浅谈旋喷桩复合地基的设计

王晓军，吴伟杰，尚知宇（苏州中材建设有限公司，江苏 昆山 215300）

0 概述

旋喷桩（又称高压旋喷桩）就是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水、空气成为20～40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，同时钻杆以一定速度逐渐提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个圆柱状固结体（即旋喷桩），以达到加固地基或止水防渗的目的。高压喷射有旋喷（固结体为圆柱状）、定喷（固结体为壁状）和摆喷（固结体为扇状）三种基本形状。喷射注浆有三种：单管法（喷射高压水泥浆液一种物质）、双管法（喷射高压水泥浆液和压缩空气二种介质）、三管法（喷射高压水流、压缩空气和水泥浆液等三种物质）。

《建筑地基处理技术规范JGJ 79—2012》介绍了旋喷桩处理地基的方法。对旋喷桩处理地基的设计则没有具体的方法，以致许多设计人员及施工技术人员在遇到旋喷桩地基处理设计问题时难以下手，本文结合工程案例归纳了旋喷桩复合地基的设计方法及步骤。

1 设计方法和步骤

1.1 旋喷桩的适用范围

旋喷桩适用于处理淤泥、淤泥质土、黏性土（流塑、软塑和可塑）、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。对硬粘性土、土中含有较多的大直径块石、大量植物根茎和高含量的有机质，以及地下水流速较大的工程，应根据现场试验结果确定其适用性。

1.2 旋喷桩复合地基承载力估算

根据地勘报告，按旋喷桩复合地基承载力特征值为180～200 kPa估算基础底面积，可以初步确定桩的直径、桩长、桩间距、桩的根数。

桩径一般400～1000mm，桩长要贯穿基础主要受力层，对于条基不应小于3b（b为基础宽度）；对于独立基础应不小于1.5b，且独基下旋喷桩桩数不应少于4根；对于片筏基础不应小于（1.0～1.2）b，且不小于5m；桩间距不小于3d（d为桩径），不大于6d。

旋喷桩复合地基宜在基础和桩顶之间设置褥垫层，垫层厚度宜为150～300mm，褥垫层材料可选中砂、粗砂和级配碎石，褥垫层最大粒径不宜大于200mm。褥垫层的夯实度应不小于0.9。

1.3 旋喷桩复合地基承载力强度

根据初步定的桩径、桩长、桩间距，按《建筑地基处理技术规范JGJ 79—2012》中的式（1）及（2）计算有粘结强度增强体复合地基承载力特征值：

其中：λ—增强体单桩承载力发挥系数，0.7～1.0；Ra—增强体单桩竖向承载力特征值，kN；Ap—桩的截面积，m2；β—桩间土承载力发挥系数，1.0～1.1；up—桩的周长，m；qsi—桩周第i层土的侧阻力特征值（kPa）；lpi—桩长范围内第i层土的厚度，m；αp—桩端阻力发挥系数，1.0（水泥土搅拌桩取0.4～0.6及桩长过长影响桩端承载力发挥时取低值）；qp—桩端端阻力特征值（kPa），对于水泥搅拌桩、旋喷桩取未经修正的桩端地基土承载力特征值。

最后应采用平板载荷试验确定旋喷桩复合地基承载力特征值，然后按《建筑地基基础设计规范GB50007—2011》第5.2.1条公式pk fa及pkmax 1.2fa验算持力层强度。如不满足要求，可增加桩的数量（即缩小桩间距），或增加桩长，再进行验算，直到强度满足要求。

1.4 旋喷桩复合地基软弱下卧层验算

当旋喷桩长度不是很长，未穿透整个软弱层，这时必须对桩长以下软弱下卧层的强度进行验算。很多人认为持力层强度满足承载力要求，整个地基强度就可以满足，或者认为由现场载荷板试验得出的承载力就是整个地基的承载力。实际因为载荷试验用的载荷板的尺寸不大，所以载荷试验的影响深度较小，它只能反映持力层土的承载力，对软弱下卧层的承载力仍要计算复核，这点要特别注意。

旋喷桩一般情况下都是水泥掺量较大的，单桩具有较高的桩身强度及较大的粘结力，其桩身强度接近于刚性桩，复合地基承载力主要由单桩承载力确定，因此，旋喷桩复合地基在对受力层范围内软弱下卧层进行强度验算时，可参照混凝土类桩复合地基的扩散模型，即桩与桩间土可视为一个假想的实体基础，按群桩作用原理进行下卧层地基强度验算，扩散模型可按两种方法考虑：

第一种：基底压力扩散角α取桩范围各土层内摩擦角加权平均值φ的1/4，同时在假想基础底面到软弱下卧层顶面之间进行二次扩散（如图1）。假想实体基础底面处的附加压力为：

其中：f—假想实体基础底面处的附加压力；po—群桩顶面所受的附加压力；L—混凝土桩的桩长；ao—矩形实体基础长；bo—矩形实体基础宽。

第二种：考虑假想实体基础侧面与土的摩擦力，计算出假想实体基础底面处的附加应力，同时在假想实体基础底面到软弱下卧层顶面之间进行二次扩散（如图2）。假想实体基础底面处的附加压力为：

