旋喷桩在碱渣坝体加固中的应用

(唐山三友化工工程设计有限公司，河北 唐山 063305)

1 碱渣坝使用情况

唐山三友纯碱公司采用氨碱法生产纯碱，目前仅碱渣坝内滩晒区可供碱渣废液排放。碱渣坝历经多年加高，15 m坝高已达到设计标高，而库区液位已近最高限位，因此现有碱渣坝已不能满足纯碱生产排放需要，影响着三友集团“两碱一化”的循环经济的可持续性。在新的碱渣堆场不具备投用前，有效的办法是对碱渣坝进行加高。滩晒区位于渤海沿海滩涂，碱渣坝地基为十几米厚度的粉质黏土软基，承载力低，震动稳定性差。坝基初期仅2 m左右深度做了抛石处理(抛石沿着坝体纵向两条，每200 m横向连接)。在现有坝体顶面单纯加高坝体，势必造成深层滑弧面抗剪承载力不足而导致坝体失稳，因此坝体加固是坝体加高的前提。为满足废液正常排放，碱渣坝体稳定安全，同时能够加高坝体的条件下，确定切实可行的坝体加固技术方案已成当务之急。

2 碱渣坝加固技术方案的选定

2.1 碱渣坝下游增加反压平台

现有坝体外坡脚已是征地红线，限制了此方案的可行性。

2.2 碱渣坝坝基不加固，坝顶直接内延后修建子坝

子坝需向库区内移50 m甚至更多，内延平台土方工程量非常大，水中作业，施工困难，且严重消减了库容。内延平台及子坝均坐在非常软弱的未固结碱渣膏(含水率高达150%～200%)上，据以往的施工经验，向库内中心方向土方工程竖向沉降量不断加大，远端预估达到1 m甚至更大，同时大量的碱渣膏被挤向库内；为减少沉降，采用扰动较小的复合地基，可水泥碱渣桩国内又没有成熟的技术、施工经验。此技术方案不可取。

2.3 沿现有碱渣坝顶纵向布置多排桩

虽然可以减少内延子坝向库内移动距离，但是为了防止坝体深层滑移，保证坝体的整体稳定，桩身需穿越整个碱渣坝体及坝基下的软弱粉质黏土，进入相对较好的粉砂持力层，导致桩身较长，最少25 m，且大部分需穿越坝基下的抛石，施工困难，且现实条件要求保证库区废液正常排放的状态下施工，而打桩的施工过程至桩体固结前是坝体被消弱、强度稳定性最差的时段，施工期间对软基、坝体的频繁扰动，极易造成坝基坝体失稳，类似事故国内已发生多例。因此该技术方案风险非常大，此技术方案不宜采用。

2.4 碱渣坝下游二级路平台上打桩

桩身进入相对较好的粉砂持力层，仅需穿越二级路平台及坝基下的软弱粉质黏土，最大限度地避开坝基下的抛石，桩长较短18 m，可通过调整桩径，增大抗剪能力，防止坝体深层滑移，且施工期间对主坝体的扰动较小，保证坝体的整体稳定，同时大大的减少了子坝体向库内移动距离，可最大限度地保证有效库容。此技术方案可行。

3 加固桩桩型的选定

3.1 不宜选用预制混凝土桩、钢管桩，现场灌注桩，其他混凝土桩等刚性桩

3.1.1 受力特点

坝体在荷载作用下，由于刚性桩桩体相对周边土体刚度非常大，荷载的作用效应绝大部分由桩体承担，刚性桩先被剪断后，突然退出承载，此时全部作用效应也只能由土体承担，而土体抗剪承载力较低，造成坝体出现微小裂缝后会急剧开展。因此，刚性桩坝体滑弧面抗剪验算只能计取刚性桩的抗剪强度，这种坝体整体发生滑弧位移往往是突发性的、后果是灾难性的。

3.1.2 刚性桩施工特点

预制刚性桩施工采用锤击会产生较大振动，而粉质黏土软基强度对振动非常敏感，会有不同程度的下降；采用静力压桩，桩机重量非常笨重，二级路平台宽度有限，且二级路平台下坝基应力瞬间突然增加很多，容易产生局部不均沉降。现场灌注桩钻机成孔、灌注混凝土至混凝土终凝对软基坝基承载力是一个削弱过程，尤其是混凝土泵车或混凝土地泵的振动给软基强度带来不可忽略的不利影响，且置换出来的大量泥浆处理比较困难。

3.2 选择水泥土桩及类似柔性桩，桩土形成复合地基

3.2.1 受力特点

这种坝体，桩体土体形成复合地基。虽然桩体抗剪承载力较刚性桩小，但是由于柔性桩桩体强度较刚性桩低，桩体与周边土体能够协同变形，柔性桩提高了原有软基的抗剪承载力，桩体土体两者共同承担荷载的作用效应，抗剪能力仍较强。

根据现场碱渣坝体的实际测量及现场工程勘察报告，设计初步核算：滩晒区三面碱渣坝均需加固，共3400延长米，需在二级路面沿着坝体纵向布置水泥土桩，横向5排，直径D900，桩长18 m，其中下部11 m为有效桩长,上部7 m为引孔。总计水泥土桩约6 200根。

3.2.2 柔性桩的选择

1)不宜选用振冲碎石桩、沉管砂石桩、水泥粉煤灰碎石桩。

振冲碎石桩振冲器施工、沉管砂石桩振动沉管、锤击沉管或冲击成孔等带来的频繁振动对使用中的碱渣坝软基强度会产生不可忽视的不利影响，且这种复合地基提高竖向承载力、减少竖向沉降作用明显，但对提高坝体深层弧滑的抗剪承载力不明显。水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)输送泵的频繁振动同样对坝体不利，且施工工艺的特点决定现场将出现大量的泥浆。

