某国道高速公路高压旋喷桩软基加固技术应用分析

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摘要：文章介绍了高压旋喷注浆技术的机理，结合其在某国道高速公路工程软土地基处理的施工，从关键参数、施工工序、过程控制等方面进行了论述，分析了易出现质量问题的原因提出解决办法，并总结了高压旋喷桩施工中质量控制的一些经验和要点。

关键词：高压旋喷桩；软基处理；质量控制

中图分类号：TU6 文献标识码：A

1 工程概况及地质情况

1.1 工程概况

某国道高速公路工程起自天津滨海新区大神堂附近，止于京沪高速石各庄镇东南，远期西延京津高速公路三线，途径蓟运河、潮白河、青龙湾故道、北京排污河、引滦明渠、永定河泛区、北运河等，二期工程全线采用全封闭、全立交双向8车道的高速公路标准，设计时速120km/h，路基宽度42m。

1.2 水文地址情况

本工程地表沟渠较多，浅层地下水主要是空隙潜水，受降水及河水补给等影响较大。经勘测，揭示了全新统(Q4)及上更新统(Q3)部分地层，地基土层按时代、成因和工程地质性质综合分析，可划分为9个地质时代的土层，每层土根据物理力学指标可进一步分为若干亚层，具体如下：第一层：人工填土层(Qml)；第二层：第Ⅰ陆相层(Q43al)；第三层：第Ⅰ陆相层(Q43l+h)；第四层：第Ⅰ海相层(Q42m)；第五层：第Ⅱ陆相层(Q41h)；第六层：第Ⅱ陆相层(Q41al)；第七层：第Ⅲ陆相层(Q3eal)；第八层：第Ⅳ陆相层(Q3cal)；第九层：第Ⅴ陆相层(Q3aal)；其中，第二层至第五层土质均处于可塑-软塑甚至流塑状态，中-高压缩性，工程地质较差，第五层层底标高-13.73～-11.82m；第六层以后由亚粘土、砂土等组成，处于可塑-硬塑状态，中-低压缩性，土质转好。

2 高压旋喷桩机理及关键工艺参数

2.1 高压旋喷桩原理

2.1.1 高压旋喷桩概述

高压旋喷施工，就是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻至土层预定的位置后，用高压旋设备将水泥浆从喷嘴中喷射出，冲击切削土体。当能量大、速度快、呈脉动状的喷射流的动压超过土体结构强度时，土粒便从土体中剥落下来，一小部分细小土粒随浆液冒出地面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力及重力等作用下，与水泥浆液搅拌形成混合浆液，并按一定的浆土比例和质量大小，有规律的重新排列。浆液凝固后，便在土中形成一个有一定强度的圆柱状固结体，这就是旋喷桩。

2.1.2 加固机理

⑴因为有旋喷桩的存在，使得软弱土层在荷载作用的下，由原来的无侧限状态转变为有一定边界条件的应力状态，从而提高了旋喷桩之间土的强度；⑵由于旋喷桩在自重作用下对其周围有一定的挤密压实作用，即桩的侧壁摩擦阻力，也使得桩周围的软弱土层承载力提高；⑶在旋喷施工中，由于高压喷射流的冲击，旋喷作用范围内的土体被切削、破坏，土体中的一小部分颗粒被喷射浆液置换出地表，其余的颗粒则重新排列分布，一般情况下，小颗粒在中部居多，而大颗粒或土团多分布在外侧或边缘，四周未被切削下来的土体被挤密、压缩，从而提高了被处理断面的承载力；⑷旋喷结束后，当水泥土混合浆液尚未凝结时，这种浆液由于初始压力的作用，将对四周的土体存在一定的挤压力，并产生压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的空隙中，形成“脉”状、“板”状水泥结石体，这种情况在开挖检查中比较明显，同样也提高了土体的承载力。

2.2 关键工艺参数

按照设计图纸，通过对试验段试桩的总结、加固土的室内试验结果、被加固土的性质及单桩承载力的要求等综合因素，确定了以下设计参数和施工参数。

2.2.1 设计参数

⑴桩长：按区域10m-18m不等；⑵桩径：0.60m；⑶布置形式：间距2m，梅花型布置；⑷水灰比：1：1；⑸桩芯无侧限强度(28d)：桩顶-2/3L:≥4.2MPa，2/3L-桩尖：≥3.3MPa。

2.2.2 单桩承载力：

⑴喷嘴直径：φ2.5mm；⑵注浆压力：25-30MPa；⑶钻杆旋转速度：18-22r/min；⑷钻杆提升速度：200-250mm/min；⑸水泥用量：不少于200kg/m；⑹水灰比：1：1；⑺相对密度（灰浆比重）：1.52；⑻水泥：P.O32.5（325普通硅酸盐水泥）。

