張舉鵬，高鵬遠(yuǎn)，許曉建，范光輝，葛 夏

（1. 甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 710010；2. 石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；3. 中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089；4. 中咨公路養(yǎng)護(hù)檢測(cè)技術(shù)有限公司，北京 100089；5. 中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

近年來(lái)，隨著科技水平的不斷提高，地基處理領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)得到較大發(fā)展，特別是關(guān)于軟土地基的處理的研究日益深入。高壓旋噴樁復(fù)合地基處理法作為軟土地基處理的常用方法，以其靈活實(shí)用的特點(diǎn)，在加固地基方面得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在黃土地區(qū)涵洞和隧道工程中的基底加固更是成為了熱門選擇。黃土具有強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、水敏性強(qiáng)的特點(diǎn)，在工程上易導(dǎo)致眾多病害，進(jìn)而威脅工后安全運(yùn)營(yíng)。采用旋噴樁加固軟弱地基能夠與周圍土體形成具有更高承載力的復(fù)合地基，可有效改善黃土地基承載力不足，沉降變形過(guò)大的缺點(diǎn)，對(duì)于土體抗?jié)B性也有提升。由此，國(guó)內(nèi)大量學(xué)者做了相關(guān)研究，取得了豐富的成果。劉平平［1］利用聚丙烯管進(jìn)行模型試驗(yàn)，模擬水泥樁來(lái)研究得出復(fù)合地基樁身軸力的變化規(guī)律。李小杰［2］通過(guò)計(jì)算分析，討論了承壓板下試驗(yàn)樁數(shù)、加固深度與承臺(tái)寬度的比值、及不同計(jì)算方法對(duì)地基沉降的影響。賴金星［3］依托大酉山黃土隧道地基加固的實(shí)際工程，采用數(shù)值模擬對(duì)旋噴樁加固基底后黃土隧道的工后變形及加固效果進(jìn)行分析，總結(jié)得出旋噴樁對(duì)控制黃土隧道變形效果顯著。吳紅剛［4］通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)黃土路基斜向旋噴樁進(jìn)行研究，得出了不同角度下的斜向旋噴樁的受力特征及變化規(guī)律。賈劍青［5］利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)旋噴樁復(fù)合地基承載能力和沉降狀況做了分析并得出相關(guān)規(guī)律，指出現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件對(duì)承載力的影響。Kauschinger 等［6］經(jīng)過(guò)大量實(shí)際工程的積累，總結(jié)出了旋噴樁成樁半徑的經(jīng)驗(yàn)公式。Meyers J 等［7］通過(guò)對(duì)高壓噴射注漿技術(shù)處理公路邊坡實(shí)際工程的研究分析，得出高壓噴射注漿技術(shù)對(duì)提高邊坡的穩(wěn)定性具有顯著效果的結(jié)論。 Wu Y D［8］依托某高速公路旋噴樁加固工程，通過(guò)對(duì)旋噴樁加固效果加以分析總結(jié)出路基沉降的變化規(guī)律。Wong I H 等［9］通過(guò)分析旋噴樁施工過(guò)程中對(duì)周圍土及建筑的影響，得出旋噴樁加固開挖基坑可有效降低坑壁變形的結(jié)論。

近年來(lái)黃土區(qū)涵洞及隧道的基底多采用高壓旋噴樁加固方法，然而，加固后的復(fù)合地基承載力特征值多介于 150～250 kPa，對(duì)更高承載力的高壓旋噴樁復(fù)合地基尚無(wú)文獻(xiàn)可參考。有鑒于此，本文以蘭州新區(qū)某連接線互通立交箱型涵洞旋噴樁復(fù)合地基加固為依托，通過(guò)提高注漿壓力及控制較低的轉(zhuǎn)速來(lái)提升地基承載力，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)高壓旋噴樁復(fù)合地基的承載能力進(jìn)行分析。

1 旋噴樁加固原理

高壓旋噴樁是將水和水泥漿混合物或其他流體（空氣、水）通過(guò)注漿管上的小直徑噴嘴以極高的速度噴射到地基土中，漿液在高壓作用下會(huì)切削和破壞土體，與其形成一種新的水泥—土體結(jié)構(gòu)，注漿管以恒定速率旋轉(zhuǎn)，并緩慢向上提升，一段時(shí)間后，注入的漿液在地下凝固，最終形成具有高強(qiáng)度的圓柱形的膠結(jié)土體。

