高压旋喷桩在不均匀地基中的应用

高压旋喷桩在不均匀地基中的应用

杨文华

江苏东华市政工程设计有限公司

摘要：

高压旋喷桩复合地基利用高压旋喷桩桩体对周围土体的挤密作用，增大了桩间土的有效应力，从而提高桩间土的强度，使得地基承载力提高，并减少地基的不均匀沉降差异，实现安全、高效、环保的建设要求。本文对采用高压旋喷桩复合地基处理丹阳市某污水处理厂细格栅及曝气沉砂池不均匀地基中的软土区的方案设计进行了总结，为后续类似工程的应用提供了参考借鉴。

关键词：高压旋喷桩、复合地基、不均匀地基

前言：

不均匀地基是指单体建（构）筑物不同区段地基的工程性质变化极大，由软硬程度或厚度变化较大的土层构成的地基[1]。当设计厂区单体遇到该种地基情况时，须着重解决由于软、硬土土体工程性质不同、承载力不同而导致沉降差异较大的问题。硬土区由于地基承载力较高，往往可以利用天然地基作为单体建（构）筑物的基础持力层，因此需要对软土部分区域进行地基处理，以达到提高软土区地基承载力，减少地基沉降异的目的[2]。

工程概况：

拟建工程位于丹阳市某污水处理厂，该工程为改扩建工程，厂区新建单体细格栅及曝气沉砂池基础范围内存在不均匀地基土，池体地基西侧为软土区，东侧为硬土区。该处地基土软土区与硬土区交界较为明显，位于单体基础中间位置，垂直池体长边方向。由于该单体距离现状池体较近，施工操作空间较小，限制施工机械尺寸，工期紧迫，故在此种工程背景情况下，须选择满足施工可行性、便捷、工期短、且对周围建（构）筑物单体影响较小的地基处理方案。

地质情况：

（一）地形地貌

拟建场地位于现状污水厂周边，场地现为农田、树林和荒地，场地内存在多处排水沟，水深约0.7~0.8米。施工时场地较为平整，整平标高为5.20米。

（二）场地土工程地质特征

根据勘探揭示，场地地基土层在埋深25.95m深度范围内根据时代成因及物理力学性质将地基土可分为8层，自上而下分述如下：

①层素填土，结构松散，土质不均匀，压缩性高，密实性差，层厚0.30~1.80m。不可直接作为天然浅基础持力层；

②-1层粉质黏土夹粉土，中压缩性土，强度低，分布不稳定，土质不均匀；层厚0.00~2.50m，fak =100kPa。

②-2层粉土夹粉质黏土，中压缩性土，强度一般，分布不稳定，土质不均匀；层厚0.00~2.30m，fak =100kPa。

②-3层淤泥质粉质黏土夹粉土，高压缩性土，强度低，分布不稳定，土质不均匀；层厚0.00~6.90m，fak =70kPa。

③层粉质黏土夹粉土，中压缩性土，强度一般，分布不稳定，土质不均匀；层厚0.00~7.40m，fak =210kPa。

④层粉质黏土夹粉土，中压缩性土，强度一般，分布不稳定，土质不均匀；层厚0.00~4.30m，fak =160kPa。

⑤层粉质黏土，中压缩性土，强度一般，分布较稳定，土质较均匀；层厚3.00~7.30m，fak =230kPa。

⑥层粉质黏土，中压缩性土，强度较高，分布较稳定，土质较均匀；层厚0.00~4.30m，fak =250kPa。

⑦层粉质黏土夹粉土，中压缩性土，强度一般，分布不稳定，土质不均匀；层厚0.00~3.90m，fak =120kPa。

⑧层粉土，中压缩性土，强度一般，分布较稳定，土质较均匀，fak =220kPa。

设计方案：

新建细格栅及曝气沉砂池为架空式钢筋混凝土水池结构，局部池体下部空间兼做鼓风机房，单体平面尺寸38.75m×6m，净高8.6m，埋深1.50m，为降低不均匀地基对池体沉降差异的影响，在该池体沿宽度方向在软硬地基交界处设置伸缩缝，缝内设置橡胶止水带。

