高压旋喷桩复合地基承载力研究

蒋 浩

（中铁十七局集团第一工程有限公司，山西 太原）

1 惠清项目桥梁桩工程实例

1.1 工程施工建设状况

开展研究前，对惠清项目桥梁桩工程的建设状况进行分析。本次研究的项目标段位于清远市清城区东城街道办境内，项目基本情况如表1 所示。

表1 惠清项目桥梁桩基础工程基本情况

根据现场调研实践发现，此施工段位于岩溶发育地区，区域内的岩溶发育呈现弱～中等，局部发育十分强烈，对桩基础的施工影响较大。通过前期勘察和现场施工建设发现，其中有4 座大桥（江埗1#大桥、江埗2#大桥、朝阳大桥、文洞河特大桥），1 座中桥（白楼中桥）位于岩溶区，发育程度均为中等发育～强发育[1]。

在施工过程当中，文洞河特大桥左幅10-1 在钻进至40 m 处突遇溶洞，桩内浆面突降9 m，回填片石黏土后在钻进至40.6 m 处，桩内浆面突降15 m，回填片石黏土后，钻进至43.8 m 处，桩内浆面突降10 m；右幅11-1 在钻进至43 m 处突遇溶洞，桩内浆面突降8 m 回填片石黏土后在钻进至44 m 处，桩内浆面突降2 m，回填片石黏土后，钻进至46 m 处，桩内浆面突降8 m；右幅18-1 在钻进至38.2 m 处突遇溶洞，桩内浆面突降13 m。

1.2 高压旋喷桩复合地基施工处理技术方案形成

在针对当前桥梁工程溶洞桩基等不良地质勘察分析基础上，技术人员为了防止钻进过程中因突遇溶洞出现漏浆导致塌孔的情况，一般采用加长孔口护筒，片石黏土回填的处理措施。但是，因惠清项目桥梁桩基大部分处于岩溶中等或强发育区，且地质情况复杂、难以预见，地质勘查资料并不能完全反映出桩位地质真实情况，导致施工过程当中多次出现突遇溶洞现象，且溶洞填堵不住，同一桩基出现多次漏浆现象[2]。因此，除常规溶洞处理方法外，可以考虑其他预防措施。

高压旋喷复合桩是在桥梁桩位的两侧采用高压对溶洞双液压浆，以此能够增强溶洞内部填充物的密度，促使填充物凝结在一起，提升强度和硬度[3]。而桩基施工中，可以通过使用双层钢护套筒成孔施工方式，针对土层松散的部分，再次通过设置密度较高的压力旋喷桩，有效截断溶洞地下水渗漏的现象。以上溶洞不良地质施工处理技术应用，可以促使桥梁桩基础与周围有效连接在一起，提升桩基础的粘结性和抗压强度，并且旋喷桩施工方式，有助于保护桩基础两侧存在的建筑物，避免地面出现沉降的现象[4]。

整体上而言，由于溶洞地理地质条件的特殊性，在实际施工建设过程中，工作人员需要强化前期钻探分析，在前期勘察工作完成基础上，详细了解溶洞实际规模、跨桩位建设处溶洞存在的深度、填充物状况、溶洞发育状况等方面基础资料，以此保证整个桥梁桩基础溶洞不良地质施工工作能够安全进行，保证工程施工质量。

1.3 建立高压旋喷桩复合地基承载力计算模型

桥梁桩基础溶洞施工作为当前贯穿桥梁完整性建设的重要组成部分，在实际进行施工建设的过程中，为了在保证溶洞建设稳定性基础上，提升整体的建设水平，需要工程施工人员对当前桥梁桩基础溶洞中的不良地质进行分析，以此提出相对应的施工技术、全面提升施工水平，保证桥梁桩基础施工稳定性、可靠性[5]。为确保相关工作在实施中可以发挥预期效果，在明确工程项目施工技术方案的基础上，引进ABAQUS 软件，进行复合地基结构的受力分析。在此过程中，使用ABAQUS 软件中的有限元建模工具，在明确加载板表面、土体表面为自由边界的基础上，对桩基础施工作业的四周进行水平方向约束，构建如图1 所示的高压旋喷桩复合地基承载力计算模型。

图1 高压旋喷桩复合地基承载力计算模型

计算模型中，设定土层的底部结构为固定边界，参照Mohr-Coulomb，进行土体结构塑性模型的构建。在此基础上，引进线性弹性模型，用其生成桩体结构模型。通过对分布模型的集成，实现对高压旋喷桩复合地基承载力计算模型的构建。

2 高压旋喷桩形成

图2 为高压旋喷桩横断面基本结构示意。

图2 高压旋喷桩横断面基本结构示意

灌浆方式的不同会使得最终高压旋喷桩的结构存在较大差异，三种不同形状的固结体的示意性表示于图3。

图3 三种不同形式高压旋喷注浆

固结体的强度与土体性质、灌浆方式、灌浆材料、年龄等有很大的关系。一般情况下，砂性土层中的固结体强度高于粘性土层，而采用双管三重管方式，因其对淤泥质土层的剪力和搅动效果更好，固结体的强度也高于单管方式，且注浆材料的性能更好，固结体的强度也更高。

