高压旋喷型圆形复合支护桩在深厚填土质斜坡工程中的应用及探讨

鲜李 姚博

摘 要：以某市政道路项目为实例，阐述了普通圆形支护桩在深厚填土质斜坡实施过程中遇到的刚度不足及塌孔等问题，提出了一种较为稳定可靠的高压旋喷圆形复合支护桩。该结构主要由高压旋喷复合土及钢筋混凝土圆形支护桩组成，为桩土复合支护结构，由高压旋喷固结体及圆形支护桩一起承担水平土压力，具有防止垮孔，提高支护桩刚度及桩周土体物理力学指标等优点。在分析复合型支护桩受力特征基础上，通过理论推导，得到桩截面刚度提高公式。应用结果表明：采用高压旋喷型圆形复合支护桩可以有效提高桩身刚度，减小支护桩使用阶段水平位移，同时解决了桩基施工过程中垮孔问题，对填土斜坡上的支护桩有一定的普适性。

关键词：深厚填土质斜坡；垮孔；高压旋喷复合支护桩；桩身刚度

Application of high pressure rotary jetting circular composite support pile in deep fill soil slope engineering

XIAN Li1，2， YAO Bo1，2

（1.Chongqing Survey Institute， Chongqing 401120， China；

2.Technology Innovation Center for Spatio-Temporal Information and Equipment of Intelligent City， Ministry of

Natural Resources， Chongqing 401120， China）

Abstract： This article takes a municipal road project as an example to illustrate the problems of insufficient stiffness and hole collapse encountered by ordinary circular support piles during the implementation of deep fill soil slopes. A relatively stable and reliable high-pressure rotary jet grouting circular composite support pile is proposed. This structure is mainly composed of high-pressure rotary jet composite soil and reinforced concrete circular support piles. It applies high-pressure rotary jet consolidated body and circular support piles to bear horizontal soil pressure and has the advantages of preventing hole collapse， improving the stiffness of the support pile， and improving the physical and mechanical indicators of the soil around the pile. Based on the analysis of the mechanical characteristics of the composite support piles， a formula for increasing the stiffness of the pile section is obtained through theoretical derivation. Practical engineering applications have shown that high-pressure rotary jet grouting circular composite support piles can effectively improve the stiffness of the pile body， reduce the horizontal displacement of the support pile， and solve the problem of hole collapse during pile foundation construction. This can be applied to almost all support piles on fill slopes.

Keywords： deep fill soil slope; hole collapse; high pressure rotary jet composite support pile; pile stiffness

深厚填土質斜坡主要为人工回填形成，其成分较为复杂，一般其主要成分为黏土、碎石、破碎的大粒径岩石块体等组成。人工填土受填料来源、施工工艺等因素影响，其内部土石比例不均匀，密实度差异大，各项因素均直接导致了黏聚力和内摩擦角参数普遍较低（孙剑平等，2012），无法直接作为工程的持力层，在后期进行工程建设过程中，需对人工填土进行处理。

目前，在深厚填土场地进行工程建设时，道路支护工程设计采用的主要结构形式为桩基础，然而对于深度超过20 m的填土场地，地下易存在有毒气体、地下水等不利影响，若采用人工挖桩，通风换气困难，进度迟缓，且不可控因素较多，施工安全性差，目前深厚填土段桩基础施工普遍采用机械干法成孔（郭兆胜，2022）。因人工填土内部成分复杂，且局部可能存在孤石架空，桩基在采用机械旋挖过程中极易发生垮孔等工程问题（杨华等，2023；金永等，2005），低标号混凝土回灌工艺处治垮孔费用较高（林君，2020）。

本文以某市政道路项目为实例，为处理圆形支护桩施工期间垮孔，提高桩身永久性刚度，提出了一种高压旋喷圆形复合支护桩，并对其截面刚度提高公式进行了探讨。通过工程实例与传统的圆形支护桩相比，高压旋喷圆形复合支护桩可有效减小支护桩使用阶段水平位移。

1  普通支护桩在深厚填土质斜坡中的运用难点

深厚填土通常为人工活动过程中无序堆填形成，内部成分复杂，土体结构普遍较为松散，在支护桩成孔过程中桩周可见孤石及坑洼，孔壁表面凹凸不平。桩基机械旋挖成孔主要为依靠施加压力的钻头多次旋转钻进土体，通过钻头端部的容器将孔内土体带出孔外，整个成孔过程需多次提升钻杆，多次钻进土体。在旋挖机的多次钻进扰动下，原本已成孔的凹凸不平的桩孔表面极易发生垮孔，表面极为不平整，如图1所示。

