砂卵石回填地基高壓旋噴樁處理技術應用

羅 輝，向海泉，劉 民

（中鐵二局房地產集團有限公司，四川成都 610031）

隨著我國城市化進程的不斷加快和城市面貌建設的不斷更新，建筑行業蓬勃發展，大量建筑如雨后春筍般涌現，而建筑的設計與施工是建筑安全和品質呈現最為關鍵的環節。建筑起始于基礎，立足于地基。由于工程地質條件的復雜性和不可預見性，并在以高層或超高層建筑為城市建設常態的趨勢下，地基的正確處理尤為重要，其直接關系到建筑和生命的安全。陳俊任［1］在巖土工程勘察分析基礎上，指出地基遇未固結松散狀土可采用高壓旋噴樁加固，但具體如何設計和施工尚需探討。陳海軍等［2］在位于抗震不利地段成都某安置房采用了高壓旋噴樁進行軟弱土加固，闡述了施工工藝流程和試驗方法，論述了消除軟弱土不利抗震影響的作用。李鳴鶴［3］在對高壓旋噴樁復合地基概念、應用和施工質量控制的論述中，強調了施工時指標參數的控制以達到地基強度及穩定性目的。唐延貴等［4］從卵石地基高壓旋噴樁加固的方案、施工、檢測等方面進行了研究，得出高壓旋噴注漿法處理類似軟弱層的可行性和適用性。

本文以成都某工程為例，對基于不明地質條件誤挖天然地基后的加固處理難題進行深入研究，提出區別于常見天然地基、回填地基等直接加固處理外的復合地基設計、驗算和應用，解決超挖、誤挖、半填半挖等類似地基加固難題，為類似工程地基處理提供參考。

1 工程實例

1.1 工程概況

某工程位于成都市郫都區，由11棟高層住宅建筑、1棟商業建筑及二層地下室組成，總建筑面積281 683.45 m2，其中地基超挖樓棟7#樓建筑面積19 332.55 m2，建筑高度為88.6 m，地上30層，地下2層，場地類別Ⅱ類，基礎形式為筏板，厚度1.4 m，埋深9.9 m，結構類型為剪力墻結構，基礎置于中密卵石層，設計地基承載力特征值為500 kPa，平面布置如圖1所示。

圖1 平面布置

1.2 巖土工程條件

場地地貌單元屬岷江I級階地，地層主要由第四系全新統人工填土層的雜填土、素填土及第四系全新統沖洪積成因的粉質黏土、粉土、細砂、中砂及砂卵石層組成。

場地地下水類型主要為第四系上層滯水、卵石層中孔隙潛水，通過管井降水措施，地下水位降至筏板基底以下約3.5 m。

1.3 地基現狀

開挖至筏板以及電梯井基礎標高時，發現基底分布有勘察報告未揭露中砂、松散卵石軟弱層，與報告的中密或密實卵石層迥異。經五方聯合驗槽，基于工期因素和最快捷方案處理原則，實施中砂、松散卵石軟弱層換填方案，在3個區域超挖3～5 m深度后，仍未見設計持力層后隨即叫停。后于現狀基底補充勘察6個孔位，其中3個孔位下仍以透鏡體形式存在約3～5 m砂、松散卵石層，且經設計驗算深度修正后地基承載力仍無法滿足，同時基坑底涌現明水，基坑開挖坡面松散卵石層無護坡措施，超挖部分基坑邊距相鄰1棟在建建筑約8.5 m，距整體地下室護壁樁支護面約6 m，現狀情況復雜，具有較大安全風險（圖2）。

圖2 工程現狀及補充勘察孔位示意

2 地基處理方案

2.1 方案選擇

經多家專業地基處理資深單位、注冊巖土專家、注冊結構專家、圖審專家等多次現場踏勘和多方案研究，最終提出地基加固方案如表1所示。

表1 地基加固方案

經多次論證，最終從安全、工期、成本、質量等方面綜合擇優選取高壓旋噴樁復合地基加固方案。

2.2 高壓旋噴樁設計

根據方案對該建筑基礎筏板超挖范圍采用級配砂卵石回填后，利用高壓旋噴樁滿堂布樁進行復合地基處理，基底與樁頂之間設置300 mm厚中砂級配碎石褥墊層，復合地基處理后承載力特征值不小于500 kPa。經計算布置高壓旋噴樁756根，設計樁徑500 mm，設計樁長為2.3～8.7 m，以中密及以上卵石層作為樁端持力層，且進入持力層不小于0.5 m。

