关于振孔高喷灌浆技术地层适宜性定量分析的探讨

苗龙

摘要： 振孔高喷灌浆技术是近20年来开发成功的地基处理新技术。本文试结合《建筑桩基技术规范》对不同地层振孔高喷的成孔难易程度进行比较，并结合大数据进行分析，以期对工程的前期准备有所帮助。

Abstract： Vibration hole high-pressure sprayed grouting technology is a new technology for foundation treatment in recent 20 years. This paper attempts to compare the difficulty of forming holes with vibration hole high-pressure sprayed in different strata by combining the "Technical Specifications of Building Pile Foundation" and analyze with large data， so as to help the preliminary preparation of the project.

关键词： 振孔；高喷；适宜性；定量分析；灌浆

Key words： vibration hole；high-pressure sprayed；suitability；quantitative analysis；grouting

中图分类号：TV543 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）21-0090-02

1 概述

利用大功率高频振动器将振管直接振入地层中预定深度而形成灌浆孔，使造孔和下管一次完成，在振管上提过程中进行高喷作业，这种把振动钻孔与高喷灌浆两种工艺耦合为“钻喷一体化”的新工艺被称为振动造孔高压喷射灌浆工艺（简称振孔高喷）。振孔高喷工艺充分利用振动力造孔，成孔效率极高，从而实现小孔距高喷灌浆；由于孔距较小，可以有效利用高压射流近喷嘴处的高能区强力切割、重复扰动地层，既可保证墙体连续又能实现快速提升；由于单孔施工速度快，可实现高喷孔不分序依次施工连续成墙；根治了坍孔和护壁泥浆造成的“假灌”弊病，确保高喷固结体质量。目前，经过不断创新发展的振孔高喷技术不但广泛应用于水利、电力、交通、航运、城建等领域的地基加固与防渗工程，而且也被应用于粉质黏土、砂土及卵砾石等地层中。

根据实际工程经验，地层性质和振孔深度对振孔高喷成孔效率及提升难易程度影响极大，间接影响振孔高喷设备的整体稳定性，制约着工程的成本和工期进度。因此，研究振孔高喷的地层适宜性对于工程前期的预判、工程如何开展以及是否需要采取某些处理措施具有指导意义。

2 成孔阻力分析

利用振动器将振管振入地层的过程中，假设不考虑振动力从振管上部传递到振杆底部的振杆长度修正系数，那么振管下沉阻力主要由两个力组成：①振管侧壁与其周围土体的总摩擦力，这里称为“侧摩阻力”，符号Qzdsk；②振管端部与其下土体的作用力，这里称为“端阻力”，符号Qzdpk。

《建筑桩基技术规范》中规定，桩的总极限侧阻力标准值为Qsk，桩的总极限端阻力标准值为Qpk，Qsk与Qpk可通过经验参数法查表确定。

通过对比我们可以发现Qzdsk为振管（钢材）与周围土体的摩擦力，且应考虑振管振动影响，Qsk为混凝土与周围土体的摩擦力，不需考虑振动影响；Qzdpk应考虑振管振动影响，Qpk不需考虑振动影响。所以Qzdsk与Qzdpk可近似用下式表示：

Qzdsk=Ψzdsk·Ψcl·Qsk （1）

Qzdpk=Ψzdpk·Qpk （2）

Qzduk=Qzdsk+Qzdpk （3）

式中，Ψcl——桩侧材料影响修正系数，假设为1.0；

Ψzdsk——桩侧振动影响修正系数，假设为0.9；

Ψzdpk——桩端振动影响修正系数，假设为1.1；

Qzduk——振动成孔的总阻力值。

3 地层及成孔深度影响分析

规范《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中采取经验参数法查表5.3.5-1与表5.3.5-2以确定单桩竖向极限承载力标准值时，桩的极限侧阻力标准值与土的名称、土的状态有关，桩的极限端阻力标准值与土的名称、土的状态、桩长（成孔深度）有关。由规范可知，桩长5m、10m、15m为桩的极限端阻力标准值取值变化点，一般振孔高喷成孔深处大于5m，小于25m，故下面分别假设桩长为7m、14m、20m时，分别在粉土（密实）、细砂（密实）、粗砂（密实）、碎石卵石（密实）地层中振动成孔时的总阻力Qzduk。假设振管直径为127mm，则振管截面积A=0.01266m2，周长u=0.39878m。按式（1）～（3）计算，查表5.3.5-1与表5.3.5-2按泥浆护壁钻（冲）孔桩取值。计算结果见表1。

根据表1，分别绘制总阻力Qzduk与桩长关系曲线和侧摩阻力Qzdsk与桩长关系曲线，见图1和图2。

通过以上计算可知，随着桩长的加深、土体颗粒的增大，振孔总阻力加大，成孔难度加大，且主要阻力为侧摩阻力，桩长超过10m后，侧摩阻力一般都可达到总阻力的95%以上。

根据笔者所在公司以往的施工经验，在粗砂地层中，当成孔深度为14m时，2分钟左右即可成孔，效率较高，设备整体稳定，故障率低，振孔难度不大；而在碎石、卵石地层中，当成孔深度为20m时，成孔时间可达40～90分钟，甚至更长且有振孔不成功的情况发生，直接导致设备不稳定，故障率大幅提高，甚至可达60%，振孔难度极大，且即使振孔成功，但提升喷射阶段仍然存在旋转阻力过大、卡钻风险高的问题，需同时启动振动锤才可旋转提升，而振动锤长时间的工作又导致设备故障率高，最终导致整体效率极其低下、材料消耗巨大、维修人员疲劳、时间成本大增等诸多问题。

这些问题产生的原因可通过上述计算加以解释，在密实粗砂地层中振孔14m深时的侧摩阻力Qzdsk1=530.10kN，在密实碎石、卵石地层中振孔20m深时的侧摩阻力Qzdsk2=1112.60kN，Qzdsk2/Qzdsk1≈2.00，即后者振孔的难度大概是前者的2倍，提升旋转的难度大概也为2倍，这会引起诸多的问题以至于工程成本的提升，此时，应采取一定的处理措施，在保证工期的同时还可达到一定的经济性。

4 结论

本文试图通过结合经验参数法确定单桩竖向极限承载力标准值的方法来量化振孔高喷的地层适宜性，以便使工程决策者在施工前对工程的难度有一个量化的判断，从而可以提前采取一定的措施，达到控本增效的目的。

本文的局限有两点：①设备性能的不同导致可克服的最大阻力不同，这需要更多的经验的积累；②文中涉及的计算参数Ψcl、Ψzdsk和Ψzdpk给出的是假设值，目的在于直观量化结果，实际使用时可不给出假设值，直接将参数带到公式中，对于同种设备、同种土层其值可能的变化不影响结果的判断，若要具体确定参数的取值，则需要更进一步的研究。

参考文献：

[1]孙灵会.振孔高喷灌浆技术研发进展与探讨[J].东北水利水电，2014，32（9）：13-14.

[2]JGJ94-2008，建筑樁基技术规范[S].

[3]刘宏武.高喷灌浆技术在郭堡水库的应用[J].山西水利科技，2012（03）.