旋喷桩在桥梁工程地基处理中应用

马志超

(山西省晋中路桥建设集团有限公司，山西 晋中 030600)

0 前 言

随着我国交通运输的不断发展，桥梁工程对于公路与铁路运输起到至关重要的作用，桥梁作为跨越河流与沟谷的重要枢纽对于交通运输的作用不言而喻[1]。桥梁地基是影响桥梁工程安全的关键因素，一部分桥梁工程地基经常位于河床或者沟谷，桥梁地基多处于软弱土层或沙土层中，桥梁地基不仅要承担桥梁自重以及桥梁过往车辆产生的震动载荷，所以桥梁地基不仅要承担上部荷载还要有一定的地基承载能力。20世纪70年代，日本首次采用旋喷桩加固软土地基，并取得了良好的效果[1]。长江三峡工程也采用旋喷桩加固水库大坝，对软弱地基以及风化严重的岩石进行加固处理。旋喷桩广泛应用于软弱地基加固处理技术。

1 旋喷桩应用

20世纪60年代初期，旋喷桩技术开始逐渐推广，日本最先采用旋喷桩用于地基加固以及施作基坑止水帷幕[2]。旋喷桩技术通过在实践过程中不断改良，逐步应用到桥梁路基加固、住房基坑围护以及山体边坡加固等方面，特别是公路与桥梁交通领域应用更为广泛。旋喷桩是利用旋转喷嘴将水泥浆液以一定压力旋转喷出，同时以一定的速度进行提升，使喷出的浆液与土体混合凝固，形成圆柱形的桩体。在钻机按照设计要求钻好孔后，将注浆钻机的喷嘴放置在土层预定埋深位置，通过喷嘴将浆液以30 MPa的压力喷出，由于喷出的浆液速度较快，含有较大的冲击能量，导致钻孔周围一部分土体在较大能量的冲击作用下剥落，一些土颗粒与喷出的浆液混合形成固结体，旋喷桩示意图如图1所示。

图1 旋喷桩示意图

1.1 旋喷桩加固地基的优点

1)旋喷桩使用范围较广，对土层要求不高，可适用于多种土层以及特殊的地质条件。

2)旋喷桩的加固效果较好，加固强度高，桩体强度可达1 000～10 000 kPa，而且旋喷桩的主要材料是水泥，施工成本较低，经济效益高。

3)旋喷桩的形状与入土角度也是多种多样的，可以是竖直向下也与地表成一定角度倾斜向下，加固区间大。

4)旋喷桩对周围土体扰动中，而且使用寿命较高，不仅可以作为地基加固处理也可作为永久的地基支护结构。施工影响范围小，且旋喷桩形状不固定，可根据工程需要设计旋喷桩形状，施工简单。

1.2 旋喷桩加固分类

旋喷桩根据喷射方式的不同可分为：单管、二管和三管旋喷法，表1为三种喷射注浆分类[3]。单旋喷桩加固机理是将高压浆液通过单根管道喷射出去，利用高速运动浆液切削钻孔周围土体，使切削下来的土体与浆液混合，形成直径为40～50 cm的圆柱形桩体，通过高压喷射的浆体挤压钻孔周围土体，以及浆液压力使钻孔周围土体通过挤压密实。当土体与浆液混合凝固以后，旋喷桩在自重作用下对桩体周围土体也会有一定的挤压密实效果。

表1 喷射注浆法分类表

2 旋喷桩施工工艺

1)施工准备工作。在施工旋喷桩前首先按照图纸设计确定旋喷桩的布置位置，整平旋喷桩周围土体，并在周围空地预先施工排浆池，用于排除钻孔中多余浆液。施工设备主要有TX-100,QT50旋喷钻机，以及BWT100/30高压注浆泵。旋喷桩的主要材料是水泥，当施工机械和使用材料准备好后，检查钻孔机械各个设备的使用性能，以及对水泥进行强度检验，确定水泥强度，并留样保存。

