高壓旋噴型圓形復合支護樁在深厚填土質斜坡工程中的應用及探討

鮮李 姚博

摘 要：以某市政道路項目為實例，闡述了普通圓形支護樁在深厚填土質斜坡實施過程中遇到的剛度不足及塌孔等問題，提出了一種較為穩定可靠的高壓旋噴圓形復合支護樁。該結構主要由高壓旋噴復合土及鋼筋混凝土圓形支護樁組成，為樁土復合支護結構，由高壓旋噴固結體及圓形支護樁一起承擔水平土壓力，具有防止垮孔，提高支護樁剛度及樁周土體物理力學指標等優點。在分析復合型支護樁受力特征基礎上，通過理論推導，得到樁截面剛度提高公式。應用結果表明：采用高壓旋噴型圓形復合支護樁可以有效提高樁身剛度，減小支護樁使用階段水平位移，同時解決了樁基施工過程中垮孔問題，對填土斜坡上的支護樁有一定的普適性。

關鍵詞：深厚填土質斜坡；垮孔；高壓旋噴復合支護樁；樁身剛度

Application of high pressure rotary jetting circular composite support pile in deep fill soil slope engineering

XIAN Li1，2， YAO Bo1，2

（1.Chongqing Survey Institute， Chongqing 401120， China；

2.Technology Innovation Center for Spatio-Temporal Information and Equipment of Intelligent City， Ministry of

Natural Resources， Chongqing 401120， China）

Abstract： This article takes a municipal road project as an example to illustrate the problems of insufficient stiffness and hole collapse encountered by ordinary circular support piles during the implementation of deep fill soil slopes. A relatively stable and reliable high-pressure rotary jet grouting circular composite support pile is proposed. This structure is mainly composed of high-pressure rotary jet composite soil and reinforced concrete circular support piles. It applies high-pressure rotary jet consolidated body and circular support piles to bear horizontal soil pressure and has the advantages of preventing hole collapse， improving the stiffness of the support pile， and improving the physical and mechanical indicators of the soil around the pile. Based on the analysis of the mechanical characteristics of the composite support piles， a formula for increasing the stiffness of the pile section is obtained through theoretical derivation. Practical engineering applications have shown that high-pressure rotary jet grouting circular composite support piles can effectively improve the stiffness of the pile body， reduce the horizontal displacement of the support pile， and solve the problem of hole collapse during pile foundation construction. This can be applied to almost all support piles on fill slopes.

Keywords： deep fill soil slope; hole collapse; high pressure rotary jet composite support pile; pile stiffness

深厚填土質斜坡主要為人工回填形成，其成分較為復雜，一般其主要成分為黏土、碎石、破碎的大粒徑巖石塊體等組成。人工填土受填料來源、施工工藝等因素影響，其內部土石比例不均勻，密實度差異大，各項因素均直接導致了黏聚力和內摩擦角參數普遍較低（孫劍平等，2012），無法直接作為工程的持力層，在后期進行工程建設過程中，需對人工填土進行處理。

目前，在深厚填土場地進行工程建設時，道路支護工程設計采用的主要結構形式為樁基礎，然而對于深度超過20 m的填土場地，地下易存在有毒氣體、地下水等不利影響，若采用人工挖樁，通風換氣困難，進度遲緩，且不可控因素較多，施工安全性差，目前深厚填土段樁基礎施工普遍采用機械干法成孔（郭兆勝，2022）。因人工填土內部成分復雜，且局部可能存在孤石架空，樁基在采用機械旋挖過程中極易發生垮孔等工程問題（楊華等，2023；金永等，2005），低標號混凝土回灌工藝處治垮孔費用較高（林君，2020）。

本文以某市政道路項目為實例，為處理圓形支護樁施工期間垮孔，提高樁身永久性剛度，提出了一種高壓旋噴圓形復合支護樁，并對其截面剛度提高公式進行了探討。通過工程實例與傳統的圓形支護樁相比，高壓旋噴圓形復合支護樁可有效減小支護樁使用階段水平位移。

1 ?普通支護樁在深厚填土質斜坡中的運用難點

深厚填土通常為人工活動過程中無序堆填形成，內部成分復雜，土體結構普遍較為松散，在支護樁成孔過程中樁周可見孤石及坑洼，孔壁表面凹凸不平。樁基機械旋挖成孔主要為依靠施加壓力的鉆頭多次旋轉鉆進土體，通過鉆頭端部的容器將孔內土體帶出孔外，整個成孔過程需多次提升鉆桿，多次鉆進土體。在旋挖機的多次鉆進擾動下，原本已成孔的凹凸不平的樁孔表面極易發生垮孔，表面極為不平整，如圖1所示。