其中：f—假想实体基础底面处的附加压力；po—群桩顶面所受的附加压力；L—混凝土桩的桩长；γp—桩身长度范围内土的加权平均重度。

图1 从桩顶开始的应力扩散模型

图2 从桩底开始的应力 扩散模型

根据上述两种方法求出实体基础底面处的附加应力f后，再根据桩端以下土层的压缩模量与软弱下卧层模量的比值进行二次扩散，计算出软弱下卧层顶面处所受的附加压力，按《建筑地基基础设计规范》pz+pcz faz公式（pz为荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加压力值，kPa；pcz为软弱下卧层顶面处地基土的自重压力值，kPa；faz为软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa）验算软弱下卧层强度是否满足设计要求（要注意深度修正系数的取值）。

1.5 旋喷桩复合地基变形验算

旋喷桩复合地基的变形沉降按《建筑地基处理技术规范JGJ 79—2012》中第7.1.7条方法对加固区和非加固区均采用分层总和法计算，加固区沉降按复合模量法计算，复合模量提高系数等于复合地基与天然地基承载力的倍数；软弱下卧层顶面的附加应力按《建筑地基基础设计规范GB 50007—2011》第5.2.7条第二款计算。

设计时还要注意以下几点：①旋喷桩复合地基的对立基础除要控制每个基础的沉降外，还要验算相邻基础的差异沉降，差异沉降满足《建筑地基基础设计规范GB 50007—2011》第5.3.4条规定；②对于筏板基础，由于筏板基础刚度大、整体性好，调整不均匀沉降的能力好，除控制最大沉降外，还要注意控制好倾斜量；③旋喷桩复合地基中，因为桩和桩周土的刚度相差较大，为使桩和桩间土更好的共同工作、有效地发挥桩间土的承载力，必须调整桩和桩间土的刚度差（或者说相对位移），因此基础下应设置一层150～300 mm厚的级配砂石褥垫层，并用平板振动器振实（可适量喷水）。

2 工程案例

2.1 工程概况

某水泥厂二期工程，原料配料车间框架柱基础平面（见图3），E轴线X 1轴线～8轴线为新建框架柱，设计要求框架柱基础持力层落在⑥强风化砂岩上，fak=300kPa；地勘剖面图（见图4），①层为回填夯实的素土，现场检测地基承载力特征值为fak=120kPa，桩基参数见表1。

图3 基础平面图

图4 地勘剖面图

2.2 施工遇到的问题

地勘报告在此车间仅有两个布孔，且间距比较大，实际开挖后各土层厚度与地勘报告描述的偏差较大。问题一：6轴线～8轴线设计基底标高-6.0m，实际现场开挖到-4.0m就到⑥强风化砂岩持力层。问题二：1轴线～5轴线开挖至设计标高时，大部分基础均未到⑥强风化砂岩持力层，经现场钎探，到达持力层还要继续下挖深度在2～4m不等，而场地周围环境已经不允许再继续下挖（一侧为一线的电缆桥架，另一侧为一线正在生产的原料配料站基础，存在严重安全隐患）。问题三：1轴线～2轴线间的地基梁设计上质心与重心不重合，偏心较大。

2.3 问题的处理

对于问题一，经与设计人员沟通，6轴线～8轴线的基础按图继续施工，仅将基底标高抬高至-4.0m。对于问题二及问题三要结合基础方案统一处理，设计提出两个处理方案，第一方案灌注桩基础，桩径10000mm，桩长不小于21m，一柱一桩（共8根）；第二方案采用旋喷桩复合地基（现场正好有旋喷桩机）。由于现场场地狭小，1轴线～5轴线已经开挖到-5.3m标高，不适合大型机具作业，而旋喷桩机体积小、运行灵活、施工速度快。项目部经综合分析后，决定采用旋喷桩处理地基，处理后的复合地基承载力特征值设计要求达到fak=300kPa；而且地基梁贯通1轴线至5轴线，地基梁截面及配筋用原设计的2-2剖面施工。

表1 桩基设计参数表 kPa

2.4 旋喷桩复合地基设计

现场按设计提供的计算数据，根据地勘报告剖面图，确定1轴线～5轴线为到持力层部分旋喷桩平面图（见图5），旋喷桩处理深度贯穿①填土层到⑥强风化砂岩，进入⑥强风化砂岩500mm。根据上述公式（1）、（2）来确定复合地基的承载力。

（1）确定Ra。单桩极限承载力标准值：

其中：Ap=0.3 ×3.14=0.282 6 m（旋喷桩直径6000mm）；up=3.14×0.6=1.884m；qsik桩极限侧阻力标准值，qsik=20kPa及260kPa；li按土层划分的各层厚度，li分别为2m及0.5m（按最小长度2.0m考虑，入持力层0.5 m）；αp桩端极限端阻力发挥系数；αp=1.0；Ruk=1.884×（20×2+260×0.5）+1.0×2200×0.2826=942kN。

增强体单桩竖向承载力特征值：

现场单桩竖向极限承载力标准值检测结果为10080kPa。

图5 旋喷桩平面布置图

本案例中，由于上部加固区沉降很小，而下部的下卧层为强风化砂岩，厚度大，压缩模量较大，沉降也是很小，再加上基础采用刚度很大的地基梁，故可忽略总沉降量的计算。目前二线已经投产运行数个月，二线原料配料站未出现任何不均匀沉降。

3 结语

在地基基础设计中包括了对地基的选择和对基础的设计，旋喷桩复合地基施工受场地及地层条件限制小，适用范围很广，固结体形状可以控制；普遍应用于提高软弱地基承载力，减小总沉降变形，特别是减少桩身范围的沉降量，有效减少差异沉降。所以，本案例合理选择地基处理方法和基础形式，不仅可以在技术上满足建筑结构的安全要求，还可以节约造价，缩短工期，达到降本增效的理想效果。