2)常用的水泥土搅拌桩直径小，限制了在本工程中的应用。

水泥搅拌桩最大限度地利用了原状土，搅拌时无振动、无噪音、无污染，对原坝体影响小，适用于二级路下粉质粘性土、粉砂坝基。D500及D600的该种桩在本地区有成功施工经验，但是由于注浆压力低，仅适宜15 m以下桩长，制成D900的不可能，设计前现场试桩失败也证明了这一点。

3)最终选用了高压旋喷桩。

高压旋喷桩有：单管法——高压水泥浆；双管法——高压水泥浆、压缩空气；三管法——高压切削水、高压水泥浆、压缩空气。机械设备较轻，施工占地少、振动小、噪音较低，相对污染小，能够最大限度地利用了原状土，能够制成较大直径的水泥土旋喷桩；上部7 m引孔仅为D200～D300,对坝体影响小。但是高压旋喷桩施工时期高压切削水、高压水泥浆、压缩空气对坝体坝基有着不同程度的影响，施工期间需注意监测坝体的变形。

4 艰难的D900旋喷桩现场试桩，历经八个月

4.1 第一次试桩

2017年11月第一次高压旋喷桩试桩。采用三管法，D900，水泥掺量为18%、20%、25%、30%、35%。28天后取芯，结果出乎意料，有效桩长范围内水泥土均未成桩。

分析：有效桩长范围均在地下水位以下，粉质黏土含水率高，不适合带高压水的三管法工艺。

措施：改用两管法。

4.2 第二次试桩

2018年5月，第二次高压旋喷桩试桩。三家试桩单位采用两管法，D900，水泥掺量为28%、30%、35%、40%、45%。7天后取芯结果，其中两家有效桩长范围桩身完整，芯样强度远高于设计强度，但桩径仅达到D500。

分析：桩径仅达到D500，但是试验说明有效桩长范围的粉质黏土、粉砂掺入水泥能够形成水泥土桩。余下的关键工作是采取措施使成桩直径达到D900的设计要求。

措施：对有效桩长、D900整个直径范围内的粉质黏土、粉砂加大切削拌和力度，加大复喷复搅次数，降低钻杆提升速度，钻杆通长。原则上不得提高水泥浆、压缩空气压力，因二者过大对坝基极为不利。

4.3 第三次试桩

2018年6月，第三次高压旋喷桩试桩。三家试桩单位采用旋搅+两管法，即旋搅—高压旋喷—复喷，D900，水泥掺量为28%、30%、35%、40%。7天后取芯结果，其中两家有效桩长范围的强度、桩身直径满足设计要求，桩身基本完整，但桩身顶面下11～13 m连续性较差，桩中心芯样含泥量非常大。

分析：碱渣坝内库区液位高，在上述11～13 m范围内存在地下水渗流，导致部分水泥浆流失。

措施：调整外加剂、钻杆提升速度、降低最后一次复喷水泥注浆压力、压缩空气压力。

4.4 第四次试桩

2018年7月，第四次高压旋喷桩试桩。一家试桩单位，采用旋搅+两管法，即旋搅—高压旋喷—复喷,D900,水泥掺量为35%、45%，各3根。参照上次试桩的施工参数，调整了早强剂掺量及品种，促使上述11～13 m范围内水泥土早凝，降低钻杆提升速度，适当降低最后一次复喷水泥注浆、压缩空气压力。7天后取芯结果，水泥掺量35%旋喷桩，3根桩身完整性、强度、直径达到设计要求，但其中1根桩中心含泥量较大。另3根水泥掺量45%旋喷桩，桩身完整性、强度、直径均达到设计要求，最后选用此应用于工程桩，现场试桩历经8个月终于结束。

5 试桩失败的主要原因

确定已建成大型坝体地基加固技术方案前，应按现行国家标准《岩土工程勘察规范》GB50021要求进行岩土工程详细勘察外，还应查明拟处理地基土层的pH值、塑性指数、有机质含量、地下障碍物及软弱土分布情况、地下水位及其运动规律等，此外还要实地考察，掌握现有坝体的日常运行管理情况。本工程中，有机质含量、坝基抛石、二级路下游坡脚的上清液沟、库区内的高液位形成地下水液位差，尤其是坝基抛石层、饱和粉砂层地层中的带压水是多次试桩失败的主要因素。

6 结 语

即使多方案对比、充分论证后优选的技术方案也必须经现场试验方可用于工程上。如本工程旋喷桩施工工艺、施工参数具有很强的地区性，必须在工程桩对应的具体位置，根据现场试桩结果确定其适用程度。实际试桩耗时，远远超出了工程计划，考虑碱渣坝体安全、工期的现实要求，最终设计选定D900，水泥掺量45%的高压旋喷桩，将最后一次试桩的施工工艺、施工顺序、施工操作参数、水泥品种及强度等级、外加剂掺量及品种作为固定标准，应用于工程桩的施工。

D900大直径旋喷桩现场试验成功及在滩晒区碱渣坝体加固中的成功应用，保证了碱渣废液正常排放下碱渣坝体安全稳定，使坝体加高工程得以实施，延长了碱渣坝的使用寿命，保证了纯碱生产连续稳定运行，为1#、2#、3#碱渣场的碱渣坝体加固加高提供了借鉴经验，同时为筹建新的碱渣堆存场赢得了时间。