支护桩主要为依靠桩周土体提供的横向地基抗力抵抗桩后土压力，受填土内部构成因素影响，其抗剪强度较低，提供的抗力较为有限，尺寸较小的支护桩极易发生移动、偏转，桩顶位移超标。人工填土因内部结构不均匀，存在孤石架空（李国辉，2019；胡子勤，2018；庞元志，2014），桩身使用锚索效果不佳，单一的悬臂桩计算时通常需要采用尺寸较大的支护桩，大直径的支护桩在实施过程中极易出现垮孔等工程问题，垮孔的处治将不可避免地增加桩基成孔二次费用。由此可见，传统的圆形钢筋混凝土支护桩在深厚填土质斜坡中使用存在一定的难点及不足。

2  高压旋喷型圆形复合支护桩构造及施工方法

高压旋喷型圆形复合支护桩主要由圆形支护桩桩身纵向主筋及横向箍筋、高压旋喷复合土固结体等组成，如图2所示。圆形钢筋混凝土支护桩施工前，先对桩周填土层在地表采用高压旋喷注浆加固（马赟，2022），增加人工填土层的固结度。高压旋喷是在较大压力下进行旋转式喷射注浆，高压水泥浆液及水玻璃等浆液对人工填土产生很大的旋转式搅动作用，使注入的浆液和人工填土层拌合凝固为高压旋喷注浆复合土固结体（龙刚等，2010）。高压旋喷处理后的固结体可为后期圆形桩基成孔形成较为有效的圆形保护空间，有效防止其内部圆形钢筋混凝土桩身成孔过程中的垮孔。

高压旋喷质量受到场地地质条件、旋喷压力（何大为等，2022）、水泥用量、旋喷桩布置、旋喷过程中钻杆钻速、施工工艺等多要素影响，高压旋喷压力直接影响对周边土体的挤压力，从而决定浆液渗透范围（徐华等，2023；徐至钧等，2004；张艳芳等，2022；任贵生，2023）。故在大面积施工前，应提前开展试验段施工，根据所处场地的地质条件综合选择注浆压力、水泥用量、水玻璃用量、旋喷桩长等参数，施工过程中应加强施工地质勘察，确定较为准确的岩土层分界线，从而指导施工。

高压旋喷处理完成后，通过坐标定位在高压旋喷注浆复合土固结体内部采用旋挖机施工钢筋混凝土部分桩孔，此时桩基成孔过程中因受到复合土固结体的保护，一般不会发生塌孔。桩基成孔后，投放桩身钢筋笼体系，投放过程中不断调整钢筋笼姿态，保持钢筋笼竖直，随后浇筑桩基混凝土，完成内部钢筋混凝土桩的施工。钢筋混凝土桩施工完成后，可与周边的高压旋喷复合土固结体共同受力，形成了一种钢筋混凝土与高压旋喷结合的复合支护结构，提高了支护结构整体刚度。

由上述可知，高压旋喷型圆形复合支护桩采用高压旋喷固结体形成桩孔保护体，可防止垮孔，同时施工完成后的钢筋混凝土桩与桩周的高压旋喷固结体共同承担桩后土压力，提高了桩身的稳定性，可达到工程所需效果。

3  高压旋喷型圆形复合支护桩受力特征

3.1  桩身内力计算方法

深厚填土主要成分为黏土、碎石、破碎的大粒径岩石块体等，渗透性较大，桩背后的土压力按照三角形分布。因填土参数较低，桩底按照自由支承考虑，桩身锚固段水平地基系数k=m·h，其中m为非岩石地基水平向抗力系数的比例系数（JTG 3363－2019），h代表桩身计算点的埋置深度，水平地基系数随着桩基埋深的增加而线性比例增加。高压旋喷型圆形复合支护桩为圆形钢筋混凝土桩与高压旋喷固结体的复合型支护结构，复合支护桩受力状态呈现类竖向的悬臂梁，锚固段按照由土体抗力系数连续支承的地基梁进行计算，桩身覆土段类似连续支承的竖向地基梁，复合支护桩横断面布置及土压力分布如图3所示。

3.2  计算方法探讨

假定钢筋混凝土部分桩身截面面积为Ac，弹性模量为Ec，高压旋喷固结体截面积为Ae，弹性模量为按照刚度等效原则，得到高压旋喷型复合支护桩折算为钢筋混凝土部分桩身的等效面积Ade。

A_de=（E_c·A_c+E_e·A_e）/E_c

其中，因填土成分及旋喷工艺等因素影响，高压旋喷固结体的弹性模量Ee宜通过载荷试验确定。得到高压旋喷型复合支护桩等效面积后，可直接采用常用的岩土设计软件进行分析计算。因等效面积大于钢筋混凝土部分桩身截面面积，故在输入钢筋保护层时，应按照钢筋实际的保护层进行输入。

