黄土区高压旋喷桩复合地基承载力研究

张举鹏，高鹏远，许晓建，范光辉，葛 夏

（1. 甘肃路桥公路投资有限公司，甘肃 兰州 710010；2. 石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障教育部重点实验室，河北 石家庄 050043；3. 中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089；4. 中咨公路养护检测技术有限公司，北京 100089；5. 中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710016）

0 引言

近年来，随着科技水平的不断提高，地基处理领域的相关技术得到较大发展，特别是关于软土地基的处理的研究日益深入。高压旋喷桩复合地基处理法作为软土地基处理的常用方法，以其灵活实用的特点，在加固地基方面得到了广泛应用，尤其是在黄土地区涵洞和隧道工程中的基底加固更是成为了热门选择。黄土具有强度低、结构性强、水敏性强的特点，在工程上易导致众多病害，进而威胁工后安全运营。采用旋喷桩加固软弱地基能够与周围土体形成具有更高承载力的复合地基，可有效改善黄土地基承载力不足，沉降变形过大的缺点，对于土体抗渗性也有提升。由此，国内大量学者做了相关研究，取得了丰富的成果。刘平平［1］利用聚丙烯管进行模型试验，模拟水泥桩来研究得出复合地基桩身轴力的变化规律。李小杰［2］通过计算分析，讨论了承压板下试验桩数、加固深度与承台宽度的比值、及不同计算方法对地基沉降的影响。赖金星［3］依托大酉山黄土隧道地基加固的实际工程，采用数值模拟对旋喷桩加固基底后黄土隧道的工后变形及加固效果进行分析，总结得出旋喷桩对控制黄土隧道变形效果显著。吴红刚［4］通过模型试验和数值模拟对黄土路基斜向旋喷桩进行研究，得出了不同角度下的斜向旋喷桩的受力特征及变化规律。贾剑青［5］利用现场试验和数值模拟对旋喷桩复合地基承载能力和沉降状况做了分析并得出相关规律，指出现场试验条件对承载力的影响。Kauschinger 等［6］经过大量实际工程的积累，总结出了旋喷桩成桩半径的经验公式。Meyers J 等［7］通过对高压喷射注浆技术处理公路边坡实际工程的研究分析，得出高压喷射注浆技术对提高边坡的稳定性具有显著效果的结论。 Wu Y D［8］依托某高速公路旋喷桩加固工程，通过对旋喷桩加固效果加以分析总结出路基沉降的变化规律。Wong I H 等［9］通过分析旋喷桩施工过程中对周围土及建筑的影响，得出旋喷桩加固开挖基坑可有效降低坑壁变形的结论。

近年来黄土区涵洞及隧道的基底多采用高压旋喷桩加固方法，然而，加固后的复合地基承载力特征值多介于 150～250 kPa，对更高承载力的高压旋喷桩复合地基尚无文献可参考。有鉴于此，本文以兰州新区某连接线互通立交箱型涵洞旋喷桩复合地基加固为依托，通过提高注浆压力及控制较低的转速来提升地基承载力，采用现场实测的方法，对高压旋喷桩复合地基的承载能力进行分析。

1 旋喷桩加固原理

高压旋喷桩是将水和水泥浆混合物或其他流体（空气、水）通过注浆管上的小直径喷嘴以极高的速度喷射到地基土中，浆液在高压作用下会切削和破坏土体，与其形成一种新的水泥—土体结构，注浆管以恒定速率旋转，并缓慢向上提升，一段时间后，注入的浆液在地下凝固，最终形成具有高强度的圆柱形的胶结土体。

注入的流体进入土体前以极大的速度从喷嘴喷出，由于高压喷射流冲击土体时的能量消耗，喷射流的速度沿着喷射的方向产生变化，靠近喷嘴处的喷射流近似于恒定速度v0，而在距离喷嘴较远处，由于浆体的黏性，部分能量转移到周围的水泥—土体结构中，喷射流全横截面的速度都会有一定程度的降低。

喷射流速度vx及其最大值vxmax见式（1）［10］。

式中：v0为喷嘴处的喷射流速度，m/s；Λ为不同喷嘴形状的系数；N为喷射泥浆黏度ξf和水的黏度ξw之比（N=ξf/ξw）；d0为喷嘴直径，m；vx为喷射流速度，m/s；r为表示喷射流横截面外边缘到喷射流中心轴的距离，m；x为表示喷射流距喷嘴的距离，m。

在距离喷嘴x处，喷射流横截面的等效半径req可通过使方程（2）中的vx/vxmax=ξ获得，见式（3）。

式中：req为喷射流横截面的等效半径，m；ξ为喷射流速度与其最大值之比。

因此，喷射流横截面积见式（4）。

为简单起见，对于给定的x值，可假设喷射流速度vx在整个横截面上都是恒定的，等于等效喷射流速度veq，见式（5）。

式中：c为土壤黏聚力，kPa；k＇为喷射流速度的校准系数。

既有研究［11-13］表明，高压喷射流在推进的过程中，由于冲蚀能力的降低，喷射流的速度随与喷嘴距离的增大而减小，最终会存在一个极限距离，此时喷射流不能够侵蚀并破坏土体，这个距离就近似于旋喷桩半径。

