高压旋喷桩加固碎石注浆桩在实践中的应用

朱广幸，柴 硕，李家昱

（白城师范学院 土木工程学院，吉林 白城 137000）

0 引言

近年来，随着经济的发展，基础设施建设不断加强，一些特殊地质条件的地区得到开发利用，其中软土地基在荷载作用下，往往会产生沉降或失稳，若不采取措施，会产生不同程度的破坏，导致建筑物和构筑物不能正常使用.

国内外成熟的软土地基处理方式有很多种，比如置换法、复合地基、排水固结等几大类方法.单一的软基处理方法各有优缺点，而将两种不同加固方法进行混合应用的案例较少，本文通过高压旋喷桩加固碎石注浆桩的混合加固实验，得到实验结果和监测数据，为混合加固处理提供参考和指导.

1 工程概况

东南沿海铁路地处海积平原，软土层的厚度超过了20 m深，软土含水量达到65%~82%；孔隙比大，达到1.5~2.5；强度低，抗剪强度只有0.87~8.2 kPa；压缩性和触变性高，压缩模量E=1.35~2.8 MPa.

按原设计进行管桩加固时，经测量监控发现，管桩对已完成施工的结构物有明显挤压现象，对结构物安全造成不良影响，为减少对已完成施工的桥涵结构物的影响，经综合比选，改用碎石注浆桩加固.碎石注浆桩，一般不用配筋，采用取土设备成孔，成孔后放入导管，注入碎石，然后通过导管高压注入水泥砂浆，水泥砂浆一部分渗入土体，一部分与碎石结合成桩，使原来土体得以加固.碎石注浆桩与桩间土体形成复合地基，共同承担荷载；由于碎石注浆桩采用置换原理，对周围土体不产生挤土效应，施工工艺简单易行；同时施工设备采用小型钻机作业，机械设备简单，搬运转场方便，施工时噪声低、振动小，对场地扰动小，主要适用于加固区域上部有高压电力线、框架结构物等导致管桩无法实施的，或容易对结构物地基产生挤压或位移影响的部位和地段.

碎石注浆桩设计桩径0.5 m，浆体的混凝土强度C20，嵌入持力层不少于1 m，路肩范围内按照间距2 m的正方形布置，道路边坡范围内按照间距2.5 m的正方形布置，桩长30~36 m，桩顶设桩帽，尺寸为1.4 m×1.4 m×0.35 m，桩帽顶部铺设两层加筋土工格栅的0.6 m厚的碎石垫层.

2 施工工艺

本项目碎石注浆桩施工工序为钻孔后下注浆管，然后投料、清孔，最后注浆.

（1）钻孔.将钻杆和螺旋套筒联结，通过钻杆的旋转，使套筒部分的刃片切削上层土体，并使土层切入套筒内，待钻入一定深度，提出套筒，清除套筒内的泥土，放下套筒，循环此操作.通过钻杆接长，直到钻至设计要求的深度后钻具在原位慢速回转、掏渣，当沉渣厚度不大于10 cm时方可终孔［1］.

（2）下注浆管.注浆管统一采用直径为3 cm、长度为3~6 m的镀锌铁管，连接方式为丝扣连接，铁管与孔底部距离大约15~30 cm.注浆管放置到位后，应再次测量孔内的沉渣厚度，确保沉渣厚度符合设计要求.

（3）投料.将洁净的碎石慢慢倒入孔内，当填至距孔口2 m左右时，安放并固定钢筋笼，继续填充碎石，至孔口为止.

（4）清孔.孔内填满碎石以后，使用注浆泵通过注浆管将水注入孔内，检测泥浆比重，当泥浆比重小于1.08时方可停止注入清水，清孔结束.

