砂卵石回填地基高压旋喷桩处理技术应用

罗 辉，向海泉，刘 民

（中铁二局房地产集团有限公司，四川成都 610031）

随着我国城市化进程的不断加快和城市面貌建设的不断更新，建筑行业蓬勃发展，大量建筑如雨后春笋般涌现，而建筑的设计与施工是建筑安全和品质呈现最为关键的环节。建筑起始于基础，立足于地基。由于工程地质条件的复杂性和不可预见性，并在以高层或超高层建筑为城市建设常态的趋势下，地基的正确处理尤为重要，其直接关系到建筑和生命的安全。陈俊任［1］在岩土工程勘察分析基础上，指出地基遇未固结松散状土可采用高压旋喷桩加固，但具体如何设计和施工尚需探讨。陈海军等［2］在位于抗震不利地段成都某安置房采用了高压旋喷桩进行软弱土加固，阐述了施工工艺流程和试验方法，论述了消除软弱土不利抗震影响的作用。李鸣鹤［3］在对高压旋喷桩复合地基概念、应用和施工质量控制的论述中，强调了施工时指标参数的控制以达到地基强度及稳定性目的。唐延贵等［4］从卵石地基高压旋喷桩加固的方案、施工、检测等方面进行了研究，得出高压旋喷注浆法处理类似软弱层的可行性和适用性。

本文以成都某工程为例，对基于不明地质条件误挖天然地基后的加固处理难题进行深入研究，提出区别于常见天然地基、回填地基等直接加固处理外的复合地基设计、验算和应用，解决超挖、误挖、半填半挖等类似地基加固难题，为类似工程地基处理提供参考。

1 工程实例

1.1 工程概况

某工程位于成都市郫都区，由11栋高层住宅建筑、1栋商业建筑及二层地下室组成，总建筑面积281 683.45 m2，其中地基超挖楼栋7#楼建筑面积19 332.55 m2，建筑高度为88.6 m，地上30层，地下2层，场地类别Ⅱ类，基础形式为筏板，厚度1.4 m，埋深9.9 m，结构类型为剪力墙结构，基础置于中密卵石层，设计地基承载力特征值为500 kPa，平面布置如图1所示。

图1 平面布置

1.2 岩土工程条件

场地地貌单元属岷江I级阶地，地层主要由第四系全新统人工填土层的杂填土、素填土及第四系全新统冲洪积成因的粉质黏土、粉土、细砂、中砂及砂卵石层组成。

场地地下水类型主要为第四系上层滞水、卵石层中孔隙潜水，通过管井降水措施，地下水位降至筏板基底以下约3.5 m。

1.3 地基现状

开挖至筏板以及电梯井基础标高时，发现基底分布有勘察报告未揭露中砂、松散卵石软弱层，与报告的中密或密实卵石层迥异。经五方联合验槽，基于工期因素和最快捷方案处理原则，实施中砂、松散卵石软弱层换填方案，在3个区域超挖3～5 m深度后，仍未见设计持力层后随即叫停。后于现状基底补充勘察6个孔位，其中3个孔位下仍以透镜体形式存在约3～5 m砂、松散卵石层，且经设计验算深度修正后地基承载力仍无法满足，同时基坑底涌现明水，基坑开挖坡面松散卵石层无护坡措施，超挖部分基坑边距相邻1栋在建建筑约8.5 m，距整体地下室护壁桩支护面约6 m，现状情况复杂，具有较大安全风险（图2）。

图2 工程现状及补充勘察孔位示意

2 地基处理方案

2.1 方案选择

经多家专业地基处理资深单位、注册岩土专家、注册结构专家、图审专家等多次现场踏勘和多方案研究，最终提出地基加固方案如表1所示。

表1 地基加固方案

经多次论证，最终从安全、工期、成本、质量等方面综合择优选取高压旋喷桩复合地基加固方案。

2.2 高压旋喷桩设计

根据方案对该建筑基础筏板超挖范围采用级配砂卵石回填后，利用高压旋喷桩满堂布桩进行复合地基处理，基底与桩顶之间设置300 mm厚中砂级配碎石褥垫层，复合地基处理后承载力特征值不小于500 kPa。经计算布置高压旋喷桩756根，设计桩径500 mm，设计桩长为2.3～8.7 m，以中密及以上卵石层作为桩端持力层，且进入持力层不小于0.5 m。

