浅析高压旋喷桩在既有建筑地基加固中的应用

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摘要：高压喷射注浆（Jet Grouting）技术是加固软弱土体的一种地基处理技术。在软土地区地基加固改造工程中，高压旋喷桩的优势也日益凸显。在本次工程的持续观测中，在建成后两年后，新建结构自身稳定累计沉降量为10mm，沉降差值基本趋于0，达到了预期的设计效果。

关键词：高压喷射注浆；建筑地基；加固处理技术应用

中图分类号：TU4 文献标识码：A 文章编号：

一、 概念

高压喷射注浆（Jet Grouting）技术亦称为旋喷法或高喷法，它由化学注浆结合高压射流切割技术发展起来，成为加固软弱土体的一种地基处理技术。

二、 发展背景

高压喷射注浆创始于20世纪60年代末期，日本中西涉博士在灌浆法的基础上，引进了水力采煤技术，以高压喷射水泥浆液，将土粒搅拌混合成均匀的水泥土固结体（日本称CCP工法），解决了日本大阪地铁建设中难题。 我国于1972年对高压喷射注浆率先进行开发研制工作。1977年冶金部建筑研究总院在上海宝钢工程中首次应用三重管法的喷射注浆工程获得成功。

三、 高压旋喷桩的基本原理与方法

1.）基本原理

三重管旋喷注浆的水、气同轴喷射流在初期区域内，水喷流的速度保持喷嘴出口速度，但由于水喷射与空气流相冲撞及喷嘴内部表面不够光滑，以至从喷嘴喷射出来的水流较紊乱，再加以空气和水流的互相作用，在高压喷射水流中形成气泡，喷射流收到干扰，在初期区域的末端，气泡与水喷流的宽度一样。在迁移区域内，高压水喷射流与空气开始混合，出现较多气泡。在主要区域内，高压水喷射流衰减，内部含有大量气泡逐渐分裂破坏，成为不连续的细水滴状，而同轴喷射流的宽度迅速扩大。空气流使浆的高压喷射流从破坏的土体上将土粒迅速吹散，旋喷时，高压旋喷在地基中将土体切削破坏，加固范围就是喷射距离加上渗透部分或压缩部分的长度为半径的圆柱体。一部分细小的土粒被喷射的浆液所置换，随着浆液流被带到地面上，其余的土粒与浆液搅拌混合。在喷射动压力、离心力和重力的共同作用下，在固结体的横断面上土粒按质量大小有规律地排列起来，小颗粒在中部居多，大颗粒多数在外侧或边缘部分，形成了浆液主体搅拌混合，压缩和渗透等部分，经过一段时间便凝固成强度较高渗透系数较小的固结体。

2.）主要特点

高压喷射注浆适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑或软塑粘性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土等地基，适用面非常广泛。

施工时只需在土层中钻一个孔径为50~90mm的小孔，便可在土体中喷射成直径为0.4~2.5M的水泥土固结体，因而施工时能贴近既有建筑物，成型灵活，施工简便，既可在钻孔的全长形成柱型固结体，也可仅作其中一段。

高压喷射注浆全套设备简单、结构紧凑、体积小、机动性强，占地少，能在狭窄和低矮的空间施工，且振动和噪声较低。

四、 实际工程中的设计比较

某工程原位90年代工业厂房占地2200m2,欲改造为3层商务酒店，建筑面积6600M2，原结构体系为混凝土排架+钢筋混凝土预制屋架的空间体系，基础形式采用D426的沉管灌注桩。根据业主的功能需要和施工的考虑因素，该改造工程结构采用既有结构改造处理中的内套式增层方式，与原有结构设缝脱开，主体结构形式为框架结构。开间为6米，进深为7.5米，南北两侧与原有建筑脱缝，悬挑端为3米。

该工程具体平面布置示意如下：

根据勘察单位提供的工程地质情况至上而下：

①杂填土：杂色，稍湿，松散。顶部10cm为砼块，下部由碎、块石及建筑垃圾为主，粘性土充填，见腐殖质。

②-1粉质粘土：灰黄色，软可塑，局部软塑。切面光滑，稍具光泽，无摇震反应，见铁锰质.地基承载力特征值fak=120Kpa.

②-2粘质粉土夹粉质粘土：灰色，湿，稍密。切面稍粗糙，无光泽，稍具摇震反应，见大量云母碎屑，人性及干强度中等。Fak=110Kpa

③淤泥质粉质粘土：灰色，流塑。切面光滑，无光泽，芯样无法自立，手捏有滑腻感，局部夹粉土薄层，见少量腐殖质，韧性及干强度较低。Fak=70kpa.

④-1粘土：浅灰色，软可塑，局部硬可塑。切面光滑，无光泽，无摇震反应，韧性及干强度高。Fak=150Kpa.

