祁衛(wèi)軍，朱家勝，崔 陽，孫 駿，劉菲菲

（1.淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；2.浦口區(qū)水務(wù)局，江蘇 南京 210000）

由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形或滲透破壞，如土層剝落、地面隆起、在向上水流作用下土顆粒懸浮、細(xì)顆粒被水帶出以及出現(xiàn)集中滲流通道等［1］。堤防險(xiǎn)情中出現(xiàn)的滲漏或滲透破壞可通過“上堵下排”來改善，眾多垂直防滲型式中高壓噴漿成墻法具有適用地層范圍廣，施工機(jī)具輕便，有利于避免施工干擾的優(yōu)點(diǎn)［2］。高壓噴射灌漿技術(shù)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、破壞地層土體，并以水泥基質(zhì)漿液充填、摻混其中，形成樁柱或幕墻狀凝結(jié)體，用以提高地基防滲或承載力的施工技術(shù)，簡稱高噴灌漿或高噴。使噴射管做旋轉(zhuǎn)、提升運(yùn)動，在地層中形成圓柱形樁體的高噴灌漿施工方法叫旋噴［3］。

近些年，高壓旋噴灌漿技術(shù)已被廣泛用于各類防滲處理和地基處理。國內(nèi)學(xué)者對高壓旋噴樁的應(yīng)用做了大量研究，賈敬立［4］提出復(fù)雜地質(zhì)條件下水泥土攪拌樁存在缺陷時，通過原位增設(shè)高壓旋噴樁保證防滲墻連續(xù)性，達(dá)到堤防防滲效果；戎雷［5］通過研究不同地質(zhì)條件下采用不同組合形式的高壓噴射灌漿技術(shù)，即雙管高壓旋噴法、雙管高壓擺噴直線搭接法、雙管高壓擺噴折線搭接法等，指出在防滲搶險(xiǎn)工程中高壓噴射灌漿技術(shù)具有很大的適用性優(yōu)勢；湯林偉［6］從高壓旋噴灌漿原理、主要施工工藝及技術(shù)措施，施工質(zhì)量等角度介紹高壓旋噴灌漿技術(shù)在砂卵石覆蓋層中的應(yīng)用；戚玉亮［7］通過提出高壓旋噴微型鋼管素混凝土樁基礎(chǔ)加固方法，解決了深度較大的軟土地基承載力不足問題。目前對于高壓旋噴樁的原理和應(yīng)用的相關(guān)研究較多，但是對于實(shí)際施工中出現(xiàn)樁身開裂問題研究較少，本文基于具體工程實(shí)例，分析高壓旋噴樁施工過程中樁身開裂原因和對堤身穩(wěn)定性影響，并提出高壓旋噴樁設(shè)計(jì)和施工的改良措施。

1 工程概況

1.1 堤防現(xiàn)狀及險(xiǎn)情介紹

陳橋河為滁河一級支流，位于浦口區(qū)湯泉街道，堤防等級4 級。陳橋河現(xiàn)狀堤頂高程為13.21~14.75 m（吳淞高程，下同），寬為6.5 m，迎水坡現(xiàn)狀坡比為1∶2.0~1∶2.5，背水坡坡比為1∶2.0~1∶3.0。堤防背水坡高程10.95 m 處建有寬8 m 平臺。根據(jù)該堤防管理單位反映，附近白蟻雖經(jīng)滅殺，但堤身底部范圍仍存在白蟻穴。

2020年7月陳橋河最高水位達(dá)13.00 m，受迎水坡高水位影響，陳橋河右岸堤防背水坡坡腳出現(xiàn)1 處滲漏點(diǎn)，滲漏點(diǎn)高程約為7.95 m，且不斷有水從坡腳滲出，滲漏情況較為嚴(yán)重。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)地勘成果，險(xiǎn)工段下主要土層分布分別為：①素填土，主要成份為粉土夾粉質(zhì)黏土組成，局部混少量碎石、植物根系等，填齡大于5年，不均質(zhì)，分布范圍為14.60~7.50 m；②-A 粉質(zhì)黏土，含少量腐殖質(zhì)，切面稍光滑，無搖震反應(yīng)，韌性中等，高壓縮性，中等強(qiáng)度，分布范圍為7.50~-4.58 m；②粉質(zhì)黏土，黃褐色~灰色，可塑，局部硬塑，含少量Fe、Mn質(zhì)氧化物，局部夾少量粉土，干強(qiáng)度中等，韌性中等，中等壓縮性，中等強(qiáng)度，分布范圍為-4.58 m 以下。根據(jù)物理試驗(yàn)，②-A 粉質(zhì)黏土含水量w為32.9%，液限wL為33.2%，塑性指數(shù)IP為15.3，孔隙比e為0.981，按規(guī)范雖劃分為粉質(zhì)黏土，但其性質(zhì)已與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土接近。土層主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土層主要物理性質(zhì)指標(biāo)