2.3 高压旋喷桩计算

2.3.1 单桩竖向承载力计算

根据补充勘察数据择取最不利BK2孔、超挖深度较浅的BK4孔及未超挖的BK3孔计算（表2），以 《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）［5］相关规定，引入单桩竖向承载力特征值估算公式：

表2 回填和现状补充勘察土层数据

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；up为桩的周长，m，up=1.57 m；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；lpi为桩长范围内第i层土的厚度，m；ap为桩端端阻力发挥系数，按地区经验取值1.0；qp为桩端端阻力特征值，kPa；Ap为桩的截面积，m2，Ap=0.196 m2。

据表2和勘察报告给出的表3土层阻力特征值数据代入式（1），可得表3中Ra。

表3 力学参数和单桩竖向承载力计算

2.3.2 单桩竖向承载力确定

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）相关规定，复合地基桩身强度应满足公式为

式中：fcu为桩体试块（边长150 mm立方体）标准养护28 d的立方体抗压强度平均值，kPa，（工程主要加固土层为卵石层，旋喷后桩体抗压强度取8MPa）；λ为单桩承载力发挥系数，按地区经验取值0.9。

代入式（2）计算得出，满足桩身强度条件下单桩竖向承载力特征值Ra≤435.56 kN，综合对比式（1）与式（2）计算结果，基于安全余量和计算便利最终Ra取值420 kN。

2.3.3 置换率计算

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）相关规定，初步设计时复合地基承载力特征值可采用估算公式为

式中：fsk为处理后复合地基承载力特征值，kPa，该值设计要求为500 kPa；m为面积置换率；β为桩间土承载力发挥系数，按地区经验取值1.0；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa，以最不利的回填卵石层取值200 kPa，即达到地勘报告对应的松散卵石层标准。

代入式（3），计算求得理论面积置换率m=0.174。

2.3.4 布桩计算

将单桩承担的实际处理面积看着一个圆，当单桩处理面积相等时，引入等效圆直径来计算复合地基置换率公式为［6］

式中：d为桩身平均直径，m；de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m。

代入式（4），计算得de=1.2 m。

根据正方形布桩规则de=1.13s，可得出s=1.06 m。

因此，桩间距s取值1.05 m进行正方形布桩计算，从表4可知，面积置换率符合要求。

表4 布桩结果

2.3.5 压缩模量计算

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）相关规定，复合地基压缩模量等于该天然地基压缩模量的ζ倍，可按下式确定：

式中：fak为基础底面下天然地基承载力特征值，kPa，取值为200 kPa。

代入式（5），可得ζ=2.5。复合地基压缩模量Es=天然地基压缩模量×ζ=35 MPa。

由计算过程和结果可知，采用级配砂卵石回填后，利用高压旋喷桩进行复合地基处理方案是可行的。

3 高压旋喷桩施工工艺

3.1 回填压实

基础超挖部分采用级配砂卵石回填压实，卵石粒径以5～12 cm为宜，占总量的70% ～80%，分层回填和压实，分层厚度不超过0.5 m，压实机械反复碾压3～5遍，达到地勘报告对应的松散卵石层密实度，通过现场N120超重型动力触探试验判定；另一方面高压旋喷桩施工前施工参数和工艺应经由现场试验桩确定。

3.2 引孔工艺

为保证成桩质量和降低机械损耗，采用SH-30型潜孔钻机跟管引孔，引孔直径不小于130 mm，孔内置入∅75PVC管件以备旋喷时钻杆下放。

3.3 旋喷工艺

考虑成都地区地基卵石粒径较大，高压旋喷注浆过程中有一定切割力损失，采用双管法进行旋喷施工。

高压喷射注浆采用强度等级为P.O.42.5级及以上等级普通硅酸盐水泥，水灰比0.8～1.2，注浆管桩底停留时间不少于3 min，注浆过程中注浆射流压力大于25 MPa，流量大于35 L/min，注浆管的提升速度0.1～0.2 m/min，气流压力0.7 MPa，喷射管旋转速度小于20 r/min，桩顶l.0 m范围及砂层应进行复喷，成桩直径应大于500 mm，桩身强度不小于8.0 MPa。