3 高压旋喷桩的质量控制

3.1 主要工艺的技术要求及质量控制

3.1.1 测量放线

定位轴线采用全站仪放样，然后计算每根桩的偏角及距离坐标，用尺测放，桩位偏差不大于5cm。

3.1.2 钻机就位

钻机应平稳安放于设计孔位之上，并确保垂直，使用水平尺及机架上的垂线进行双向控制，倾斜率不得大于1%。

3.1.3 浆液配置

水泥和水在检验合格后方可使用，应严格按照1：1的设计水灰比配置水泥浆。根据各机组搅拌桶的体积大小准确标定每桶浆液水及水泥的用量，充分搅拌均匀，搅拌时间不少于3min。施工过程中应定时、不定时的用比重计检查浆液比重。

3.1.4 钻孔

钻孔时按照“先两侧，后中间”相隔跳跃式成桩，以使两边强度平衡，减少偏移，防止窜孔。为了预防泥砂堵塞喷嘴，应边射水边钻进，水压不超过1MPa。

3.1.5 喷射

当喷管插入至预定深度后开始施压，浆液喷出并达到设计压力后进行旋喷，桩前端原地旋喷不少于30s，然后自下而上旋喷提升，提升至桩头以下2m范围内，重复旋喷下沉提升，进行复搅。施工过程中应检查注浆压力、旋转速度、提升速度、浆液初凝时间等，并做好相关记录。

3.2特殊情况处理

3.2.1孔口冒浆量少、不连续或不冒浆

此种情况的原因有两种：一种为土质过于松软，可适当进行复喷处理;第二种为地层中可能有较大空隙，应在浆液中掺入适量的速凝剂，缩短固结时间，或减少用水量，在不返浆地段进行静止灌浆，直至孔口返浆后，再正常旋喷注浆。

3.2.2 孔口冒浆量过大

冒浆量小于注浆量的20%，视为正常现象，超过20%应采取以下措施：可适当增加旋转速度，加快提升速度，增大喷射压力，适量缩小喷嘴直径。有时大量冒浆但压力下降，可能是注浆管被击穿或有孔洞，使喷射能力下降，此时应拔出注浆管进行检查。

3.2.3压力上不去

可能是以下原因，应逐项进行检查：安全阀压力过低，或吸管内留有空气或密封圈泄漏;栓塞油泵调压不够;泵阀损坏，油管破裂漏油;安全阀和管路接头处密封圈不严;活(柱)塞或缸套损坏。

3.2.4 压力骤然上升

原因有三，应检查修复：泵体或出浆管路有堵塞;喷嘴堵塞;高压软管清洗不净，浆液沉淀或其他杂物堵塞，影响管路通畅。

3.2.5 压力不稳定

出现这种情况时应检查：油管是否泄漏;泵体或吸浆管是否有泄漏或存在空气;泵体注塞杆是否过长;泵体在安装时是否严密。

3.2.6 注浆间断后的处理

在施工过程中，若出现设备故障等情况造成注浆间断，应立即检查修复或使用其他旋喷设备，在固结初凝之前继续施工。为防止注浆间断造成固结体内出现软弱夹层，影响固结体的均匀性和整体性，需要进行搭接处理，搭接长度可按下式计算：

式中：A-注浆间断后重新喷射注浆时要求的搭接长度，不得小于10cm;a-固结体收缩率，由现场试验确定;b-注浆间断前喷射总高度(cm);t-注浆间断时间(h)，大于2h时以2h计。

4 效果检验

4.1单桩承载力检测

经静载和抽芯检测，结果表明，所测4根桩的单桩竖向极限承载力值均不小于620kN，满足设计要求。

4.2 触探及钻孔抽芯检验

检测结果表明4根高压旋喷桩芯样呈柱状，直径均大于0.60m，喷灰量正常，喷灰均匀，桩长达到设计长度。对试件进行的无侧限抗压强度试验，抗压强度为4.32MPa-4.91MPa，满足设计要求。

结语

高压旋喷桩应用于公路建设中处理软土地基和桥头回填段，可增大地基刚性、改善地基结构性能，有效防止和减少由于不均匀沉降及桥头跳车现象。同时，高压旋喷桩施工方便，设备简单，其主材为水泥，料源丰富，成本较低，质量可靠，成功经验很多，尤其在天津这样地基较软，土质较差的海滨城市，值得推广。