1.3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)②-A 土層特點(diǎn)，以滲漏點(diǎn)為中心點(diǎn)，防滲范圍向兩側(cè)各延伸50 m，即樁號CS3+840~CS3+940段堤防采用高壓旋噴灌漿處理，共計(jì)100 m。設(shè)計(jì)采用兩管高壓旋噴灌漿，單排布置旋噴樁，孔距為0.5 m，設(shè)計(jì)高壓旋噴樁直徑為0.6 m，成墻厚度為0.3 m，樁頂高程為13.70 m［3］，樁底高程為5.0 m。設(shè)計(jì)漿壓力為25~40 MPa，進(jìn)漿量為70~150 L/min，漿液密度為1.35~1.7 g/cm3，回漿密度大于1.25 g/cm3，其余參數(shù)均符合設(shè)計(jì)規(guī)范值［3］，堤防防滲兼顧斷面見圖1。

圖1 堤防加固斷面（高程單位為m，其余為mm）

2 施工中出現(xiàn)的問題及原因分析

經(jīng)過試樁，確認(rèn)當(dāng)漿壓力為30 MPa 時，滿足設(shè)計(jì)樁徑和防滲墻有效厚度要求。險(xiǎn)工段進(jìn)行噴漿施工時，具體問題表現(xiàn)為：（1）迎水坡堤肩側(cè)道路出現(xiàn)隆起抬動，與原堤肩相接處出現(xiàn)明顯裂縫；（2）灌漿過程中，迎水坡高程10.86 m 附近持續(xù)出現(xiàn)水泥漿冒出地面情況，此時回漿量減少，低于設(shè)計(jì)要求值；（3）當(dāng)一序孔完成高壓旋噴灌漿后，準(zhǔn)備進(jìn)行二序孔施工時，發(fā)現(xiàn)樁中心附近出現(xiàn)開裂，縱縫寬度約有2 cm，布滿已施工的險(xiǎn)工段，經(jīng)開挖發(fā)現(xiàn)，裂縫沿深度方向開展至少2 m。

注漿能使?jié){液與地層產(chǎn)生置換、擠密、填充等物理化學(xué)變化。旋噴壓力、鉆機(jī)提升速度、旋噴樁施工順序、被加固土體的滲透系數(shù)及模量等都與地表隆起有關(guān)［8-9］。當(dāng)土體內(nèi)存在裂隙及其他軟弱結(jié)構(gòu)面時，高壓注漿會在軟弱結(jié)構(gòu)中脈狀擴(kuò)散，注漿漿液更容易對被注巖土體的原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的破壞，形成劈裂效應(yīng)，漿壓力增大到一定程度后，便會出現(xiàn)上抬［10-11］。高壓旋噴灌漿時串漿一般伴隨堤身內(nèi)部劈裂面的形成而產(chǎn)生［12］。由于高壓旋噴漿壓力較大，本次施工中出現(xiàn)的問題均為高壓旋噴灌漿產(chǎn)生的抬起效應(yīng)和劈裂效應(yīng)表現(xiàn)。

3 堤身穩(wěn)定分析

3.1 計(jì)算模型

為進(jìn)一步研究劈裂效應(yīng)發(fā)生時，靜止?jié){液對堤身穩(wěn)定影響，通過查閱規(guī)范［13］發(fā)現(xiàn)，土石壩在劈裂灌漿工程中，由于劈裂灌漿壩體沿軸線劈裂很長，所以漿液未固結(jié)時為最不利情況，需要對此工況進(jìn)行壩體穩(wěn)定性驗(yàn)算。由于高壓旋噴樁施工時較大的漿壓力，堤身內(nèi)部局部劈裂狀態(tài)下的靜止?jié){壓力分布與劈裂灌漿類似，這里借助軟件AutoBank7.7建立漿液凝固前的堤身內(nèi)部潛在滑體受力模型，進(jìn)行有限元分析，對此狀態(tài)下的堤身進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核。

