。按照技术要求，水泥土混合桩固结体的抗压强度一般应大于大于3～5Mpa。

　　5.2承载力计算：旋喷桩的承载力取决于土的阻力和桩体的强度，一般可近似采用钻孔灌注桩承载力的计算方法进行设计，再在试桩后采用静荷载试验进行校核，最终确定桩基参数。

　　旋喷桩基的承载力计算应符合以下极限状态设计表达式：

　　桩基受轴心荷载时：r0N≤Rd

　　桩基受偏心荷载时除应符合上式外，尚应符合：r0Nmax≤1.2Rd

　　式中 N--桩基竖向荷载设计值(KN) N=(F+G+m)/n ;

　　Rd--桩基的竖向承载力设计值(KN) Rd=Qsk/rs+ Qpk/rp;

　　r0--建筑物桩基重要性系数;

　　F—作用于桩基承台顶面的竖向设计荷载(KN);

　　G—桩基承台和承台上的土体自重设计值(KN);

　　m—软弱土层因为自身沉降在桩体增加的附加荷载(KN);本工程由于软弱土层呈软塑状态，含水量饱和，所以只考虑10%-20%的附加值，以提高保证率;

　　n—桩基中的桩数;

　　Qsk—单桩总极限侧阻力标准值(KN)，Qsk=U∑qskiLsi U为桩身周长，qski为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值(kpa)，数值与土的状态和造孔方式有关，可通过试验或参考有关资料确定，由于旋喷桩外表较钻孔灌注桩粗糙，实际数值会偏大，Lsi为桩穿越第i层土的长度;

　　Qpk--单桩总极限端阻力标准值(KN)，Qpk=qpkAp qpk为桩极限端阻力标准值(kpa)，数值与土的状态和造孔方式有关，可通过试验或参考有关资料确定，Ap为桩桩底面积;

　　经反复计算及调整，并结合类似工程的经验，确定旋喷桩的直径为600mm，建筑物基础以下桩长为15m，其中下端6米嵌入良好持力土层，作为摩擦桩承担并向地基传递上部荷载，以替代原有的不良土质地基。

　　5.3 桩基布设：水闸的翼墙和闸室为两种不同的建筑结构，因此，根据其特点分别布桩。翼墙为梯形断面的浆砌石挡土墙，长条形基础，为了使其重心能够落在桩基支撑的中心位置，在今后不产生前后倾斜现象，在翼墙前后两侧各布置一排旋喷桩，梅花形布置，以伸缩缝之间的挡墙作为一个独立单元布设，桩距200cm，距墙两端60cm，排距200cm，在沉降较大的北侧挡墙下增加桩孔，桩距125～180cm。由于钻机机械结构原因，内排桩中心只能在翼墙基础外15cm位置，为了增大支撑范围，将内排桩上端3m长桩体的直径扩大到800mm，同时将外排桩布置在挡墙基础1.5m之内，可以使桩有效地支撑墙体，避免落空。

　　闸室为整体钢筋混凝土结构，长方形整片筏式基础，除有1.5米厚的石灰土碎石基础外，底板厚度1.5米至2.5米，可以作为桩顶承台支撑上部结构。闸室是本次地基加固的重点部位，为了增加承载力，同时使闸室各部位荷载均匀分布，除沿闸墩内外侧各布置一排旋喷桩外，另在底板(溢流堰)中部均匀布设了12个桩。沿闸墩两侧的旋喷桩桩距为200cm，排距为150cm，底板中部的桩距和排距均为200cm。

　　6 高压旋喷桩施工

　　旋喷桩施工班组由项目技术负责人、施工技术员、沉降观测员、质检员、钻机旋喷操作工、压裂泵操作工、灰浆拌合工、机电工及材料供应等人员组成，需要整体协作，互相配合。

　　施工工艺流程：施工准备→测孔定位→机具就位→钻孔至设计标高→旋喷开始→提升喷嘴旋喷注浆→施喷结束→钻机移位到下一桩位→回填空穴和封孔。

　　施工工艺参数：普通硅酸盐水泥标号PC32.5，水灰比1:1，喷嘴为1×φ2.6mm，喷射压力25Mpa，喷射钻头旋转速度28r/min，提升速度20-23cm/min，泵送量70L/min，输浆钢管直径32mm。

　　施工设备：主要设备有ACF700型压裂泵、MGJ-50型高压喷射钻机、JP-800制浆机各一台以及其他配套的辅助设备。为了在混凝土和浆砌石中钻孔，又配备了150kw发电机、7.5Mpa压力的12m3空压机，以及直径90mm的潜孔钻头。

