高压旋喷桩在水闸地基沉降加固处理中的应用

摘要本文结合水工建筑物软弱地基加固处理的工程实例，介绍了高压旋喷桩施工技术的适用条件和范围、成桩的工艺机理、工程设计和施工的方法、以及主要的质量控制措施，对于类似工程的地基处理可供参考。

关键词高压旋喷桩地基加固沉降水闸工程技术

Abstracts: Illustrated by the engineering case of soft soil foundation reinforcement process of hydraulic structures, this paper describes the high-pressure jet grouting pile construction technology in its applicable conditions and range, technical mechanism of pile, engineering design and construction methods, and quality control measures, providing reference for the similar projects in foundation treatment.

Key words: high pressure jet grouting pile; foundation reinforcement; settlement; sluice; engineering technology

中图分类号：X7文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

某水闸位于陕西渭北黄土塬地区一小河道岸坡，为开敞式泄水闸，由上下游翼墙、闸室和泄水渠道组成，坐落在厚层黄土地基之上。上下游翼墙为浆砌石重力式挡土墙，闸室为单孔，钢筋混凝土整体结构，水闸底板为驼峰堰曲面形式。由于河道长期干涸了，闸前水位大幅度降落后，水闸的翼墙和闸室出现沉降现象，发展比较迅速，在三个月内上游东侧翼墙沉降156--215mm，东侧下游翼墙和西侧上下游沉降20--35mm，闸室整体沉降18mm，左右不均匀沉降20mm。沉降导致伸缩缝不同程度张开，进水渠混凝土底板翘起、断裂，与下部地层脱离，西边墙与土质边坡之间出现缝隙，继续发展将导致翼墙倾斜，闸室开裂或损坏，闸门不能够正常使用。

2原因分析

为了全面了解地层结构特征，分析判断水闸地基沉降变形的原因，为处理加固方案的确定提供依据，首先进行了地质物理探测，再根据物理探测结果在水闸四角布设四个地质勘探钻孔，勘探深度达到40米。

勘探结果表明，水闸地基由第四系风洪积黄土、黄土状壤土和古土壤组成，建筑物基础以下2.5～9.5m地层，呈软可塑状，标准贯入锤击数N=2～8击，平均承载力只有55kpa，承载力明显偏低，地基土的压缩系数a1-2=0.32～0.44Mpa-1，压缩模量Es=4.64～6.24Mpa，属中等压缩性土，地基土压缩变形量较大，同时局部存在小型空穴和渗漏通道。综合分析，基础下存在厚达7米的不良地层是导致水闸沉陷的主要原因。另外，由于河道长期干涸，水闸前地下水位降低，减小了浮托力，而在东侧堆积土方又增加了附加荷载，加速了水闸东北侧的沉降。

3处理方案选择

经过方案比较，高压旋喷桩以其适合处理松散、软弱土层地质条件，如第四纪冲（洪）积层、残积层、淤泥和人工填土等，在黄土、粉土、粘性土和砂类土中易取得较好的效果，特别适用于加固已建成建筑物地基，不受地下水影响，适合不同深度地层、桩长基本不受限制，施工技术成熟而且操作简便、工程质量可靠，施工机械体型小适合狭窄环境、可靠近建筑物施工，无振动噪音小、对已有建筑物无损伤等优良特点，因此选作该水闸地基沉降加固处理的方法。

4高压旋喷桩工艺

高压旋喷桩基础施工首先在建筑物地基的地层内钻成直径小于100mm的钻孔，穿过不良土层到设计持力层深度后，再换成高压喷头进行旋喷桩施工，随后可在土层中形成较大直径的桩体，作为建筑物桩基础，可独立承担或与坚固的土层组成复合地基承托建筑物荷载，迅速消除基础沉降变形。

成桩机理：高压旋喷桩基础处理是把注浆管置入土层后，在20-40Mpa的压力下使喷嘴侧向喷出高压射流，在钻机的操作控制下，让喷射头在缓慢旋转的同时缓慢提升，使高压射流在螺旋形上升的过程中环向切割、破坏周围的土体，扩大钻孔，形成圆柱形空间。被切割剥落下来的一部分较细小的土粒被喷射浆液所置换，随液流沿钻孔流出地表，其余土粒在喷射动力、离心力和重力的共同作用下，在横断面上重新排列，四周未剥离的土粒则被挤密压缩，在砂类土中还有一部分浆液渗透到压缩层外面，形成一层硬壳，浆液固结后形成桩体。土粒置换有全置换和半置换两种方式，全置换是先将被冲下的土全部排出地表，形成的空间用其他材料充填，形成固结桩体；半置换是被冲下的土部分排出地表，余下的和射流浆液搅拌混合后形成混合凝固桩体。本工程采用水泥浆液半置换旋喷，最终形成了水泥土混合桩，达到置换软弱地基的目的。

5 基础处理设计

高压旋喷桩设计的程序和主要内容：根据地质条件与建筑物特征以及地基处理的目的，选定喷射的方法、选定浆液的类型与配比、设定桩体的性能、进行桩体的布设和尺寸的设定、设定旋喷注浆技术参数、选择设备与机具、进行现场旋喷桩试验、试验检测、在施工参数和试桩质量达到设计要求后开展施工。

由于水闸基础下2.5～9.5m为软可塑状风洪积黄土、黄土状壤土和古土壤地层，承载力低下，而且具有较高的可压缩性，不能承托上部建筑物，但是在10.5～39米地层呈硬塑及硬可塑状态，标准贯入锤击数N=12～17，承载力大于110kpa，具有较低的压缩性，可以作为水闸的基础持力层。因此，设置旋喷桩穿过软弱地层到持力层，作为新基础承载上部建筑物，消除水闸沉降现象，是该项地基加固工程的主要目的。

5.1材料和配比：根据现场土层性质并结合类似工程经验，采用单管旋喷法，选择水泥浆作为喷射浆液，水泥采用普通硅酸盐水泥，标号PC32.5R，进行实验室浆液配制后，确定水灰比为1:1。为了提高浆液性能和早期强度，旋喷施工时在水泥浆液中添加0.03%～0.05%的三乙醇胺和0.5%的氯化钠。按照技术要求，水泥土混合桩固结体的抗压强度一般应大于大于3～5Mpa。

5.2承载力计算：旋喷桩的承载力取决于土的阻力和桩体的强度，一般可近似采用钻孔灌注桩承载力的计算方法进行设计，再在试桩后采用静荷载试验进行校核，最终确定桩基参数。

旋喷桩基的承载力计算应符合以下极限状态设计表达式：

桩基受轴心荷载时：r0N≤Rd

桩基受偏心荷载时除应符合上式外，尚应符合：r0Nmax≤1.2Rd

式中N--桩基竖向荷载设计值(KN)N=(F+G+m)/n ；

Rd--桩基的竖向承载力设计值(KN) Rd=Qsk/rs+ Qpk/rp；

r0--建筑物桩基重要性系数；

F—作用于桩基承台顶面的竖向设计荷载(KN);

G—桩基承台和承台上的土体自重设计值(KN);

m—软弱土层因为自身沉降在桩体增加的附加荷载(KN)；本工程由于软弱土层呈软塑状态，含水量饱和，所以只考虑10%-20%的附加值，以提高保证率；