高压旋喷注浆工艺在桥梁隧道基础加固中的应用探析

摘要：本文依据工程实例，对高压旋喷注浆工艺在基础加固中的应用做了较为详尽的阐述，有一定参考价值。

关键词：高压旋喷注浆；基础加固

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

一、高压旋喷桩技术原理

高压旋喷桩通过高压旋喷流切割破坏土体作用、混合搅拌作用以及压密作用，致使浆液与土粒强制搅拌混合凝固后，便在土中形成一个加固土体。现有的高压喷射注浆技术施工压力已达40 MPa，可分为高压与超高压两种工法，施工深度可达 25 m ～40 m，加固体最大直径可达 2 m，且强度稳定。旋喷法可控制加固范围，能够连成一片，旋喷成垂直桩、水平桩和斜桩，也可制成一定间距的桩柱体，只要适当调配硬化剂的用量，便能使各个施工对象得到相应的强度。

二、高压旋喷桩在桥梁基础加固中的工程应用

1.工程概况

该桥是一座二级公路上的桥梁，桥长45 m，桥面宽16 m;其上部结构为 3 孔悬臂箱形梁桥，左右幅由两座独立桥梁组合而成，桥面铺装成一体，桥面纵坡 1. 5%; 下部结构为钢筋混凝土排架桩墩，桥梁的基础为双层钢筋混凝土扩大基础，左右幅基础平面布置详见图 1，扩大基础底长、宽分别为 6. 4 m，3. 0 m，高度为2. 4 m，上下两层高度一样均为 1. 2 m，阶宽为 0. 5 m。基础周边土层自上而下为人工填土( 厚度 1. 8 m ～ 2. 0 m) 、砂砾土( 厚度11. 2 m ～ 12. 6 m) ，下部为基岩及其风化层，扩大基础底置于砂砾土层上，基础埋深 3. 62 m。由于地质条件的变化或勘察误差等原因，持力层砂砾层实际承载力比原勘察时低( 经后期重新勘测判定，砂砾层实际呈松散状，承载力基本容许值 200 kPa，桩侧土的摩阻力特征值 qs= 22. 5 kPa，重度为 19 kN /m3) ，造成基础持力层承载力不能满足原设计要求，从而引起桥梁使用过程中出现较大的沉降，桥面铺装已经出现局部损坏，经过技术鉴定需要进行加固。

2. 设计加固方案选择

根据桥梁的工程地质情况、施工能力及相应的工程经验，拟采用高压旋喷二重管法成桩进行加固。

3.设计参数选定

3. 1 确定旋喷桩直径

旋喷桩固体尺寸的大小主要由土的种类以及密实程度、注浆管类型、喷射技术参数等共同确定。参照地基处理手册有关资料，经计算和结合工程经验，成桩固结体有效直径取 0. 45 m，根据土壤情况、施工设备的选择以及复喷等因素，并通过工程类比确定固结体设计直径为 0. 8 m。

3. 2 旋喷桩数量的确定

1) 计算加固所必须的固结体的总面积 A桩。

其中，K1为柱桩的安全系数，一般桩基采用 K1= 2. 0; W1为基础承担的最大荷载，根据原设计文件，本桥梁 W1= 7 797. 926 kN; A1为基础底面面积，本桥梁 A1= 6. 4 × 3 = 19. 2 m2; σ0为修正后的地基容许承载力，根据规范计算得出 σ0= 257. 95 kPa，相当于新规范的［fa］; σ桩为固结体材料强度，取 4000 kPa，相当于 fcu,k。由以上各指标数据代入式( 1) 计算，得出固结体的总面积 A桩=1. 634 m2。

2) 旋喷桩加固总面积 A桩求得以后，再结合第 2. 3. 1 节中确定的有效直径 D，便可算出加固所需的旋喷桩数量 m:

其中，F 为旋喷桩固结体的有效截面面积，m2，本次成桩加固体有效直径 D 取 0. 45 m。由以上各指标数据代入式( 2) 计算，得出旋喷桩数量 m =10. 27，则 m 取 11 根，实际上对于一个扩大基础，采用 11 根高压旋喷桩加固扩大基础。由于本桥梁为左右幅组合而成，根据规范，本桥梁基础加固时，旋喷桩的数量确定为 19 根。