　　由于旋喷桩位于混凝土或浆砌石建筑物下方，钻孔分为两步。首先在准确测孔定位、钻机就位后，使用潜孔钻将混凝土或浆砌石钻穿，再换成高压旋喷喷头，用钻机下放到孔内，然后用压裂泵输送清水，由喷头底端的喷口喷射出高压水流，随着喷头不断下放，在高压水流冲击下在土层中形成钻孔。钻孔达到设计标高后，拌制浆液，封闭喷头底端喷口，使侧向的高压喷嘴处于工作状态。在各项准备工作就绪后，由压裂泵输送高压水泥浆液，浆液从高压喷嘴喷出，待喷口压力达到设计值后，按照设定的旋转速度和提升速度连续不断的进行旋喷作业，直到孔口后停止旋喷作业，然后用清水冲洗设备和管路，钻机移位到另一孔进行下一孔的作业。对桩上部变粗部分，采用复喷1-2次的方式扩大桩径。

　　旋喷桩混合浆体在固结过程中会析水收缩，在桩顶形成凹穴，要随时灌填浆液，或采用水灰比为1:2的水泥浆回填，直到不再下陷。处于建筑物下面的水平空隙，可另外进行注浆，使其灌填密实。

　　旋喷作业会对建筑物产生附加沉降量，为了防止过度沉降，采用两序跳孔的作业方式，在每班作业的同时进行沉降观测，发现有较大附加沉降时应停止作业，间隔一段时间后再继续作业。

　　在旋喷作业过程中，拌制浆液应连续、均匀，浆液必须用1mm的小孔径筛网过滤，防止堵塞喷嘴，管路连接必须牢固，密封可靠，安全阀必须灵敏可靠，以防止发生爆管或安全事故。在喷射作业结束前，应时刻注意观察，防止高速射流伤害到工作人员。压裂泵最好采用调频电机，这样可以用调频控制器方便地调节电机转速，从而适时地调整喷射压力。

　　7 质量控制

　　(1) 在旋喷桩设计时，必须采取现场各层土样，在实验室按照不同的含水量和配合比进行试验，优选确定最合理的浆液配方。固结桩体的尺寸和强度主要取决于土的类别和密实程度、注浆类型、喷射技术参数(包括喷射压力、注浆流量、喷嘴直径、提升速度和旋转速度)，原材料及水灰比，对于规模较大或重要的工程，应进行现场试验，验证设计及操作的可靠性和安全度。

　　(2) 应精确测放孔位，偏差不大于20mm，孔深不小于设计值;检测水泥质量，不能使用不合格或受潮的水泥，浆液浓度用水泥浆比重计测量，保证水泥和添加剂配比标准;每班进行桩体浆液取样，制成试块，进行强度检测。按照设计要求的技术参数操作，在发现硬质土层、回流浆液变稀、缩桩或断桩情况时，要及时降低提升速度，或进行复喷;

　　(3) 旋喷桩质量检测可按照桩基础技术规范，采用开挖、钻孔取样、平板静荷载试验、以及其他非破坏性试验方法检测质量;

　　(4)在桩径小于设计值时，可以采取加大压力、加大喷嘴孔径、提高喷射流量、降低提升速度及旋转速度或进行复喷的方法解决，也有采用加长喷嘴长度、增加附设喷嘴方式解决的;固结体强度较低的，可提高水泥标号或适当降低水灰比。总之，可以采取单独措施或综合措施，保证旋喷桩质量。

　　8 处理效果

　　采用高压旋喷桩加固处理后，经观察和沉降观测，水闸各部位在第一个月内沉降了2-3mm，第二个月沉降了0.4-1.1mm，没有发生不均匀沉降。在此后的两年以内，水闸经历了多次水位涨落运行，各部位相对没有变形，伸缩缝开张不再发展，翼墙顶部栏杆没有出现裂纹等因基础变形出现的损伤现象，水闸周边没有出现渗水现象，经观测后不再沉降变形。说明基础经高压旋喷桩置换加固处理后，沉降已经停止发展，效果明显，消除了软弱地基对建筑物的不利影响。

　　9 结束语

　　高压旋喷桩基础处理技术在我国发展于上世纪七十年代，被广泛应用于工业与民用建筑、铁路和公路、地铁等工程的基础处理、边坡治理以及基坑支护等方面。通过本次水闸软弱地基加固处理工程的实践，证明高压旋喷桩施工技术同样可在水利工程中取得显著的效果，而且尤其适合于已建水工建筑物的基础处理。此外，将旋喷桩做成连续板墙或由高压喷射形成防渗帷幕，在水工建筑物防渗工程中也会起到良好的成效，这项工程技术将在水利工程中有广泛的应用。

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