3 高压旋喷桩施工与加固

高压喷桩施工技术作为桥梁基础溶洞不良地质施工处理主要的应用技术，在实际高压喷桩施工技术应用的过程中，技术人员要通过前期地质勘察报告，分析明确喷桩的桩径和桩中心距。就此工程而言，将喷桩桩径设置为60 cm，而桩中心距设置为0.5 m 即可，且每根桩的长度为15 m。而对于跨越溶洞处喷桩的设置，优先选择顺延桥位纵向两侧布置，以此形成连续墙形式，将全部长度控制在130 m 范围内。

首先，技术人员需要根据桩位设计标准和需求，确定钻孔孔位，严格控制钻孔孔位的偏差，而每次钻进的入射角度偏差必须低于1°，在前期标定位置之后，使用钻机进行一次性的钻孔，保证钻进过程中钻杆始终垂直，避免出现倾斜的现象。其次，钻进程控过程中，技术人员需要掌握钻进速度，以此在钻进过程中有充足时间考虑对钻进过程的影响因素，确定不同桩位溶洞钻进地质状况。在钻进过程中，如果出现大量渗水和漏水的现象，必须立即停止钻进。然后，在钻进过程中，工作人员需要合理掌握钻杆提升高度，保证全过程钻杆提升的均匀性，按照钻进过程中浆液参数变化确定钻杆提升速度和高度。

在以上工作完成后，则需要喷桩工作，前期做好喷浆浆液配比工作。严格计算、科学试验，确定各种配料配方比，注浆过程中，控制注浆压力。一旦出现注浆溢出问题，立即停止注浆，明确溢浆原因，采取处理措施，再次进行注浆。在基础注浆工作完成后，技术人员需要进行喷桩墙的加固，这就需要针对钻孔灌注口不出现返浆的现象进行处理，通过多方面停喷、静喷、加大浆液浓度的方式，促使空口返浆。在喷桩过程中，技术人员尤其注重喷桩工作进行的连续性。图4 为高压旋喷桩施工示意。

图4 高压旋喷桩施工示意

在高压旋喷桩加固时，考虑地基土体的固结问题，其通常与排水性能相关。这一点可以通过固结系数的计算式反映出来为：

式中：Cv代表地基土体的固结系数；k 代表地基土体的渗透系数；e0代表常量；rw代表固结时间；α 代表压缩系数。由于桩体的加筋作用，高压旋喷桩可以在极大程度上提升地基土体的抗剪强度，促进土体抗剪抗滑能力的提升。

4 复合地基承载力计算

为实现对高压旋喷桩应用下复合地基承载力的进一步分析，通过现场复合地基载荷试验确定承载力特征值。对于散体材料，其增强体复合地基可按照下述公式计算得出承载力特征值：

式中：fspk代表复合地基的承载力特征值；m 代表复合地基置换率；n 代表桩土应力比；fsk代表桩间土承载力特征值。

对于粘结强度增加的复合地基应按照下述公式计算承载力特征值：

式中：λ 代表单桩的承载力发挥系数；Ra代表单桩垂直方向上的承载力特征值；Ap代表高压旋喷桩横截面面积；β 代表桩间土承载力发挥系数。

对于复合地基的承载力极限值可通过下述公式计算得出：

式中：pcf代表复合地基承载力极限值；k1和k2代表修正系数；λ1和λ2分别代表桩体和桩间土强度发挥度；ppf代表单桩极限承载力；psf代表天然地基极限承载力。

根据上述公式计算得出复合地基承载力的极限值，根据具体数值对地基承载力进行分析。桩的成孔质量，特别是上端桩的成孔质量，直接关系到复合地基的承载力。在加载过程中，距离桩顶越40 cm 的位置上桩身轴力达到最大值，此后沿桩长方向逐渐减小，桩底桩身轴力最小。由此可知，桩体在受荷载作用时，其大部分荷载由上部桩体承担。在施工中要重点关注上部桩身施工质量，保证桩体的承担荷载能力。

结束语

桥梁桩基础溶洞不良地质施工技术应用中，技术人员需要强化前期勘察地质状况分析，明确桥梁跨越桩位所在地区溶洞深度和溶洞存在数量基础上，通过设计合理的施工方案，明确施工中复合地基的承载力特性，以此为依据，有效提升灌注桩成孔孔洞施工效果，同时，要在施工中做好浆液的配置和灌浆，从而有效处理渗漏水的现象。并且在不良地质各项施工技术应用中，强化对溶洞周围建筑物的监测，保证建筑物稳定性，施工技术不会对溶洞周围建筑物产生不良影响，以此有序进行施工技术应用，提升溶洞不良地质施工建设效果，建设稳定性的桩基础。为保证桩基础可以在主体结构建造中发挥预期效果，选择高压旋喷桩复合地基作为主体结构建造的关键，对复合地基的承载力展开了研究。以此种方式，为桥梁的牢固性和安全施工发挥基础作用。