注入的流體進(jìn)入土體前以極大的速度從噴嘴噴出，由于高壓噴射流沖擊土體時(shí)的能量消耗，噴射流的速度沿著噴射的方向產(chǎn)生變化，靠近噴嘴處的噴射流近似于恒定速度v0，而在距離噴嘴較遠(yuǎn)處，由于漿體的黏性，部分能量轉(zhuǎn)移到周圍的水泥—土體結(jié)構(gòu)中，噴射流全橫截面的速度都會(huì)有一定程度的降低。

噴射流速度vx及其最大值vxmax見(jiàn)式（1）［10］。

式中：v0為噴嘴處的噴射流速度，m/s；Λ為不同噴嘴形狀的系數(shù)；N為噴射泥漿黏度ξf和水的黏度ξw之比（N=ξf/ξw）；d0為噴嘴直徑，m；vx為噴射流速度，m/s；r為表示噴射流橫截面外邊緣到噴射流中心軸的距離，m；x為表示噴射流距噴嘴的距離，m。

在距離噴嘴x處，噴射流橫截面的等效半徑req可通過(guò)使方程（2）中的vx/vxmax=ξ獲得，見(jiàn)式（3）。

式中：req為噴射流橫截面的等效半徑，m；ξ為噴射流速度與其最大值之比。

因此，噴射流橫截面積見(jiàn)式（4）。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，對(duì)于給定的x值，可假設(shè)噴射流速度vx在整個(gè)橫截面上都是恒定的，等于等效噴射流速度veq，見(jiàn)式（5）。

式中：c為土壤黏聚力，kPa；k＇為噴射流速度的校準(zhǔn)系數(shù)。

既有研究［11-13］表明，高壓噴射流在推進(jìn)的過(guò)程中，由于沖蝕能力的降低，噴射流的速度隨與噴嘴距離的增大而減小，最終會(huì)存在一個(gè)極限距離，此時(shí)噴射流不能夠侵蝕并破壞土體，這個(gè)距離就近似于旋噴樁半徑。

等效噴射流產(chǎn)生的單位橫截面上的力ψ見(jiàn)式（7）。

式中：γf為注入漿體的重度，kN/m3；vf為沖擊點(diǎn)處的噴射流速度，m/s；Ω1為考慮能量消耗的參數(shù)。

對(duì)于顆粒較小的黏性土，漿體不會(huì)滲入土體孔隙，土體表現(xiàn)為連續(xù)體。因此，假設(shè)土壤不排水破壞，以總應(yīng)力進(jìn)行分析。根據(jù)土體強(qiáng)度，定義一個(gè)極限噴射流速度vL，表示能夠侵蝕土體的最小速度。參考 Dabbagh 等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Vc可用經(jīng)驗(yàn)式（8）表示，這里vf與式（5）中的veq取值相等。

式中：α為一個(gè)取決于土壤類型的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

土體單位面積阻力ψc取決于其不排水黏聚力cu，見(jiàn)式（9）。

式中：Ω3為一個(gè)聯(lián)系土壤阻力與土壤強(qiáng)度cu參數(shù)。

當(dāng)式（7）中的等效噴射流壓力Ψ等于土體阻力Ψc時(shí)，噴射流速度vf達(dá)到極限值vL，vL值取決于土壤強(qiáng)度cu，見(jiàn)式（10）。

式中：Ωc（=Ω3/Ω1）是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估的參數(shù)。

令極限速度VL等于由式（5）計(jì)算的等效噴射流速度veq，則可得到理論最大旋噴樁半徑Rmax。

2 工程應(yīng)用

蘭州新區(qū)某公路連接線項(xiàng)目，處于黃土地區(qū)，由于黃土地基具有諸多不利特性，需要對(duì)線路內(nèi)涵洞地基做加固處理，考慮到對(duì)黃土地基處理效果及現(xiàn)場(chǎng)施工條件影響，工程選用高壓旋噴樁復(fù)合地基處理方法，本文選取了其中某段工點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力進(jìn)行研究。工點(diǎn)地質(zhì)勘察結(jié)果如表 1 所示。

表1 地質(zhì)勘察結(jié)果

高壓旋噴樁復(fù)合地基樁體采用采用 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比為 1.0，樁間距 1.5 m，梅花形布樁，樁徑 0.6 m，樁長(zhǎng) 7.0 m。采用雙重管噴射流對(duì)漿體進(jìn)行噴射，提高注漿壓力至 28 MPa，控制轉(zhuǎn)速至 16r/min 及提升速度 15 cm/min，保證成樁質(zhì)量，高壓旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)施工如圖 1 所示，旋噴樁施工參數(shù)如表 2 所示。