2.3 高壓旋噴樁計算

2.3.1 單樁豎向承載力計算

根據補充勘察數據擇取最不利BK2孔、超挖深度較淺的BK4孔及未超挖的BK3孔計算（表2），以 《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012）［5］相關規定，引入單樁豎向承載力特征值估算公式：

表2 回填和現狀補充勘察土層數據

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；up為樁的周長，m，up=1.57 m；qsi為樁周第i層土的側阻力特征值，kPa；lpi為樁長范圍內第i層土的厚度，m；ap為樁端端阻力發揮系數，按地區經驗取值1.0；qp為樁端端阻力特征值，kPa；Ap為樁的截面積，m2，Ap=0.196 m2。

據表2和勘察報告給出的表3土層阻力特征值數據代入式（1），可得表3中Ra。

表3 力學參數和單樁豎向承載力計算

2.3.2 單樁豎向承載力確定

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012）相關規定，復合地基樁身強度應滿足公式為

式中：fcu為樁體試塊（邊長150 mm立方體）標準養護28 d的立方體抗壓強度平均值，kPa，（工程主要加固土層為卵石層，旋噴后樁體抗壓強度取8MPa）；λ為單樁承載力發揮系數，按地區經驗取值0.9。

代入式（2）計算得出，滿足樁身強度條件下單樁豎向承載力特征值Ra≤435.56 kN，綜合對比式（1）與式（2）計算結果，基于安全余量和計算便利最終Ra取值420 kN。

2.3.3 置換率計算

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012）相關規定，初步設計時復合地基承載力特征值可采用估算公式為

式中：fsk為處理后復合地基承載力特征值，kPa，該值設計要求為500 kPa；m為面積置換率；β為樁間土承載力發揮系數，按地區經驗取值1.0；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa，以最不利的回填卵石層取值200 kPa，即達到地勘報告對應的松散卵石層標準。

代入式（3），計算求得理論面積置換率m=0.174。

2.3.4 布樁計算

將單樁承擔的實際處理面積看著一個圓，當單樁處理面積相等時，引入等效圓直徑來計算復合地基置換率公式為［6］

式中：d為樁身平均直徑，m；de為一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，m。

代入式（4），計算得de=1.2 m。

根據正方形布樁規則de=1.13s，可得出s=1.06 m。

因此，樁間距s取值1.05 m進行正方形布樁計算，從表4可知，面積置換率符合要求。

表4 布樁結果

2.3.5 壓縮模量計算

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012）相關規定，復合地基壓縮模量等于該天然地基壓縮模量的ζ倍，可按下式確定：

式中：fak為基礎底面下天然地基承載力特征值，kPa，取值為200 kPa。

代入式（5），可得ζ=2.5。復合地基壓縮模量Es=天然地基壓縮模量×ζ=35 MPa。

由計算過程和結果可知，采用級配砂卵石回填后，利用高壓旋噴樁進行復合地基處理方案是可行的。

3 高壓旋噴樁施工工藝

3.1 回填壓實

基礎超挖部分采用級配砂卵石回填壓實，卵石粒徑以5～12 cm為宜，占總量的70% ～80%，分層回填和壓實，分層厚度不超過0.5 m，壓實機械反復碾壓3～5遍，達到地勘報告對應的松散卵石層密實度，通過現場N120超重型動力觸探試驗判定；另一方面高壓旋噴樁施工前施工參數和工藝應經由現場試驗樁確定。

3.2 引孔工藝

為保證成樁質量和降低機械損耗，采用SH-30型潛孔鉆機跟管引孔，引孔直徑不小于130 mm，孔內置入?75PVC管件以備旋噴時鉆桿下放。

3.3 旋噴工藝

考慮成都地區地基卵石粒徑較大，高壓旋噴注漿過程中有一定切割力損失，采用雙管法進行旋噴施工。

高壓噴射注漿采用強度等級為P.O.42.5級及以上等級普通硅酸鹽水泥，水灰比0.8～1.2，注漿管樁底停留時間不少于3 min，注漿過程中注漿射流壓力大于25 MPa，流量大于35 L/min，注漿管的提升速度0.1～0.2 m/min，氣流壓力0.7 MPa，噴射管旋轉速度小于20 r/min，樁頂l.0 m范圍及砂層應進行復噴，成樁直徑應大于500 mm，樁身強度不小于8.0 MPa。

3.4 褥墊層

為保證旋噴樁與樁間土共同作用，高壓旋噴樁樁頂完成截樁后鋪設褥墊層，鋪設范圍至筏板外側外延200 mm。褥墊層采用中砂級配碎石，砂石比例為1∶3，最大粒徑不宜大于20 mm，虛鋪厚度340 mm，壓實后厚度為300 mm，夯填度不應大于0.9（夯填度即為夯實后的厚度與虛鋪厚度的比值，300/340=0.88＜0.9）。

