高速公路软基加固中旋喷桩的应用研究

孙 良，罗昊冲

（1.中交一公局第六工程有限公司，天津市 300451；2.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

0 引言

高压喷射注浆技术自20世纪70年代从日本引进我国已有近四十年的历史。目前，该技术已广泛应用于堤坝、房屋地基、铁路基础、市政基础加固施工。它具有加固体强度高、加固体形状可控等特点，已成为被国内工程界普遍接受的、多用高效的地基处理方法[1]。

高压喷射注浆法形成的固结体，其形状与喷射流移动方向有关，可分为旋喷、定喷和摆喷。旋喷时，喷嘴一边喷射一边旋转和提升，固结体呈圆柱状。该喷射法主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善土的变形性质；也可组成闭合帷幕，用于阻止地下水流和治理流砂，或作为挡土墙用于边坡稳定。定喷时，喷嘴一边喷射一边提升，但喷射方向固定不变，固结体形状呈板壁状；摆喷时，喷嘴一边喷射一边提升，并以一定角度正反摆动，固结体形状为扇形或楔形。定喷和摆喷通常用于基础的防渗，改善地基土的水流性质。作为地基加固，通常采用旋喷注浆形式，使固结体在土中成为均匀的圆柱状[2]。

本文结合高速公路软基处理的工程实例，探讨了高压旋喷注浆法的加固机理，通过数值模拟对设计方案进行分析计算，重点研究随上部逐级加荷，地基中心点沉降的变化，并将计算结果与工程实测数据进行比较。

1 旋喷桩加固地基的机理

1.1 加固机理

高压旋喷桩是利用钻机把带有特殊喷嘴的注浆管钻至土层的预定位置后，用高压脉冲泵，将水泥浆液通过钻杆下端的喷射装置，向四周以高速水平喷入土体，见图1。由于钻杆以一定速度逐步向上提升和旋转，浆液形成高压喷出后具有很大的动能，产生高速、高压的喷射流，借助高压喷射流能大量置换软弱层和挤密桩周土，能让砂砾石垫层或粘土和水泥浆充分混合、胶结、硬化，固结成一个整体。这样，可在地基中形成具有较高强度的水泥土桩，达到改良土质、增加地基强度、减少土体压缩变形的目的，提高地基的承载能力[3]。其对地基的加固过程可分为以下三个步骤：

（1）高压喷射流破坏土体

高压喷射流冲击土体时，由于能量高度集中地冲击一个很小的区域，因而在这个区域内及其周围的土和土结构的组织之间，受到很大的压应力作用，当这些外力超过土颗粒结构的破坏临界数值，土体便受到破坏。喷射流的动压超过岩土颗粒结构的破坏极限时，喷射流的破坏力F（kN·m2/s）可由式（1）确定:

故又可表示为:

式（2）中，p——喷射流介质的密度，kN/m3;

Q——喷射流流量，m3/s;

A——喷嘴的断面积，m2;

Vm——喷射流的平均速度，m/s。

可见，当P和A一定时，破坏力与流速的平方成正比。要增加流速，就要增加喷射压力，使喷射流有足够的能量冲击破坏土体，压力愈高，流速愈大，则破坏力愈大，切削、搅拌土体的范围也愈大。喷射流的动压作用是破坏土体的主要作用。

（2）高压旋喷成桩

由于高压喷射流对土体的破坏作用，使土体由整体状态变为松散状态。随着喷射流的连续冲切和移动，土体破坏的深度和范围不断扩大旋喷时，高压喷射流是水泥浆液，即以水泥作为硬化剂，边旋转边以一定的速度缓慢提升，被切削下来的一部分细小土粒被浆液置换发生升扬置换作用，随着液流以泥浆的形式被带到地面 (称为冒浆)。其余的土颗粒在喷射动压力、离心力和重力的共同作用下，在横断面上按质量大小有规律地重新排列并与浆液搅拌混合形成一种新型的水泥—土网络结构，如图2所示。

（3）水泥与土的固化

在高压喷射注浆过程中，土体被破坏粉碎成各种粒径的颗粒或各种大小的土团，它们之间被水泥浆所填满。所以，在水泥土中形成一些水泥及细土颗粒较多的微区，而在大小土团内部则没有水泥。水泥的水解水化作用及其与土颗粒之间的作用，开始时主要在微区内进行，不断在水泥和土颗粒的周围形成各种结晶体，不断生成、延伸并交织在一起形成空间网络结构。大小土团被分割包围在这些骨架中间。随着土体逐渐被挤密，自由水也逐渐减少消失，形成一种特殊的水泥土骨架结构，大大增强了水泥土的强度。其次，土体的矿物成分和物理化学性质也决定了水泥土的强度和结构形成过程。

