浅析高压旋喷桩技术在巉柳高速公路的养护与维修工程中的应用及推广

王小刚

(定西公路管理局高等级公路养护管理中心,甘肃定西　743000)

浅析高压旋喷桩技术在巉柳高速公路的养护与维修工程中的应用及推广

王小刚

(定西公路管理局高等级公路养护管理中心,甘肃定西743000)

主要介绍了高压旋喷桩在巉柳高速公路养护维修工程中对高含水量、承载力低的路基挤密效果及有效提高地基承载力的作用。

高压旋喷桩巉柳高速路基处治

1　巉柳高速公路路况及项目简介

国道主干线巉口至兰州柳沟河高速公路(巉柳高速)是国家“五纵七横”主骨架连云港至霍尔果斯公路(GZ45)在甘肃省境内的主要组成路段，也是兰州市东出口汇集三条国道交通流的公路运输大通道。巉口至兰州柳沟河高速公路起点为定西巉口以东约10公里的十八里铺，终点在兰州市和平镇柳沟河(与柳忠高速相接)。定西公路管理局养护范围为巉口以东约10公里的十八里铺至土家湾隧道入口处，全长26.7km。自2006年以来，随着我国经济的高速增长，交通量日益增大，重车比例大幅度增长，特别是近两年，路线所在区域降雨量增加， 巉柳高速定西段路基沉陷病害凸显，并产生了与之相伴的许多路面次生病害，主要表现为路基不均匀沉降、路基路面下沉、路面纵向拉裂、边坡冲刷严重、排水设施塌陷等，严重影响了行车安全性与舒适性。

巉柳高速公路(定西段)2014年养护维修工程确定对病害严重的路基沉陷段XK 1779+700～XK 1779+810等3处进行综合处治。经现场勘查，该处路堤平均填高为3～5米，经钻探取样，可得XK 1779+800处的地质情况:路面下部1.8～2.8m范围内含水率为20%～27.3%，γ=21.5kN/m3，为平均液性指数Il=0.45，土的原状空隙比e=0.65，由《公路桥涵地基与基础设计规范》可查得该层位处的承载力120kPa;2.8m～6.0m的深度范围，天然含水率均小于所在土层的塑限，γ=18.8kN/m3，且e的范围处于0.6～0.8之间，经查天然地基的承载力100～120kPa，总之该处路基工作区范围内湿度过大，承载力低。在施工方案的比选上，在与干拌碎石桩进行比较后最终确定采用在既有建筑和路基加固方面工艺成熟的高压旋喷桩。本文结合相关试验规程和文献，通过室内试验和实际应用情况，对高压旋喷桩在该项目上的使用情况进行了总结。

2　高压旋喷桩技术简介

表1　巉柳高速公路高压旋喷桩施工桩号表

表2　高压旋喷桩使用情况检测

高压旋喷桩是以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合，形成连续搭接的水泥加固体。常用于既有建筑和新建建筑的地基加固处理，适用于处理可塑黏性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基，可有效提高地基承载力。其基本原理是，高压喷射流是高能高速集中和连续地作用于土体上，压应力和冲蚀等多种因素总是同时密集在压应力区域内发生效应。因此，喷射流具有冲击切割破坏土体并使浆液与土搅拌混合的功能。固结体的形状与喷嘴移动的方向及持续喷射的时间有着密切的关系。当喷嘴一面旋转和提升时，便形成圆柱状或异型圆柱状固结体;当喷嘴一面喷射一面提升时，便形成壁状固结体。随着土体的不断被挤密，自由水也不断减少，甚至消失，形成了一种特殊的水泥土骨架结构，土的强度也随之得以改善。

根据工程实际需要和机具设备条件，可分别采用单管法、二管法和三管法，加固体形状可分为圆柱状、扇形块状、壁状和板状;结合本项目实际情况，旋喷桩采用单管喷射注浆，使用浆液作为喷射流。在注浆前必须先钻透原路面结构层(总厚度63cm)，之后在原路基顶面开始设置7m长旋喷桩加固，旋喷桩设计桩径50cm，桩间距1.5m x1.5m，按梅花形排列。

3　高压旋喷桩的理论计算

复合地基承载力可按式(1)进行计算:

fspk——复合地基承载力特征值(kPa);

λ——单桩承载力发挥系数，宜按当地经验取值，无经验时可取0.7～0.9;本计算取0.8。

m——复合地基面积置换率，m=d2/de2;d为桩身平均直径(m)，de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径(m):等边三角形布标de=1.05s，s为桩间距，经计算m=0.15。

Ra——单桩承载力特征值(kN);

Ap——桩的截面积(m2);

β——桩间土承载力发挥系数，按当地经验取值，无经验时可取0.9～1.0，本计算中取1.0。

fsk——处理后桩间土承载力特征值(kPa)，应按静荷载试验确定;无试验资料时可取天然地基承载力特征值，即取值120kPa。

根据室内试验结果与地质勘察资料，旋喷桩加固地基后，单桩承载力按式(2)计算:

公式(2)中:

d——桩的平均直径，取为0.50m;

n——桩长范围内所划分的土层数，取为1;

hi——桩周第 i层土的厚度，取为7m;

qP——桩端天然地基土的承载力标准值，取120kPa。

AP——桩的截面积

代入以上数据，得

因此处治后，复合地基承载力为:

4　高压旋喷桩单桩水泥用量计算

单根桩水泥用量计算公式为如下式:

其中:ρw 为水的密度，取1.0g/cm3;

dc为水泥相对密度，取3.0g/cm3;

a为水灰比，取1:1;

H为单根桩的长度，取7.0m;

V为注浆管提升的速度日，取20cm/m in;

q为喷射流量(L/m in)，取80L/m in;