4  工程实例分析

某市政道路工程所处区域为深厚填土质斜坡地貌，人工填土普遍较厚，勘察揭露厚度最深处约50 m，土体結构松散—中密，下伏基岩主要为沙溪庙组砂岩及泥岩互层，其中砂岩强度较高，泥岩强度稍低。根据勘察提供的土体物理力学参数，土体黏聚力5 kPa，内摩擦角28°，水平方向比例系数m为8 kN·m-4，本项目前期设计采用直径1.8 m的钢筋混凝土支护桩，桩中心距3.0 m，桩身混凝土强度C35，支护桩悬臂长度10 m，桩身全长25 m，前期设计过程中桩身结构强度及位移计算均满足现行规范要求。

1）施工期间出现的问题

项目施工过程中直径1.8 m的普通钢筋混凝土支护桩钻进时垮孔较为严重，采用C20低标号混凝土回灌后，桩身下部钻进时再次垮孔，桩孔周边土体存在不同程度掏空。用低标号混凝土回灌处理塌孔，受混凝土龄期影响，施工周期长，且1根桩基在不同深度出现多次垮孔，周边的市政道路产生了一定的竖向位移。

2）方案调整

为解决垮孔问题，改善支护桩受力状况，拟修改为高压旋喷型复合支护桩进行支挡，可解决支护桩垮孔问题，同时高压旋喷固结体可提高支护桩桩身刚度。钢筋混凝土部分桩基直径及桩中心距维持原设计不变，沿着直径1.8 m钢筋混凝土桩的桩周外边线均匀布置直径65 cm的高压旋喷固结体，旋喷固结体之间搭接长度按照15 cm控制，桩周合计布置14根直径65 cm的高压旋喷固结体。在确定方案后，项目在大规模实施前采用试桩的方式进行了现场试验，测得高压旋喷固结体的弹性模量标准值为3 000 MPa。

根据固结体弹性模量，支护桩等效面积计算如下：

A_de=（3 000×12×0.331+31 500×2.54）/（31 500）=2.92 m^2，

其中考虑高压旋喷体有一定搭接长度，故计算时扣除搭接长度，按照12根直径65 cm的高压旋喷固结体计算。按照面积换算后，高压旋喷型复合支护桩等效直径约为192.6 cm。采用等效直径进行计算后，高压旋喷型复合支护桩桩身内力及位移计算结果如表1所示。

3）与传统的圆形钢筋混凝土支护桩对比

由于填土的地基强度限制，在对传统的圆形钢筋混凝土支护桩周边进行高压旋喷围护后，桩身受到的内力不会发生明显变化。但高压旋喷型复合支护桩桩身的刚度提高后，通过岩土计算软件得到的桩顶水平位移降低约16%，可有效减小桩基施工对周边环境的影响，同时高压旋喷固结体的先行实施避免了圆形钢筋混凝土支护桩成孔过程中的垮孔问题。

4）现场实施

在项目前期，监测单位对项目周边的主要控制建筑及道路等均进行了布点，做到施工期间全过程监测，同时在桩前土体开挖及雨季等时间节点均加密了监测频率。在项目实施的75 d后，对桩前土体进行了开挖，在施工至120 d时，桩身及周边环境竖向变形得到的监测数据如图4所示。

由图4可知，桩身产生最大水平位移的阶段位于桩前土体开挖的阶段，同时可看出在采用高压旋喷固结体先行固结圆形钢筋混凝土支护桩周后，桩身刚度有一定的提高，在施工至120 d时，桩顶水平位移最大值为36 mm，实测桩顶位移小于理论计算得到的桩顶位移值，表明此类结构对此类地层有一定的适用性。

在圆形钢筋混凝土桩身施工完成后，按照规范要求对桩身进行了完整性检测，并采用超声波对复合桩进行检测，发现高压旋喷固结体与钢筋混凝土支护桩部分衔接紧密，无较大空洞，结构可共同受力，协调变形。检测结论表明桩身完整性较好，满足规范的各项要求。

5  结论

1）本文从实际工程出发，分析了传统的圆形钢筋混凝土支护桩实施过程中存在的难点及不足，提出了高压旋喷型圆形复合支护桩，阐述其构造及受力模式。

2）对理论推导出的复合桩面积进行等效后，可采用传统的设计软件及理论进行计算分析，通过工程实例应用可知，在复合桩实施完成后，桩顶水平位移小于传统的圆形钢筋混凝土支护桩，水平位移减小幅度约16%。

3）高压旋喷型圆形复合支护桩为桩土复合支护结构，可避免钢筋混凝土桩的桩孔垮孔等问题。复合桩实施完成后，高压旋喷固结体与圆形钢筋混凝土支护桩共同受力，协调变形，提高了桩身刚度，对于深厚填土质场地下的支护结构有一定的普适性。

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