施工時高壓旋噴樁位于堤頂偏迎水坡側(cè)，以高壓旋噴樁為分界線，取發(fā)生位移的迎水坡側(cè)堤身為研究對象進(jìn)行計(jì)算，利用Autobank7.7的壩面水壓力荷載選項(xiàng)，將凝固前的漿壓力按三角形分布加載到劈裂縫側(cè)面，并設(shè)置荷載的“液體容重”為灌漿容重，此處取設(shè)計(jì)漿液容重平均值15 kN/m3，計(jì)算斷面模型見圖2。

圖2 計(jì)算斷面模型（單位：m）

3.2 計(jì)算結(jié)果

為更直觀對比分析高壓旋噴灌漿前后堤身迎水坡穩(wěn)定，選取灌漿前（工況1）與灌漿后漿液凝固前（工況2）進(jìn)行計(jì)算，由于施工期水位較低，兩種工況計(jì)算均不考慮滲透壓力。

堤防等級為4 級，采用瑞典圓弧法計(jì)算抗滑穩(wěn)定計(jì)算時，施工期安全穩(wěn)定系數(shù)不小于1.05。經(jīng)計(jì)算，工況1 邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.056，滿足規(guī)范要求，見圖3；工況2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.956，小于規(guī)范要求值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，堤身將發(fā)生滑動，見圖4。

圖3 灌漿前迎水坡施工期穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果（工況1）

圖4 漿液凝固前迎水坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果（工況2）（單位：m）

3.3 相關(guān)分析

（1）之前白蟻穴的存在等因素，②-A 土層孔隙比較大，堤身內(nèi)部土質(zhì)疏松；同時加上高壓旋噴施工時漿壓為30 MPa，高壓漿液形成高速噴射流束，沖擊、切割、破壞地層土體，迎水坡與堤肩裂縫均有返漿，此時堤身出現(xiàn)劈裂效應(yīng)，路面出現(xiàn)抬起效應(yīng)。

（2）局部堤身出現(xiàn)劈裂情況后，漿液在凝固前，由于自重影響，對迎水坡堤身產(chǎn)生水平推力，同時漿液由于漿壓力的影響也會從其他地方孔洞流出，堤身內(nèi)部部分土體同時受到滲透壓力和浮托力的影響，土體實(shí)際抗剪指標(biāo)下降，堤身的穩(wěn)定性降低，迎水坡局部堤身發(fā)生微弱位移，樁身在凝固成型前發(fā)生開裂。

（3）高壓旋噴灌漿不同于大壩的劈裂灌漿，由于樁體是按序間隔施工，劈裂的縱縫不能在同一時刻完全貫通堤防，實(shí)際施工當(dāng)漿液凝固時，對抗滑不利的側(cè)向漿壓力消失，取而代之的是對堤身抗滑有利的黏聚力，此時高壓旋噴樁可增加堤身穩(wěn)定性，這點(diǎn)也可從工況2 抗滑穩(wěn)定系數(shù)小于1.0，堤防卻沒有大面積滑動看出。

4 處理方案

本次工程中發(fā)生上述情況后，施工單位重新試樁，在保證成墻厚度的前提下降低漿壓力，同時將樁中心線由原先偏迎水坡側(cè)移動至堤防中心線位置，增大潛在滑體質(zhì)量與整體性。在此基礎(chǔ)上，也可適當(dāng)增大相鄰鉆孔施工間隔時間［9］，增加速凝劑管路［14］，通過深層攪松處理［15］的方式，使回漿通道保持暢通，避免出現(xiàn)劈裂效應(yīng)，確保成樁質(zhì)量和防滲效果。

施工完成后采取開挖方式檢查成墻效果，開挖后發(fā)現(xiàn)重新施工的防滲墻樁身完成沒有裂縫，搭接厚度滿足設(shè)計(jì)要求，防滲墻具有較高的一致性和連續(xù)性，后續(xù)檢測結(jié)果也同樣表明最終成樁滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語

高壓旋噴樁施工過程中受堤身土質(zhì)、灌漿壓力、樁身位置等各方面因素影響，堤身出現(xiàn)局部劈裂效應(yīng)和路面抬起效應(yīng)；在漿液凝固前，受靜止?jié){壓力影響，堤身穩(wěn)定性降低，迎水坡發(fā)生局部微弱滑動，導(dǎo)致樁身在凝固成型前發(fā)生開裂。施工過程中應(yīng)控制漿壓力，盡量避免產(chǎn)生劈裂效應(yīng)，確保高壓旋噴樁完整性。