高压旋喷桩在淤泥质软土地基加固中的应用

作者：吕哲

来源：《中国房地产业·下旬》2017年第11期

        【摘要】目的提高淤泥质软土地基承载力，减小污水均合池不均匀沉降，为旋喷桩在本工程中的应用提供理论依据.方法根据淤泥质软土的特点，结合高压旋喷注浆机理，决定采用三重管旋喷法加固地基，并运用高压射流破土机理分析地基土破坏形态.结果计算结果表明：采用高压旋喷桩加固后的地基土承载力大于建筑地基规范中的承载力，满足要求.结论三重管旋喷法加固淤泥质软土地基是可行的，安全可靠.其社会效益和经济效益显著，在相似的地质条件下可以进一步推广应用.

        【关键词】高压喷射注浆桩；淤泥质黏土；射流破土规律；三重管法；单桩承载力

        1、前言

        喷射注浆法（Jet Grouting）又称旋喷法，20世纪70年代初期最先由日本开发的地基加固技术.我国自70年代末在建筑物基础托换，工业建筑的基坑工程以及水利建设工程得到广泛应用.90年代起在我国的大规模建设中逐步得到发展，成为世界上喷射注浆法用于工程量最大的国家之一[1].美国从日本引入喷射注浆技术之后，在基础托换工程、隧道工程、水利工程中均有应用，而且单项工程中使用的规模很大[2，3].

        高压旋喷注浆技术是在静压注浆技术基础上，结合高压水射流切割技术形成的一种特殊置换软土的地基加固技术.其基本原理是：利用工程钻机钻孔至设计处理深度后，用高压泥浆泵等高压发生装置，通过安装在钻杆（喷杆）杆端置于孔底的特殊喷嘴，向周围的土体高压喷射水泥浆液，同时喷杆以一定的速度边旋转边提升，强力冲击，切削土体使一定范围内的土体结构破坏，并强制与水泥浆液混合，凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体[4].该方法主要用于地基加固，提高地基土抗剪强度，改善地基土的变形性质，使其在上部荷载直接作用下，不产生破坏或过大的变形；也可以组成闭合的帷幕，用于截阻地下水流和治理流砂[5].具有施工方便，工艺简单，地基加固见效快，耐久性好，施工工期短，造价低等优点[6].该方法适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑的粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土地基 [7].

        2、工程概况及工程地质条件

        某化纤公司，南临黄海，东临鸭绿江.场地属于鸭绿江高河漫滩地段，地面绝对标高介于2.06～5.06m.化纤厂每日需要处理的废水量约为20000m3，成为鸭绿江入海口的主要污染源之一，严重地影响了工农业生产和人民的生活.为了达到工业废水的排放标准，该厂建造污水均合池，池底为钢筋混凝土结构；由于种种原因，均合池随着江水上涨下降而浮沉，成为漂浮构筑物.池底持力层（砂砾）上面挤入淤泥质软土，产生不均匀沉降.为了防止构筑物继续沉浮，经过方案比较，决定采用三重管旋喷注浆技术进行加固处理.

        3、高压旋喷注浆加固设计

        高压旋喷桩的两个重要指标是成桩直径（即浆液扩散范围）和桩体强度.这两个指标的高低是由射流能力，土体成分和喷射工艺参数决定的.其影响因素包括：设备能力，喷射能量和质量，提升和旋转速度，浆液性能等.从高压旋喷注浆原理看，最根本的决定因素是高压射流与土体的相互作用规律[8].

        3.1 高压射流破坏土体特征

        高压喷射流的构造如图1.

        由以上可以看出，射流在破土过程中，由于射流的扩散作用，轴心打击压力迅速衰减，横截面上从中心到边缘衰减也很快，射流破坏土体的速度随深度的加大迅速变慢，逐渐达到其极限破坏能力，失去破坏作用.从（3）式中可以看出，破土速度在近距离内非常快，接近末端时非常慢.由于射流速度非常高，一般在几秒内即可达到极限破坏深度.射流能量大（压力高，流量大），其破坏极限深度也大.

        3.2 旋喷注浆孔布置

        旋喷注浆布孔应满足下列原则：

        （1）旋喷注浆成桩后对地基承载力的提高应满足建筑设计的要求.据此，决定采取100个旋喷孔，基本均匀地分布在基础底面1008m2上；

        （2）12个柱及周围布孔稍多；

        （3）为了便于凿孔作业，孔口距离墙面以20cm为宜.

        3.3 旋喷方式

        为了减少孔数，节约工程投资，决定采用三重管复喷的旋喷方式.若淤泥太稀，必要时填以砂子，再进行旋喷处理.