1.2 旋喷桩的特点

采用旋喷桩可以提高地基的抗剪强度，改善土的变形性质，使加固的公路地基在上部结构荷载作用下，不产生破坏和较大的沉降；能利用小直径钻孔旋喷成比孔大8～10倍的大直径固结体；可通过调节喷嘴的旋喷速度、提升速度、喷射压力和喷浆量，旋喷成各种形状桩体，可用于任何软弱土层，可控制加固范围，施工机械化程度高，材料来源广；施工简便，操作容易，施工速度快，质量有保证。

1.3 旋喷桩的设计计算

旋喷桩的承载力的计算分单桩承载力的确定和复合地基承载力计算[4]。单桩承载力值分极限值、标准值、设计值。单桩极限承载力是指桩体结构不发生破坏和桩周土不出现整体破坏、桩基础不丧失整体稳定情况下的最大承载力。设单桩竖向极限承载能力Ru，则单桩竖向承载能力标准值为：Rk=Ru/2，单桩极限承载力设计值R可取为1.2 Rk。单桩承载力确定有公式计算法、静载试验法及原位测定法。设计时一般采用如下两公式同时进行计算，并取其中较小值作为单桩竖向承载力标准值。

式（3）、式（4）中：Ap—— 桩的截面积，m2；

quc——与桩体加固土的配比相同的标准试块一定龄期无侧限抗压强度平均值，kPa；

qs——桩周土的平均摩檫力，kPa；

fk——桩端土天然承载力标准值，由地质资料获得，kPa；

η——强度折减系数；

α——桩端土天然承载力折减系数；

l——桩身有效长度,m；

S——桩周长度,m。

复合地基承载力计算通常采用下面公式：

式（5）中：fsp,k——复合地基承载力标准值，kPa；

fs,k——桩间土地基承载力标准值，kPa；

Ac——1根桩承担的处理面积,m2；

Ap——桩的平均截面积,m2；

β——桩间地基承载力折减系数，一般取0～1；

Rk——单桩竖向承载力标准值，kPa。

2 有限元模拟方法

对于多项介质相互作用问题的研究，有限元方法具有独特的优势和可靠性。本文采用二维弹塑性有限元软件Plaxis进行路基实际结构、荷载、位移、约束等方面的模拟，计算出各个部位的应力和变形，并进行一定的力学分析与讨论。具体方法如下。

2.1 地基土的模拟

采用弹性理想塑性模型Mohr-Coulomb模型作为土体的本构模型。这种模型具有固定的屈服面，屈服面由模型参数确定，不受塑性应变的影响。屈服面以内的点代表的材料应力状态为弹性，所有的应变均可恢复。弹塑性的基本准则是应变和应变增量可分解为弹性和塑性两部分：

虎克定律将应力增量与应变增量联系起来，将式（6）代入虎克定律可推导出

根据塑性理论，塑性应变增量与屈服函数对应力的导数成正比。因此，塑性应变增量可表示为与屈服面垂直的矢量，采用相关流动法则。对于库仑－莫尔模型的屈服函数，相关流动法则计算出的土体的剪胀角偏大，因此，该程序中除屈服函数之外还引进了塑性势函数g。塑性应变增量可写作：

式（8）中λ为硬化参数，如材料只发生弹性变形，则λ＝0，在塑性变形情况下：

通过以上方程可推导出以下适用于弹塑性力学性能的有效应力增量和应变增量之间的关系：

α为一转换参数，如果材料表现为弹性性能，如式（9a）所定义，α等于0；如果材料发生了塑性变形，如式（9b）所定义，则α为一非零常数。完整的莫尔－库仑屈服准则在主应力空间中表示为6个屈服函数构成（见图3）。

在计算中该模型包含如下计算参数：杨氏模量E，泊松比υ，粘聚力c，内摩擦角φ。

塑性势函数为：

式（12）中：ψ为土体的膨胀角。

2.2 桩体的模拟

采用PLATE单元模拟旋喷桩，这是一种梁单元，能够承受拉力、压力和弯矩的作用，本构关系为弹性理想塑性。主要计算参数有截面刚度EA（kN/m）、截面惯性矩EI（kNm2/m）、桩身重量w(kN/m)、泊松比μ最大弯矩Mp(kNm/m)和最大轴力Np(kN/m)。