2)成孔施工。在钻孔施工前先要按照图纸进行放样，标记出每一个钻孔的位置。放样结束后调整钻机的角度，每个钻孔的平面误差不应该超过0.5 cm来进行钻机钻孔。旋喷桩施工中为防止挤土现象，应该隔桩施工，最后补齐剩下的旋喷桩。

3)钻机就位。施工前对各个机械进行逐一检查，检查高压注浆泵体内是否有残渣并检查各部位密封圈是否完好，钻机的传动与制动装置是否正常运行，检查钻机与注浆泵各个部位螺母是否扣紧，以及钻机减速箱与变速箱是否正常。在检查施工机械完成之后记录留底。然后使用卷尺测量钻杆长度，在钻孔设计深度留下标记，以便确定钻孔深度以及防止钻孔过深。接着调整钻机的角度，对于竖直桩而言，钻杆的垂直度应当小于1.5%。

4)旋喷桩施工。旋喷桩的施工流程如图2所示，调整钻孔角度以后进行钻孔施工，钻孔施工中注意钻孔转速，对于钻机遇到障碍时应该查明具体原因，遇到卡钻情况应当停止钻孔，防止钻孔角度出现偏差，调整钻孔角度后，然后继续进行钻孔施工。

图2 旋喷桩流程

5)在钻孔施工结束后，将注浆管插入钻孔底部进行旋喷注浆，注浆时应该控制注浆压力与注浆管的提升速度，对于第一根旋喷桩施工，应该在施工结束后进行二次注浆复喷，因为第一次施工旋喷桩的直径往往达不到设计要求，重复喷射浆液增加旋喷桩直径，以满足设计要求。在第一根旋喷桩施工结束以后，清洗注浆管与注浆机具，清理机械内的残留水泥浆液。

3 旋喷桩成桩试验

水泥强度以及土质和旋喷桩成桩质量直接影响旋喷桩的强度，由于旋喷桩的施工特点，导致旋喷桩成桩以后含水量较大，而且在施工旋喷桩时，钻孔周围切削下来的土块与浆液混合，导致桩体自身存在缺陷，桩体密实度有所降低导致旋喷桩的强度有所降低。对工程中常用的C30水泥旋喷桩，切割7 cm×7 cm×7 cm的立方体试块进行试验，实验结果如图3所示，从图3中可以看出，在2个月龄期养护下，试块的抗压强度为11.2 MPa,随着桩体养护龄期的增长，桩体的抗压强度也进一步增长，而且试块的强度增长在养护龄期为6个月以内增长较快，在之后的6～12个月养护龄期内强度增长较为缓慢。从图3中试块的强度增长曲线可以看出，旋喷桩的强度增长曲线明显与普通的混凝土试件不同。其中的原因主要有以下几点：①水泥的水化硬化作用，旋喷桩的主要材料是水泥，水泥石也是桩体主要的强度来源，随着养护龄期的增长水泥不断进行水化，水化凝胶体相互搭接在一起，导致桩体的强度进一步增长；②旋喷浆液使切削的一部分土体被浆液包裹。待浆液凝固以后成为水泥桩体的一部分，水泥的逐渐水化改变包裹土体的结构，随着水泥水化过程中钙矾石晶体的不断增长，晶体之间相互接错形成网状空间结构，周围土颗粒被水化晶体包裹，形成水泥石-土骨架结构[4]，这也是桩体强度不断增长的一个因素。

图3 试验试块强度

4 结 语

1)旋喷桩可以有效加固桥梁软弱地基，通过向钻孔内注射高压水泥浆，由于水泥浆液凝固后具有较高的强度，将桥梁荷载直接传递到坚硬土层中。

2)旋喷桩加固桥梁软土地基效果较好，桩基承载能力较高，而且对于重力式桥台来说可以抵抗一定的水平荷载。

3)对于承载能力较低的饱和淤泥土，可采用竖直旋喷桩作为桥台的承重构件。

4)旋喷桩强度增长与水泥石的强度增长曲线不一致，由于水泥石与包裹的土颗粒成为桩体的一部分，导致桩体强度逐步在增长。

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