        3.3.1 三重管高压旋喷注浆的基本原理[10]

        三重管高压旋喷是以高压水作用喷射动力，通过特殊形状的喷嘴，产生一束能量大，高度集中的连续脉冲运动的高压射流，切削，冲击，破坏土体结构，使水泥浆与土颗粒置换，搅拌，混合，因水泥的水化作用而凝结，在土层中形成固结桩体，为了防止高压水射流的压力衰减过快，增加射流的有效射程，在高压水喷射流的喷嘴周围，加上圆筒状的空气喷射流，形成水与气同轴喷射.三重管旋喷示意图见图2.

        3.3.2 三重管高压旋喷注浆的技术特点

        （1）钻孔小成桩直径大；

        （2）形成的桩体互相咬合，结合紧密；

        （3）施工设备轻便，占用场地小，施工速度快；

        （4）使用注浆材料无毒性污染；

        （5）形成的防渗墙抗渗性能好.

        3.4 旋喷参数

        旋喷参数应通过试验结果来确定.成桩直径保证在1.25m以上，桩长0.8m （进入角砾岩0.2m）.旋喷施工参数：高压水压力20～25MPa，流量85L/min；空气压缩机气压0.6 MPa，进气量0.9m3/min；浆压0.5～1 MPa，浆量100～120L/min；水喷嘴φ为2.5mm；浆喷嘴φ为6～10mm；提升速度7.5cm/min；旋转速度20r/min.

        3.5 空穴处理

        为了保证地基的良好承载作用，旋喷时应在交界面（即角砾岩与淤泥层界面）不提升旋喷3分钟，或旋喷时进入角砾岩中0.2m，旋喷后桩顶空穴可能回填浓浆处理，使地基持力层与上部混凝土底板严密结合.

        3.6 浆液材料与施工设备

        以淤泥层加固为主时，旋喷注浆采用水泥浆.使用32.5级普通硅酸盐水泥，水灰比1：1，比重1.62，为了水泥浆具有速凝与早强的性能，在水泥浆中加入速凝早强剂：水玻璃，三乙醇胺等.旋喷施工所用的设备由钻机，高压泵，高压机，造浆机具以及劳动组织，人员配备等.

        3.7水泥浆液用量计算

        4、旋喷桩加固地基强度校核

        结语：

        （1）高压旋喷注浆技术在本工程的使用取得了良好的效果.它增强淤泥质软土地基抗剪强度，提高地基土承载力，且加固的土体质量高，可靠性好.解决其他地基加固方法在本工程中解决不了的问题.

        （2）高压旋喷桩强度和刚度介于钻孔灌注桩和深层搅拌桩之间.与前者相比，节省了大量钢筋，砂，石子，工程造价低；与后者相比，强度大，稳定性好.

        （3）在淤泥质软土地质条件下，采用三重管旋喷法加固地基时可行的，经济上是合理的，同时工期短，质量高，见效快，安全可靠.其社会效益和经济效益显著，在相似的地质条件下可以进一步推广应用.

        （4）随着国民经济不断发展，高层建筑，港口及水利大坝建设，地下埋设物和地下结构物的日益增多，施工条件也将愈加复杂，并结合我国海岸线较长，河流湖泊较多，存在着大量的软弱地基的特点.因此，高压旋喷注浆法加固淤泥质软土地基必将得到广泛的应用.

        参考文献：

        [1]龚晓南.地基处理技术发展与展望[M].中国水利水电出版社，2004.10.109～110.

        [2]D.A.Bruce and Pellegrino.Jet Grouting for solving Tunneling Problems in Soft Clays，2003.

        [3]Mitsuhiro Shibazaki.State of Practice of Jet Grouting，2003.

        [4]梁炯鋆.锚固与注浆技术手册[M].中国电力出版社，1999.9.446～448.

        [5]彭振斌.注浆工程设计计算与施工[M].中国地质大学出版社，1996.9.5～8.

        [6]祝和意.旋喷桩加固地基施工技术措施[J].山西建筑，2007.2.139～140.

        [7]中华人民共和国行业标准.建筑地基处理技术规范JGJ79—2002.北京：中国建筑科学研究院，2003.1.1.

        [8]高岗荣.高压注浆法机理分析[J].中国注浆技术43年论文集.煤炭工业出版社，1998.8.198～200.

        [9]高岗荣.煤炭科学技术[J].煤炭科学研究总院，1996年第4期.

        [10]李国强，赵大奎，赵斌.水下三重管高喷注浆法防渗帷幕墙施工技术[J].中国注浆技术43年论文集.煤炭工业出版社，1998.8.203～205.

        作者简介：

        吕哲（1983—），男，满族，硕士，主要从事工程地质勘察、基础工程设计与施工、地基处理等研究。通讯地址：辽宁省沈阳市浑南区文汇街18-2号