2.3 接触的模拟

由于旋喷桩与地基土之间存在相互作用，在有限元分析中需加入接触单元。两者之间的联结方式具有以下特点，可以传递一定的剪应力和法向应力，当上部荷载逐渐增大超过某一数值时，旋喷桩与土之间可能发生滑移和分离。具体方法是：

式（13a）、式（13b）中：ci、φi为第i层接触面的粘聚力和摩擦角。

这两个指标与每个土层的力学指标相联系，在程序中通过输入系数Rinter来进行计算。具体的计算方法如下：

3 工程实例分析

3.1 工程概况

某高速公路建设项目主要分为主线部分和匝道部分，地基土的物理力学参数见表1。由于地表下分布较厚的高压缩性土层，地基处理采用高压旋喷桩以减小路堤沉降，设计平均桩长10 m，桩间距为2 m×1.8 m，桩径0.6 m，与桩间土形成复合地基共同承担上部荷载。路床部分采用8%灰土处理，形成褥垫层提高旋喷桩的加固效果。主线部分有代表性的设计断面见图4。

3.2 分析模型及结果

按平面应变问题进行分析，由于结构具有对称性，取一半建立有限元分析模型见图5，计算参数如表1所示。

（1）地基中心点沉降

在计算中，采用逐级加载的方法模拟路堤建设，得到地基沉降随时间变化的曲线，为了便于与实测值相比较，将断面中心点的沉降量观测值与有限元分析的结果按照施工进度绘成曲线如图6所示。从图中可以看出，与实测数据相比有限元计算结果略大，但是相差不多，且沉降趋势一致，说明计算值与实测数据吻合较好。

表1 地基土物理力学性质指标

（2）地基中的位移及应力

图7和图8分别显示了在路堤建设完成后，即完全加载后的位移等值线局部放大图及竖向应力阴影局部放大图。

从图7中可以看到，路堤底面中心处的位移最大，为138 mm，随着距中心点的距离增大，地基土的位移逐渐减小。从应力阴影图8中可以看到，桩中应力较集中，表明旋喷桩对地基的加固效果明显，应力较为均匀地分布在各个桩身上，桩土分担比约为1∶4。

（3）无褥垫层情况下地基中的位移及应力

以上均为铺设褥垫层的计算结果，为了说明褥垫层的有效性，通过有限元分析计算了无褥垫层的位移及应力，结果分别见图9和图10。

图9中显示的最大位移同铺设褥垫层的位置一致，均在路堤底面中心处，且位移的变化趋势相同，但是最大位移值略大，为146 mm。这是由于设计桩长较短，没有深入第四层——细砂层，这对减小路堤的沉降不利。铺设褥垫层可以发挥桩间土的承载性能，使应力得到扩散，从而减小沉降。

应力阴影图与有褥垫层情况差别较大，与图8相比图10中的桩身应力在路堤中部较大，路堤两侧较小，呈不均匀分布，桩土应力分担比约为1∶6。可见铺设褥垫层可以使桩土应力比减小，充分发挥桩间土的承载性能，褥垫层对地基中的应力分布有很好的调节作用。

4 结论

高压旋喷桩是公路进行软基处理的一种有效形式，它可以与桩间土形成复合地基，从而提高承载力，减少沉降。本文对旋喷桩的加固机理进行深入探讨，并结合实际工程对旋喷桩加固软基进行了有限元模拟分析，得到以下结论：

（1）旋喷桩对地基的加固机理包括以下三方面：高压喷射流破坏土体，高压旋喷成桩，水泥与土的固化。

（2）通过对工程实例进行有限元模拟分析，计算逐步加载后的地基沉降曲线，分析结果与实测数据具有较好的一致性，表明本文采用的有限元分析方法较为适当。

（3）采用有限元分析方法研究了褥垫层的作用，结果表明褥垫层可以使桩土应力比减小，充分发挥桩间土的承载性能，对地基中的应力分布有很好的调节作用。

[1]刘玉卓.公路工程软基处理[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]徐志均.高压喷射注浆法处理地基[M].北京:机械工业出版社，2004.

[3]地基处理手册编写委员会.地基处理手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.

[4]JGJ 79-2002，J220-2002，建筑地基处理技术规范[S].