细格栅及曝气沉砂池采用筏板基础，经计算，其所需地基承载力须达到85kPa。该单体基础持力层为②-2层粉土夹粉质黏土层（fak =100kPa），此层土体分布不均匀且局部土体较薄。单体东侧基础持力层下卧③层粉质黏土夹粉土层（fak =210kPa），地质坚硬，该侧原状为稳定土层可作为持力层；单体西侧基础持力层下卧②-3层淤泥质粉质黏土夹粉土层（fak =70kPa），基础范围内②-3层土层厚0.00~6.00m，具有高压缩性，须对其进行软弱下卧层验算，经验算，承载力及沉降均不满足设计要求。为提高地基承载力，减少沉降差异，须对该处地基软土区进行地基处理。

软土地基是指由天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高、渗透系数小、承载力强度低等不良物理力学性质的软弱土组成的地基。其成分为淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土。[3]在市政给排水工程建设中，经常会遇到需要对软土地基进行处理的情况，以便大幅度提高地基承载力，减少基础沉降。常见处理软土地基的方法有置换法、排水固结法、复合地基法、桩基础法等[4]。

由于该细格栅及曝气沉砂池地基软土区范围内须处理的淤泥质土最深可达6m，若采用置换法，须将淤泥质土全部清除后分层回填砂石并夯实地基，开挖回填方量较大。因该单体临近现状建（构）筑物，须对其进行基坑支护，费用较高。排水固结法施工周期较长，影响施工进度；且该处施工空间有限，若采用PHC管桩，大型机械设备无法进入；另钻孔灌注桩造价较高。综上所述根据经济性、适用性的分析，最终选定采用高压旋喷桩复合地基处理方式以达到提高承载力并降低沉降差的目的。

高压旋喷桩加固软土地基是复合地基综合设计的一项应用技术，工艺成熟、发展迅速。高压旋喷桩是指水泥浆液通过高压喷射，切削周围土体，边旋转边提升，被切削下来的土体与水泥浆液搅拌混合，经过凝固后，形成固结体。固结体形状可以根据喷射方式进行选择，灵活多变[5]。由于高压旋喷桩桩体对周围土体具有挤密作用，增大了桩间土的有效应力，从而提高桩间土的强度，使得地基承载力提高，从而起到承担上部结构荷载、减少沉降的作用。该方法具有施工效率高、质量可靠、施工工艺简便、降低施工成本，节约大量土石方等优点，使得此方法广泛应用在市政、民用建筑以及公路建设等领域[6]。

高压旋喷桩应穿透②-3层淤泥质粉质黏土夹粉土层到达③层粉质黏土夹粉土层或④层粉质黏土夹粉土层等地基承载力相对较高的土层。复合地基设计时，根据《建筑与市政地基基础通用规范》（GB 55003-2021）、《复合地基技术规范》（GBT50783-2012）、《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）、《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）相关条文公式计算复合地基承载力特征值及单桩承载力特征值。经计算，软土区地基处理采用直径600mm高压旋喷桩复合地基，总桩数为202根，桩间距1.10mm，桩长7.0m，处理后的复合地基承载力特征值不应小于100kPa，单桩竖向承载力特征值不小于105kN。按分层总和法计算地基最终变形量为28mm，且两侧地基变形量基本一致，均满足小于200mm的沉降要求，减少了沉降差异，确保厂区运行期间池体的安全稳定。为协调桩土相对变形，使桩土协同受力，在高压旋喷桩复合地基的基础和桩顶之间及硬土区基础下部均设置1:1砂石褥垫层，厚度300mm，最大粒径不宜大于20mm，夯填度为0.90。细格栅及曝气沉砂池复合地基平面布置图如图1所示。