圖1 高壓旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)施工

3 單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

靜載荷試驗(yàn)是指對(duì)樁頂逐級(jí)施加豎向或水平力的作用，通過(guò)觀察分析荷載和位移的關(guān)系即p-s曲線，來(lái)檢測(cè)單樁的豎向或水平承載能力的試驗(yàn)方法。本文隨機(jī)抽取 3 根成樁進(jìn)行復(fù)合地基承載力試驗(yàn)，將樁頭表面凝固的浮漿清除，樁頭打磨平整，在清理過(guò)程中盡可能避免對(duì)樁周巖土的擾動(dòng)，嚴(yán)禁對(duì)樁周土采取預(yù)壓、換填等其他形式的擾動(dòng)。樁頭打磨平整后，按承載板面積鋪設(shè)厚 150 mm 中粗砂墊層找平，以保證承載板與下部樁周土與樁頭接觸平整、密實(shí)。

試驗(yàn)采用水泥配重塊壓重平臺(tái)反力裝置，配重塊質(zhì)量 200 t，由 250 t 千斤頂施壓，主梁由 3 根 18 號(hào)工字鋼組成，副梁由 12 根 18 號(hào)工字鋼組成，采用邊長(zhǎng) 1.5 m 的正方形承壓板，面積為 2.25 m2。復(fù)合地基荷載試驗(yàn)裝置如圖 2 所示。

圖2 復(fù)合地基載荷試驗(yàn)示意圖

正式試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)壓，參考規(guī)范取預(yù)壓荷載為最大實(shí)驗(yàn)荷載的 5 % 即 35 kPa，考慮到現(xiàn)場(chǎng)表層土較松軟取 70 kPa 為預(yù)壓荷載。試驗(yàn)分十級(jí)加載，每級(jí)荷載為最大實(shí)驗(yàn)荷載的 1/10，即 70 kPa，第一級(jí)可取分級(jí)荷載的兩倍即 140 kPa；卸載分五級(jí)，每級(jí) 140 kPa。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了確定單樁復(fù)合地基承載力及沉降變形，分為 3 組試驗(yàn)（1 #、2 #、3 #），試驗(yàn)以 JGJ 340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》［14］為依據(jù)。試驗(yàn)前，先采用低應(yīng)變對(duì)各樁進(jìn)行完整性檢測(cè)，檢測(cè)表明各樁樁身完整。各單樁復(fù)合地基p-s曲線如圖 3 所示。

由圖 3 可知，單樁復(fù)合地基在樁頂豎向壓力作用下，荷載—沉降曲線為平緩的曲線，通常典型的p-s曲線可按發(fā)生順序分為壓密變形階段、局部剪損階段和整體剪切破壞階段 3 個(gè)階段，對(duì)應(yīng)在曲線上的變化應(yīng)該是直線段、緩變段和陡降段，但在圖 3 中可見(jiàn)此種趨勢(shì)并不明顯，比例極限和極限荷載不易看出。依據(jù) JGJ 340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，在p-s曲線為平緩的光滑曲線時(shí)，可根據(jù)相對(duì)變形值確定承載力特征值，取s/d=0.008，試驗(yàn)所用承壓板邊長(zhǎng)為 1.5 m，即12mm對(duì)應(yīng)曲線上的荷載值為承載力特征值，有圖 3 可知，在最大試驗(yàn)荷載 700 kPa 時(shí)各組承壓板沉降量在81.25～86.01，且 12 mm 對(duì)應(yīng)的荷載均＞350 kPa。由于所取的承載力特征值不應(yīng)大于最大試驗(yàn)荷載的 1/2，將各單樁復(fù)合地基承載力特征值歸結(jié)如表 3 所示。

圖3 單樁復(fù)合地基 p-s 曲線

表3 單樁復(fù)合地基承載力特征值

4 結(jié)論

在增大樁徑、擴(kuò)大樁底和樁頂、改變水灰比等改進(jìn)措施下，高壓旋噴樁對(duì)于黃土地區(qū)涵洞的基底加固效果顯著，經(jīng)過(guò)旋噴樁加固后的復(fù)合地基承載力達(dá)到 350 kPa，最大試驗(yàn)荷載 700 kPa 時(shí)的沉降量也可控制在 85 mm 左右。該研究結(jié)果將對(duì)黃土地區(qū)采用高壓旋噴樁加固復(fù)合地基承載力超過(guò) 300 kPa 提供數(shù)據(jù)參考。Q