4 施工周期和試驗檢測

4.1 復合地基施工周期

2020年12月14日進場對超挖區域回填壓實，2021年1月22日高壓旋噴樁全部實施完畢，2021年2月2日靜載試驗完畢，期間遇重度污染天氣限制延誤12 d，試驗檢測12 d，因此實際工期為40 d。

4.2 試驗檢測

委托檢測中心依據《四川省建筑地基基礎檢測技術規程》（DBJ51/014—2013）［7］采用超重型動力觸探儀、慢速維持荷載法進行了回填卵石土層N120超重型動力觸探試驗、單樁豎向抗壓靜載試驗及單樁復合地基靜載試驗，其中依據規范觸探試驗按1點/100 m2標準試驗9處，靜載試驗分別按不少于總樁數的0.5%且不少于3個點試驗4根樁。

以其中3處N120超重型動力觸探試驗檢測曲線為例（圖3），動阻力以探頭每貫入地層10 cm的實際錘擊數表示，記為N120。以動力觸探試驗結果進行地基密實度評價（表5），9處回填土密實度為松散～密實，滿足設計要求。

表5 地基密實度評價

圖3 N120超重型動力觸探試驗檢測曲線

擇取單樁豎向抗壓靜載試驗最大沉降量545#樁為例，其荷載-沉降（Q-s）曲線、沉降-時間對數（s-lg t）曲線和沉降-荷載對數（s-lg Q）曲線如圖4所示。

圖4 545#樁單樁豎向抗壓靜載試驗檢測曲線

在樁頂沉降速率達到穩定標準條件下，從試驗記錄（表6）可知，545#樁單樁豎向抗壓靜載試驗9次分級荷載逐級等量加載達設計最大加載值時樁頂累計沉降值為8.18 mm，4次分級荷載逐級等量卸載后樁頂殘余沉降量為5.32 mm；由抽檢的4根樁單樁豎向抗壓靜載試驗匯總結果（表7）可知，4根樁分級荷載逐級等量加載至設計單樁豎向抗壓承載力特征值兩倍即840 kN，各級荷載加載下樁頂沉降速率相對穩定，且累計最大沉降量為8.18 mm＜40 mm，滿足規范合格標準。因此，抽檢的4根樁單樁豎向抗壓承載力特征值不小于420 kN，滿足設計要求。

表6 545#樁單樁豎向抗壓靜載試驗記錄

表7 單樁豎向抗壓靜載試驗匯總結果

擇取單樁復合地基靜載試驗最大沉降量630#樁為例，其荷載-沉降（P-S）曲線如圖5所示。

圖5 630#樁單樁復合地基靜載試驗P-S曲線

在承壓板沉降量達到穩定標準條件下，從試驗記錄（表8）可知，630#樁單樁復合地基靜載試驗9次分級荷載逐級等量加載達設計最大加載值時承壓板累計沉降值為8.19 mm，4次分級荷載逐級等量卸載后承壓板殘余沉降量為5.92 mm；由抽檢的4根樁復合地基靜載試驗匯總結果（表9）可知，4根樁分級荷載逐級等量加載至復合地基設計承載力特征值兩倍即1 000 kN，各級荷載加載下承壓板沉降量相對穩定，且累計最大沉降量為8.19 mm＜63mm（承壓板寬度1 050 mm的6%），滿足規范合格標準。因此，抽檢的4根樁復合地基承載力特征值不小于500 kN，復合地基壓縮模量不小于35 MPa，滿足設計要求。

表8 630#樁單樁復合地基靜載試驗記錄

表9 單樁復合地基靜載試驗匯總結果

5 結 語

本文圍繞地基基于不明復雜地質條件超挖后有別于原始天然地基或回填地基加固處理的特點，經過綜合比較確定采用高壓旋噴樁技術實施復合地基加固處理，通過高壓旋噴樁加固方案的設計及參數計算，從理論上驗證了方案的可行性和安全性。施工中合理采用引孔工藝與安全質量控制措施，確保了高壓旋噴樁復合地基安全、質量、工期及成本的有效控制。觸探和靜載試驗結果表明，高壓旋噴樁加固處理后的復合地基能完全滿足設計地基承載力要求，在首保安全前提下兼具實用價值和經濟效益，其成功經驗可為超挖、回填、半填半挖、軟弱地基等類似地基加固提供思路參考和實例借鑒。