3. 3 高压旋喷桩的布置

通过高压旋喷桩承载能力验算，根据工程条件采用高压旋喷桩桩径为 0. 8 m，扩大基础共采用 19 根旋喷桩加固基础。根据以上设计参数，结合地质条件和工程经验，并通过对基础的受力分析，本工程的布孔形式采用分散群桩布孔，其中孔距取值为 2d ～3d( d为高压旋喷桩设计直径) ，即 1. 6 m ～2. 4 m。布置形式见图 1。

3. 4 确定旋喷桩长度

旋喷桩长主要取决于需要加固土层的厚度，其一般视建筑物的设计要求和地质条件而定，并应满足地基的强度和变形的要求。

1) 确定加固后的扩大基底最大应力 Pmax值。

根据设计资料可知，基础顶部设计竖向荷载为 N1= 4 001. 4 kN，扩大基础自重 N2= 1 867. 48 kN，作用于墩、台上各外力对基底形心轴之力矩 M =964. 52 kN·m。

根据上述扩大基础旋喷桩布置方案，加固后扩大基础长宽分别变为 7. 2 m，3. 8 m，基础高度不变，则加固后的扩大基础自重N3= 2 606. 71 kN，同时加固后扩大基础的基底最大应力 Pmax，Pmin也较原来有所改变，可由式( 3) 计算而得，由以下各指标数据代入式( 3) 计算，得出加固后的扩大基底最大应力 Pmax= 297. 2 kPa。

其中，fsp，k为复合地基承载力特征值; Ae为 1 根桩承担的处理面积，Ae= 7. 2 × 3. 8 /11 = 2. 487 m2; Ap为桩的平均截面积，Ap= 0. 5 m2; fs，k为桩间天然地基土承载力特征值，fsk为砂砾土承载力基本容许值，取 200 kPa; β 为桩间天然地基土承载力折减系数，取 0. 5; Ra为单桩竖向承载力特征值，kN，按式( 5) ，式( 6) 计算取较小者; fcu，k为与旋喷桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块( 边长为 70. 7 mm 的立方体) 在标准养护条件下 28 d 龄期的立方体抗压强度平均值，本桥梁取 4 000 kPa; η 为桩身强度折减系数，可取 0. 33。

3) 计算旋喷桩长度。

根据已确定的单桩竖向承载力特征值，由式( 6) 来计算旋喷桩长度，计算结果 h =7. 79 m≈8. 0 m，故旋喷桩长度取 8 m。综合有关影响因素和经验结论，在本桥梁基础加固的时候，旋喷桩的长度取值为距扩大基础顶面 10. 4 m，即在扩大基础底面以下延伸 8 m。

其中，n 为桩长范围内划分的土层数; hi为桩间第 i 层土的厚度; qsi为桩间第 i 层土的侧阻力特征值，本桥梁 qsi取 22. 5 kPa;qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值，本桥梁 qp取200 kPa。

3. 5 其他参数

根据工程特点及场地地质条件，高压旋喷桩成桩采用二重管法，在注浆中压缩空气压力拟定 0. 7 MPa，流量为 3 m3/min，喷嘴孔径及个数分别为 2 mm，1 个; 水泥浆液压力拟定 30 MPa，流量100 L /min，喷嘴孔径及个数分别为 2 mm，1 个; 注浆管外径50 mm; 提升速度 15 cm /min; 旋转速度 15 rpm; 水泥浆采用52. 5 级普通硅酸盐水泥与清水调制，水灰比 1 ∶ 1，其参数在试喷时根据实际情况进行调整。

3. 6 加固效果

为了检验采用高压旋喷桩对本桥梁地基的加固效果，施工后对旋喷桩进行开挖检查、取芯及载荷试验，质量检验均满足设计规范要求，同时根据在加固处理完成后再次投入使用期间对本桥梁进行长期观测结果，表明该桥墩下沉已很微弱，特别是在再次投入使用的三个月之后，基本未见沉降，总的变形数据远小于设计及规范允许的范围，表明加固效果达到预期的目的，加固效果良好。

结语

高压旋喷桩在现有桥梁基础加固中应用越来越广泛，通过本次高压旋喷桩在桥梁基础加固中的成功应用，进一步验证了该方法的可行性和经济性，取得了良好的社会经济效益，值得深入研究和推广。地基基础加固中设计，应根据工程的地质条件和工程具体特点，确定技术可行、经济合理的地基基础加固方案。

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