3.4 褥垫层

为保证旋喷桩与桩间土共同作用，高压旋喷桩桩顶完成截桩后铺设褥垫层，铺设范围至筏板外侧外延200 mm。褥垫层采用中砂级配碎石，砂石比例为1∶3，最大粒径不宜大于20 mm，虚铺厚度340 mm，压实后厚度为300 mm，夯填度不应大于0.9（夯填度即为夯实后的厚度与虚铺厚度的比值，300/340=0.88＜0.9）。

4 施工周期和试验检测

4.1 复合地基施工周期

2020年12月14日进场对超挖区域回填压实，2021年1月22日高压旋喷桩全部实施完毕，2021年2月2日静载试验完毕，期间遇重度污染天气限制延误12 d，试验检测12 d，因此实际工期为40 d。

4.2 试验检测

委托检测中心依据《四川省建筑地基基础检测技术规程》（DBJ51/014—2013）［7］采用超重型动力触探仪、慢速维持荷载法进行了回填卵石土层N120超重型动力触探试验、单桩竖向抗压静载试验及单桩复合地基静载试验，其中依据规范触探试验按1点/100 m2标准试验9处，静载试验分别按不少于总桩数的0.5%且不少于3个点试验4根桩。

以其中3处N120超重型动力触探试验检测曲线为例（图3），动阻力以探头每贯入地层10 cm的实际锤击数表示，记为N120。以动力触探试验结果进行地基密实度评价（表5），9处回填土密实度为松散～密实，满足设计要求。

表5 地基密实度评价

图3 N120超重型动力触探试验检测曲线

择取单桩竖向抗压静载试验最大沉降量545#桩为例，其荷载-沉降（Q-s）曲线、沉降-时间对数（s-lg t）曲线和沉降-荷载对数（s-lg Q）曲线如图4所示。

图4 545#桩单桩竖向抗压静载试验检测曲线

在桩顶沉降速率达到稳定标准条件下，从试验记录（表6）可知，545#桩单桩竖向抗压静载试验9次分级荷载逐级等量加载达设计最大加载值时桩顶累计沉降值为8.18 mm，4次分级荷载逐级等量卸载后桩顶残余沉降量为5.32 mm；由抽检的4根桩单桩竖向抗压静载试验汇总结果（表7）可知，4根桩分级荷载逐级等量加载至设计单桩竖向抗压承载力特征值两倍即840 kN，各级荷载加载下桩顶沉降速率相对稳定，且累计最大沉降量为8.18 mm＜40 mm，满足规范合格标准。因此，抽检的4根桩单桩竖向抗压承载力特征值不小于420 kN，满足设计要求。

表6 545#桩单桩竖向抗压静载试验记录

表7 单桩竖向抗压静载试验汇总结果

择取单桩复合地基静载试验最大沉降量630#桩为例，其荷载-沉降（P-S）曲线如图5所示。

图5 630#桩单桩复合地基静载试验P-S曲线

在承压板沉降量达到稳定标准条件下，从试验记录（表8）可知，630#桩单桩复合地基静载试验9次分级荷载逐级等量加载达设计最大加载值时承压板累计沉降值为8.19 mm，4次分级荷载逐级等量卸载后承压板残余沉降量为5.92 mm；由抽检的4根桩复合地基静载试验汇总结果（表9）可知，4根桩分级荷载逐级等量加载至复合地基设计承载力特征值两倍即1 000 kN，各级荷载加载下承压板沉降量相对稳定，且累计最大沉降量为8.19 mm＜63mm（承压板宽度1 050 mm的6%），满足规范合格标准。因此，抽检的4根桩复合地基承载力特征值不小于500 kN，复合地基压缩模量不小于35 MPa，满足设计要求。

表8 630#桩单桩复合地基静载试验记录

表9 单桩复合地基静载试验汇总结果

5 结 语

本文围绕地基基于不明复杂地质条件超挖后有别于原始天然地基或回填地基加固处理的特点，经过综合比较确定采用高压旋喷桩技术实施复合地基加固处理，通过高压旋喷桩加固方案的设计及参数计算，从理论上验证了方案的可行性和安全性。施工中合理采用引孔工艺与安全质量控制措施，确保了高压旋喷桩复合地基安全、质量、工期及成本的有效控制。触探和静载试验结果表明，高压旋喷桩加固处理后的复合地基能完全满足设计地基承载力要求，在首保安全前提下兼具实用价值和经济效益，其成功经验可为超挖、回填、半填半挖、软弱地基等类似地基加固提供思路参考和实例借鉴。