④-2粘土：灰黄色，硬可塑，局部硬塑。切面光滑，具光泽，无摇震反应，见铁锰质结核及氧化铁斑点，韧性及干强度高。fak=220Kpa,

具体土层分布参数详见表-1

表-1

桩基参数详见表-2

表-2

地下水位描述：本工程地下水位稳定，无承压水，稳定水位位于0.5米，本区域地下水物理指标为无色、无味、无嗅、透明。其矿化度为730.33～1227.55mg/L，以淡水为主；Ca、Mg离子总和为13.20～14.35mmol/L，属软水；PH值为7.6～7.8，属中性水。

根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）2009年版12.2按Ⅱ类场地环境类型对环境水进行评价：孔隙潜水对砼结构具弱腐蚀性；对钢筋砼结构中的钢筋，长期浸水条件下具微腐蚀性，干湿交替条件下具弱腐蚀性。

基于工程造价的控制，先进行独立基础的尺寸及沉降量的计算，根据《地基基础设计规范》的公式：

地基承载力修正公式 fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)（1-1）

轴心荷载作用 Pk≤fak（1-2）

偏心荷载作用 PKmax≤1.2fak(1-3)

基础底面压力公式:

轴心荷载作用 （1-4）

偏心荷载作用 Pkmax= （1-5）

沉降公式 s=ψss'=ψs∑ni=1P0/Esi(ziai-zi-1ai-1) （1-6）

地基沉降计算深度公式 s'n≤0.025∑ni=1s'I（1-7）

验算软弱下卧层公式 Pz=lb(Pk-Pc)/(b+2ztanθ)(l+2ztanθ)（1-8）

原工程采用沉管灌注桩施工，基础埋置深度考虑-2.00米，根据勘察报告描述，基础底综合有2.5米厚度的持力层，但持力层下有厚度为10.1米的淤泥质粉质粘土层，为节约工程造价及施工方面因素，对基础采取独立基础及复合地基、桩基的处理方式，由于原有建筑物层高的限制，采用桩基方案需要选用能在限高的情况下便于施工的方案，选用300x300的锚杆静压桩方案及D800桩径的高压旋喷桩方案，桩长均至④-1粘土层，长度为15米。对三种思路的基础尺寸，沉降量，沉降差及桩数进行比较，选取相邻柱跨3个KZ轴力做比对，独立基础计算列表详见表-3，高压旋喷桩计算列表详见表-4，锚杆静压桩计算列表详见表-5：

根据《建筑地基基础设计规范》承载力修正系数表取深度修正系数为1.0，宽度不进行修正，及地基承载力修正公式（1-1）

Fa=120+1.0x18.5x(2.0-0.5)=147.8Kpa.

Faz=70+1.0x18.5x(4.5-0.5)=144Kpa.

对独立基础还需进行软弱下卧层验算,根据公式（1-8）

1697/ =42.75Kpa

Pz+Pcz=42.75+18x4.5=123.75≤144Kpa 满足要求

根据《建筑地基处理技术规范》中高压旋喷桩的计算公式：

地质勘查报告只提供了预制管桩的参数，根据《建筑桩基技术规范》里表5.3.5-1及表5.3.5-2的比对，高压旋喷桩摩擦力的特征值取值同预制管桩，桩底端承力根据桩长取预制管桩0.5倍，根据1-10公式可得

Ra=0.8x3.14x(2.5x12+8x10.1+2.4x25)+0.64x3.14x500/4=420KN

高压旋喷桩桩间距为1.3米x1.3米，

《建筑地基处理技术规范》复合地基初步计算公式：

(1-11)

-复合地基承载力特征值

M-面积置换率

Ra-单桩承载力特征值

Ap-桩截面面积

β-桩间土承载力折减系数，宜按当地经验值取值，若无经验可取0.75~0.95，

天然地基承载力高时取大值。

fsk-处理后桩间土承载力特征值（Kpa）,宜按当地经验，如无经验，可取天然地基承载力特征值。

根据1-11公式可得：

=0.3x420x4/(0.64x3.14)+0.75X0.7X120=313kpa

根据1-1公式可得：

= =313+18x1.5=340Kpa

根据《建筑地基基础设计规范》复合地基的压缩模量的计算应按：

高压旋喷桩处理后的土体压缩模量详见下表：

独立基础变形计算深度范围内压缩模量的当量值:

高压旋喷桩处理后变形计算深度范围内压缩模量的当量值：

《桩基基础设计规范》的桩基承载力及竖向力公式：

考虑锚杆静压桩为为预制桩，桩竖向承载力标准值采用经验参数法来确定：

桩基竖向承载力

根据1-15及1-16 公式 0.3x4x(12x2.5+8x10.1+2.4x25)+1000)=295 KN

表-3

表-4

表-5

表-6（假设独立基础面积以100平方米为基数）

综合比较，独立基础理论计算可行，实际沉降量及沉降差均能满足《建筑地基基础设计规范要求》，但基础尺寸与原有厂房结构基础相碰，累计沉降量超100mm，基础结构合理性较差，独立基础在实际设计时不可行，只能变相调整为筏基，控制沉降的性能仍较差，锚杆静压桩沉降量数据最优，由于锚杆静压桩桩径小，单桩承载力低，单个承台需布置多根桩，承台尺寸较之高压旋喷桩基础偏大，而且在与原有柱临近的柱下基础，布置桩的空间非常有限，以至于需要布置成联合承台，从受力清晰明确角度分析，没有高压旋喷桩的受力机理明确。高压旋喷桩与静压锚杆桩的桩数相近，根据桩基施工比对估价，高压旋喷桩的造价约为锚杆静压桩的0.7倍。选择采用高压旋喷桩位最终地基处理方案。

五、结束语

高压旋喷桩技术在软土地区的运用已经非常普遍，在南方地区一般作为基坑围护工程的高效止水措施，但在加固改造工程中，高压旋喷桩的优势也日益凸显。在本次工程的持续观测中，在建成后两年后，新建结构自身稳定累计沉降量为10mm，沉降差值基本趋于0，达到了预期的设计效果。

参考文献

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