图1.细格栅及曝气沉砂池复合地基平面布置图

高压旋喷桩采用双重管施工，实际施打时浆液停喷位置应高于桩顶设计标高300～500mm。主要材料为水泥，使用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥浆液的水灰比根据地质条件确定，可取0.8～1.2。高压喷射注浆的施工参数（包括压力、浆液流量、喷嘴孔径、旋转速度、提升速度、注浆管外径、水泥掺入量）应根据土质条件、现场情况及施工单位经验确定，待正式施工前先进行试喷确定，高压旋喷桩处理后，土体抗压强度不小于1.50MPa。

施工过程中应注意对水泥浆压力的控制，防止地面隆起。高压喷射注浆的施工工序为机具就位、贯入喷射管、喷射注浆、拔管和冲洗等。当喷射注浆管贯入土中，喷嘴达到设计标高时，即可喷射注浆，应由下而上喷射注浆。高压旋喷桩应全孔连续作业，单拆卸喷灌或因故中断恢复施工时，应进行复喷。在高压喷射注浆过程中出现压力骤然下降、上升或冒浆异常时，应查明原因并及时采取措施。高压喷射注浆完毕，应迅速拔出喷射管。为防止浆液凝固收缩影响桩顶高程，必要时可在原孔位采用冒浆回灌或第二次注浆等措施。施工过程中，钻孔的位置与设计位置的偏差不得大于50mm，并应注意对垂直度的控制，垂直度偏差不大于50mm。施工第一批桩（不少于6根）必须在监理人员监管下施工，以确定实际水泥投放量、浆液水灰比、浆液泵送时间、搅拌下沉及提升时间、桩长以及垂直度控制方法，以便确定桩的正常施工控制标准。 

高压旋喷桩可根据工程要求和当地经验采用开挖检查、钻孔取芯、标准贯入试验、动力触探和静载荷试验等方法进行检验；成桩质量检验点的数量不少于施工孔数的2%，并不应少于6点。承载力检验宜在成桩28d后进行，旋喷桩复合地基承载力检验应采用复合地基静载荷试验和单桩静载荷试验，检验数量不得少于总桩数的1%。复合地基静载荷试验的数量不得少于3台。

根据《地基基础工程检测报告》所出具检测结果，通过复合地基静载荷试验数据分析，处理后的复合地基承载力特征值达到100kPa；单桩竖向抗压静载荷试验结论显示单桩竖向承载力特征值达到105kN；低应变桩身完整性检测显示无不合格桩出现，桩身完整、施工质量良好。综上，该细格栅及曝气沉砂池软土区地基处理采用高压旋喷桩复合地基可达到设计需求。

结论：

该污水厂厂区竣工后运行良好，细格栅及曝气沉砂池未出现沉降不均匀现象，沉降满足设计使用要求。随着工程建设的大力发展，在市政工程、建筑工程、水利工程等领域广泛应用高压旋喷桩复合地基处理软土以达到提高地基土承载力，降低沉降差异的目的，且因其具有经济环保、施工效率高、机械设备灵活、对周围原有建（构）筑物影响较小的优势，值得推广使用。

参考文献

[1]刘海源,李致立,李成芳.高压旋喷桩复合地基在软土地基处理中的应用[J].重庆建筑,2022, 21(07):70-72.

[2]潘华林,钱和平,蔡泽恩,兰燕,郭轩恺,洪义.高压旋喷桩加固高灵敏软土地基现场试验研究[J].地基处理,2021,3(01):71-75.

[3]刘杰. 高压旋喷桩复合地基承载力研究[D].兰州交通大学,2019.DOI:10.27205/d.cnki.gltec. 2019.001049.

[4]贾剑青,刘杰,赖远明,李明正.高压旋喷桩复合地基承载力研究[J].中国铁道科学,2018, 39(06):1-7.

[5]高压旋喷桩地基处理技术工法特点分析[J]. 王小彬.  山西水利. 2017(09)

[6]孙梦杰.旋喷桩复合地基承载特性分析[J].河南城建学院学报,2017,26(04):65-69.DOI:10. 14140/j.cnki.hncjxb.2017.04.012.