β为损比系数，取0.15。

根据已知参数，计算可得单根桩所用水泥为:

在实际施工中可能出现与理论计算结果不符的情况，那是由于土质变化等因素造成的，可根据实际情况作出相应调整并做好详细施工记录。

5　高压旋喷桩施工材料要求及施工工艺

5.1材料

水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，要求新鲜无结块;注浆浆液:纯水泥(添加水泥重量3%的水玻璃) 浆液;水泥浆水灰比采用1:1。水泥浆液在旋喷前半小时内提前配置，并滤去硬块、砂石，以免堵塞管路和喷嘴。

5.2施工机械

本项目采用单管法施工，主要机具设备包括:高压泵、钻机、浆液搅拌器等;辅助设备包括操纵控制系统、高压管路系统、材料储存系统以及各种管材、阀门、接头安全设施等。

5.3工艺原理

旋喷桩系利用高压泵将水泥浆液通过钻杆端头的特制喷头，以高速水平喷入土体，借助液体的冲击力切削土层，同时钻杆一面以一定的速度旋转，一面低速徐徐提升，使土体与水泥浆充分搅拌混合凝固，形成具有一定强度的圆柱固结体，从而使地基得到加固。

5.4工艺流程

机具就位——贯入注浆管，试喷浆——旋喷注浆——拔管及冲洗等。

5.5施工要点

(1)旋喷桩钻孔桩径为75mm，成桩直径500mm，桩孔按等边三角形布置，桩间距1.5m，桩长:扣除路面结构层，从路基顶面往下7米。(2)注浆压力:25MPa。(3)注浆喷射流按80～120(L/m in)控制，旋转速度为16～20(rpm)，提升速度15～25(cm/m in)。应拔管封孔分层进行注浆，每层按1.5m考虑。不能用水泥砂浆。(4)施工前应通过现场试验确定注浆参数，注浆量按实际情况作相应调整。(5)施工结束后，应对路面结构层钻孔填塞处治。

6　高压旋喷桩施工中冒浆的处治

在旋喷过程中，往往有一定数量的土颗粒，随着一部分浆液沿着注浆管管壁冒出地面，通过对冒浆的观察，可以及时了解土层状况，判断旋喷的大致效果和断定参数合理性等，一般而言，冒浆(内有土粒、水及浆液)量小于注浆量20%为正常现象，超过20%或完全不冒浆时，应查明原因及时采取相应措施。(1)流量不变而压力突然下降时，应及时检查事故部位的泄漏情况，必要时拨出注浆管，检查其封密性能;(2)出现不冒浆或断续冒浆时，或系土质松软则视为正常现象，可适当进行复喷;如果是附近有空洞、暗道，则应不提升注浆管，继续注浆直至冒浆为止，或拨出注浆管待浆液凝固后，重新注浆直至冒浆为止，必要时采用速凝浆液，便于浆液在注浆管附近凝固。

7　高压旋喷桩的施工检验

7.1质量检验的主要内容

(1)固结体质量检查，即做单桩整体均匀性、垂直度、有效直径、长度、抗压强度、渗透性、耐久性等测试。(2)单桩承载力或复合地基承载力试验。(3)检验数量为孔数的2%～5%。注:施工前应通过现场试验确定注浆参数，注浆量按实际情况作相应调整。

7.2检验方法

(1)开挖检查，能比较全面检查喷射固结体质量，很好检查固结体垂直度及形状，一般施工完毕，凝固后即可开挖。(2)室内试验，现场取地基土，制作标准试件，进行各种物理力学性能试验。(3)钻孔检查。进行取固结体芯样，制作试件进行室内试验，鉴定是否符合要求;进行渗透试验测定抗渗能力;进行标准贯入试验;进行旁压试验。(4)荷载试验:包括平板荷载试验与孔内荷载试验。

8　高压旋喷桩在巉柳高速公路上的使用效果

巉柳高速公路微表处施工路段如下表1。

在进行高压旋喷桩施工后，对施工路段进行了跟踪检测，在经过8、9月份的雨季及大交通量考验后发现道路各项路用技术指标依然良好，路基沉陷现象消失，路基承载力明显得到极大提高，达到了预期的效果，满足高速公路交通荷载的要求，具体检测结果见下表2。

9　高压旋喷桩技术的经济效益和社会效益

(1)高压旋喷桩的单价分析。1)机械、人工费:52元/米，包括专业作业班组的施工机械及人工费。2)设备进出场费:2.5万元，根据设计总量20494米，平均1.2元/延米。3)电费:1.3元/米。4)水泥用量: 182kg/米，水泥调拨价420元/吨，76元/米。5)试验检测费:完整性、均匀性、无侧限抗压强度2%取芯，2936×2%=59根，平均桩长20494/ 2936=7米，费用59×7×100=41300元;复核地基承载力2‰，2936× 2‰=6根，6×3200=19200元; 合计60500元，平均3元/米。另外人工配合、装沙袋等费用未计。6)每延米总单价:133.5元。(2)高压旋喷桩的施工周期短、机械化程度高，具有快速连续作业的强大优势，这对高速公路的养护而言具有更好的适应性，可以在不影响交通畅通的情况下连续快速作业，从而使高速公路最大限度的发挥其应有的经济效益和社会效益。

10　结语

综上所述，可以看出高压旋喷桩施工在软土地基处治中的巨大社会和经济效益，在今后的养护事业中其必将得到更多的推广、同时发挥其更大的价值。

[1]《建筑地基处理技术规范》----JGJ79_2002.

[2]《建筑地基基础工程施工质量验收规范》------GB50202-2002.

[3《]巉柳高速公路(定西段)2014年养护维修工程施工图设计》.