（5）压力注浆.清孔结束后，现场搅拌水泥砂浆，利用注浆泵的压力，将搅拌好的水泥砂浆通过注浆管从孔底逐渐上升，并渗入到碎石空隙及周围土层中.水泥砂浆采用细砂，为增强润滑作用可掺入一定数量的粉煤灰，按照M25配合比搅拌，采用连续注浆.由于注浆过程中引起振动，会使桩顶部分碎石有一定量的沉落，故在注浆过程中应逐步补充部分碎石到桩顶.砂浆在孔口充分溢出后，停止注浆，预留3~6 m注浆管在孔内.30~60 min后砂浆液面标高有所回落，此时再注入一定量砂浆，直至水泥砂浆再次溢出孔口，此为二次补浆过程.

（6）振捣.用插入式振捣器插入桩体1.5 m左右进行振捣，使桩顶砂浆充分密实后，拔出预留的注浆管，此时注浆结束［2］.

3 初次加固效果

本项目最后一根碎石桩施工完成7天后，破桩头进行小应变检测，检测合格后开始桩帽板施工.当桩帽板混凝土强度达到70%后，开始路基分层填筑.路基开始填筑时间与最后一根碎石桩注浆完成时间间隔一般不小于1个月.沉降观测从路基填筑同步开始，直到路基本体及基床表层、工程线路上砟及铺轨，附属工程全部完成.根据实验和观测得到数据如表1和表2所示，可以发现路基继续出现较大沉降，5个月后仍未收敛.

表1 单桩竖向抗压静载实验结果汇总表

表2 碎石注浆桩加固段累计沉降值汇总表

铺轨后，电缆沟出现明显变形，设置观测标志后进行数据采集，20天沉降值达到6~9 mm，大于规范规定的沉降速率.

4 沉降超限原因分析

采用碎石注浆桩加固软土地基，处理区段沉降不收效的主要原因有两个方面.

4.1 不同桩型地基加固容易产生较大的沉降差异

根据碎石注浆桩施工工艺分析，碎石注浆桩施工钻机采用简单旋挖方式，桩底穿透淤泥层伸入卵石持力层后立即终孔，碎石注浆桩桩端伸入卵石持力层不到30 cm.与管桩相比，管桩嵌入持力层达到100 cm左右，碎石注浆桩达不到足够的端头锚固效果，单桩承载力虽满足设计要求，但安全系数较低，路基沉降控制远达不到管桩加固效果.因此，同一加固地段内大面积采用预应力管桩，局部区段采用碎石注浆桩，两种不同桩型地基加固容易产生较大的差异沉降.

4.2 现场工艺控制难度较大

碎石注浆桩在使用简单设备旋挖成孔的基础上，先下注浆管和碎石，清孔后压力注水泥浆填充空隙，是一种小孔径的钻孔灌注桩.注浆工艺控制是碎石注浆桩工程质量监控的关键所在，由于地形条件复杂，注浆工艺控制难度较大.

5 补强加固处理措施

经对沉降未收敛的原因及加固处理方案进行研究，认为碎石注浆桩端头伸入持力层深度不足是造成铺轨后路基沉降超标的主要原因，并提出了采用高压旋喷桩二次加固补强的处理措施.

5.1 加固设计

根据碎石注浆桩桩径0.5 m，路肩内2.0 m×2.0 m、路肩以外2.5 m×2.5 m的布桩形式，在碎石注浆桩间隙布置成孔直径0.6 m高压旋喷桩进行加固，路基坡脚范围内按矩形布置，桩间距2.5 m.桩顶自承台向下1.0 m，正线五列及道岔区桩尖至持力层以上1.0 m.路肩处桩长按设计施工.路基坡脚范围外布置三列，按梅花形交错布置，相邻桩间距1.4 m.桩长从原地面开始，桩端嵌入持力层0.5 m.纵向布置原则距离台背1.5 m布置第一排，至最后一排碎石注浆桩.高压旋喷桩中心桩位可依据现场钢轨及枕木位置适当调整.喷射浆液材料选用P.O42.5普通硅酸盐水泥浆，水灰比1.0.桩体水泥土无侧限抗压强度不小于1.0~2.0 MPa.