等效喷射流产生的单位横截面上的力ψ见式（7）。

式中：γf为注入浆体的重度，kN/m3；vf为冲击点处的喷射流速度，m/s；Ω1为考虑能量消耗的参数。

对于颗粒较小的黏性土，浆体不会渗入土体孔隙，土体表现为连续体。因此，假设土壤不排水破坏，以总应力进行分析。根据土体强度，定义一个极限喷射流速度vL，表示能够侵蚀土体的最小速度。参考 Dabbagh 等人的实验结果，Vc可用经验式（8）表示，这里vf与式（5）中的veq取值相等。

式中：α为一个取决于土壤类型的经验参数。

土体单位面积阻力ψc取决于其不排水黏聚力cu，见式（9）。

式中：Ω3为一个联系土壤阻力与土壤强度cu参数。

当式（7）中的等效喷射流压力Ψ等于土体阻力Ψc时，喷射流速度vf达到极限值vL，vL值取决于土壤强度cu，见式（10）。

式中：Ωc（=Ω3/Ω1）是根据实验结果评估的参数。

令极限速度VL等于由式（5）计算的等效喷射流速度veq，则可得到理论最大旋喷桩半径Rmax。

2 工程应用

兰州新区某公路连接线项目，处于黄土地区，由于黄土地基具有诸多不利特性，需要对线路内涵洞地基做加固处理，考虑到对黄土地基处理效果及现场施工条件影响，工程选用高压旋喷桩复合地基处理方法，本文选取了其中某段工点为研究对象，对高压旋喷桩复合地基承载力进行研究。工点地质勘察结果如表 1 所示。

表1 地质勘察结果

高压旋喷桩复合地基桩体采用采用 42.5 级普通硅酸盐水泥，水灰比为 1.0，桩间距 1.5 m，梅花形布桩，桩径 0.6 m，桩长 7.0 m。采用双重管喷射流对浆体进行喷射，提高注浆压力至 28 MPa，控制转速至 16r/min 及提升速度 15 cm/min，保证成桩质量，高压旋喷桩现场施工如图 1 所示，旋喷桩施工参数如表 2 所示。

图1 高压旋喷桩现场施工

3 单桩复合地基静载试验

3.1 试验准备

静载荷试验是指对桩顶逐级施加竖向或水平力的作用，通过观察分析荷载和位移的关系即p-s曲线，来检测单桩的竖向或水平承载能力的试验方法。本文随机抽取 3 根成桩进行复合地基承载力试验，将桩头表面凝固的浮浆清除，桩头打磨平整，在清理过程中尽可能避免对桩周岩土的扰动，严禁对桩周土采取预压、换填等其他形式的扰动。桩头打磨平整后，按承载板面积铺设厚 150 mm 中粗砂垫层找平，以保证承载板与下部桩周土与桩头接触平整、密实。

试验采用水泥配重块压重平台反力装置，配重块质量 200 t，由 250 t 千斤顶施压，主梁由 3 根 18 号工字钢组成，副梁由 12 根 18 号工字钢组成，采用边长 1.5 m 的正方形承压板，面积为 2.25 m2。复合地基荷载试验装置如图 2 所示。

图2 复合地基载荷试验示意图

正式试验前进行预压，参考规范取预压荷载为最大实验荷载的 5 % 即 35 kPa，考虑到现场表层土较松软取 70 kPa 为预压荷载。试验分十级加载，每级荷载为最大实验荷载的 1/10，即 70 kPa，第一级可取分级荷载的两倍即 140 kPa；卸载分五级，每级 140 kPa。

3.2 试验结果及分析

为了确定单桩复合地基承载力及沉降变形，分为 3 组试验（1 #、2 #、3 #），试验以 JGJ 340-2015《建筑地基检测技术规范》［14］为依据。试验前，先采用低应变对各桩进行完整性检测，检测表明各桩桩身完整。各单桩复合地基p-s曲线如图 3 所示。

由图 3 可知，单桩复合地基在桩顶竖向压力作用下，荷载—沉降曲线为平缓的曲线，通常典型的p-s曲线可按发生顺序分为压密变形阶段、局部剪损阶段和整体剪切破坏阶段 3 个阶段，对应在曲线上的变化应该是直线段、缓变段和陡降段，但在图 3 中可见此种趋势并不明显，比例极限和极限荷载不易看出。依据 JGJ 340-2015《建筑地基检测技术规范》的相关规定，在p-s曲线为平缓的光滑曲线时，可根据相对变形值确定承载力特征值，取s/d=0.008，试验所用承压板边长为 1.5 m，即12mm对应曲线上的荷载值为承载力特征值，有图 3 可知，在最大试验荷载 700 kPa 时各组承压板沉降量在81.25～86.01，且 12 mm 对应的荷载均＞350 kPa。由于所取的承载力特征值不应大于最大试验荷载的 1/2，将各单桩复合地基承载力特征值归结如表 3 所示。

图3 单桩复合地基 p-s 曲线

表3 单桩复合地基承载力特征值

4 结论

在增大桩径、扩大桩底和桩顶、改变水灰比等改进措施下，高压旋喷桩对于黄土地区涵洞的基底加固效果显著，经过旋喷桩加固后的复合地基承载力达到 350 kPa，最大试验荷载 700 kPa 时的沉降量也可控制在 85 mm 左右。该研究结果将对黄土地区采用高压旋喷桩加固复合地基承载力超过 300 kPa 提供数据参考。Q