5.2 加固施工工艺

加固时主要施工工艺流程为放样定孔位、埋管、满铺方木枕木平台、引孔、钻机就位、旋转钻孔、搅拌水泥浆、旋转提喷水泥浆、回灌、清洗设备、移位.

5.3 主要工序操作要点

结合高压旋喷桩施工经验，为避免旋喷桩施工完成后引起地表隆起，进而破坏轨道和道岔结构，高压旋喷桩补强采用了以下措施.

（1）调整施工参数.高压旋喷桩上部6.0 m压力为15 MPa，下部压力为20 MPa；上部6.0 m水泥为140 kg/m，下部为195 kg/m；提升速度：20~25 cm/min，旋转速度：20 r/min；水泥浆掺1%的早强型高效减水剂.

（2）桩长调整.高压旋喷桩提管至碎石注浆桩帽板以下1.0 m时停止压力注浆；轨道下方五排高压旋喷柱桩端进入持力层后上提1.0 m后开始喷浆提管；路肩处两排高压旋喷桩桩端进入淤泥质黏上层2.0 m.

（3）施工顺序.施工顺序严格按照从台背向路基、先中间后两侧的顺序施工.为避免或减少土体上拱引起地面隆起，桩机采用隔排布置施工［3］.

（4）在台背增加减压措施.在台背后设置130 mm直径的应力释放孔三个，孔深距原地面下15.0 m，孔内填碎石.台背后第一排高压注浆后，才能施工第二排.

（5）沉降及位移观测.施工期间加强沉降及位移观测，对结构物或路基出现较大变形时立即停止施工，调整施打顺序后才能继续施工.位移测量精确到0.1 mm，每个桩必须监测高程和水平变形.每次观测监控位移和高程变化控制在2 mm，观测间隔时间6 h.在施工桩的桩位附近每天4次，其余按每天2次进行检测.累计变形达6 mm或路基变形达10 mm时立即停止施工，调整施工方案.注浆过程中对注浆孔附近观测点每小时观测一次.

6 补强加固处理效果

采用高压旋喷桩加固原碎石注浆桩施工区域，施工期间路基从下沉到稳定、地表上升再到稳定后，随着高压旋喷桩强度不断发育，其承载能力逐步得到体现，路基沉降得到有效控制.

6.1 沉降观测方案

高压旋喷桩施工期间沉降观测点的布设，沿纵向4.0~5.0 m设置一个断面，同时对结构物、紧靠台背断面、碎石注浆桩与管桩相邻断面、间隔5 m的管桩断面，也要设置观测点，横断面每根钢轨上各设置一个测点.

6.2 观测数据分析

本次沉降观测历时83天，每个施工段落布设了路基、轨面、护道（路基坡脚）观测桩.沉降观测曲线如图1所示.

图1 加固补强后沉降观测曲线

由图1可知，旋喷桩施工完成初期，路基和轨面部分趋于稳定，后期出现上升，最大上升2 mm.加固施工完成后4周内沉降速率较大，第5周后沉降趋于稳定，最大沉降量15 mm.

7 结论

采用碎石注浆桩加固软土具有施工简单、可以避免挤土效应，减少对建筑物结构的影响，能提高土体的侧阻强度，改善土体力学性质.但如果软基地下水发育、承载力极低、厚度太深，则成桩过程难以控制缩孔、塌孔等情况，影响成桩质量.

对于出现沉降偏差较大且不收敛的情况，及时采用高压旋喷桩进行补强加固处理，建议从持力层开始喷浆提管，并在后期提管时注意适当降低喷浆压力，距地面50 cm左右停止喷浆，防止地面隆起产生其他破坏.通过补强加固，强化了地基基础，提高地基承载能力，控制了路基的工后沉降［4］.实践证明，采用高压旋喷桩控制工后沉降、治理沉降不收敛的问题，已取得良好的效果，补强加固措施是合理的、工艺是可以控制的，加固效果是满足要求的.