支護樁主要為依靠樁周土體提供的橫向地基抗力抵抗樁后土壓力，受填土內部構成因素影響，其抗剪強度較低，提供的抗力較為有限，尺寸較小的支護樁極易發生移動、偏轉，樁頂位移超標。人工填土因內部結構不均勻，存在孤石架空（李國輝，2019；胡子勤，2018；龐元志，2014），樁身使用錨索效果不佳，單一的懸臂樁計算時通常需要采用尺寸較大的支護樁，大直徑的支護樁在實施過程中極易出現垮孔等工程問題，垮孔的處治將不可避免地增加樁基成孔二次費用。由此可見，傳統的圓形鋼筋混凝土支護樁在深厚填土質斜坡中使用存在一定的難點及不足。

2 ?高壓旋噴型圓形復合支護樁構造及施工方法

高壓旋噴型圓形復合支護樁主要由圓形支護樁樁身縱向主筋及橫向箍筋、高壓旋噴復合土固結體等組成，如圖2所示。圓形鋼筋混凝土支護樁施工前，先對樁周填土層在地表采用高壓旋噴注漿加固（馬赟，2022），增加人工填土層的固結度。高壓旋噴是在較大壓力下進行旋轉式噴射注漿，高壓水泥漿液及水玻璃等漿液對人工填土產生很大的旋轉式攪動作用，使注入的漿液和人工填土層拌合凝固為高壓旋噴注漿復合土固結體（龍剛等，2010）。高壓旋噴處理后的固結體可為后期圓形樁基成孔形成較為有效的圓形保護空間，有效防止其內部圓形鋼筋混凝土樁身成孔過程中的垮孔。

高壓旋噴質量受到場地地質條件、旋噴壓力（何大為等，2022）、水泥用量、旋噴樁布置、旋噴過程中鉆桿鉆速、施工工藝等多要素影響，高壓旋噴壓力直接影響對周邊土體的擠壓力，從而決定漿液滲透范圍（徐華等，2023；徐至鈞等，2004；張艷芳等，2022；任貴生，2023）。故在大面積施工前，應提前開展試驗段施工，根據所處場地的地質條件綜合選擇注漿壓力、水泥用量、水玻璃用量、旋噴樁長等參數，施工過程中應加強施工地質勘察，確定較為準確的巖土層分界線，從而指導施工。

高壓旋噴處理完成后，通過坐標定位在高壓旋噴注漿復合土固結體內部采用旋挖機施工鋼筋混凝土部分樁孔，此時樁基成孔過程中因受到復合土固結體的保護，一般不會發生塌孔。樁基成孔后，投放樁身鋼筋籠體系，投放過程中不斷調整鋼筋籠姿態，保持鋼筋籠豎直，隨后澆筑樁基混凝土，完成內部鋼筋混凝土樁的施工。鋼筋混凝土樁施工完成后，可與周邊的高壓旋噴復合土固結體共同受力，形成了一種鋼筋混凝土與高壓旋噴結合的復合支護結構，提高了支護結構整體剛度。

由上述可知，高壓旋噴型圓形復合支護樁采用高壓旋噴固結體形成樁孔保護體，可防止垮孔，同時施工完成后的鋼筋混凝土樁與樁周的高壓旋噴固結體共同承擔樁后土壓力，提高了樁身的穩定性，可達到工程所需效果。

3 ?高壓旋噴型圓形復合支護樁受力特征

3.1 ?樁身內力計算方法

深厚填土主要成分為黏土、碎石、破碎的大粒徑巖石塊體等，滲透性較大，樁背后的土壓力按照三角形分布。因填土參數較低，樁底按照自由支承考慮，樁身錨固段水平地基系數k=m·h，其中m為非巖石地基水平向抗力系數的比例系數（JTG 3363－2019），h代表樁身計算點的埋置深度，水平地基系數隨著樁基埋深的增加而線性比例增加。高壓旋噴型圓形復合支護樁為圓形鋼筋混凝土樁與高壓旋噴固結體的復合型支護結構，復合支護樁受力狀態呈現類豎向的懸臂梁，錨固段按照由土體抗力系數連續支承的地基梁進行計算，樁身覆土段類似連續支承的豎向地基梁，復合支護樁橫斷面布置及土壓力分布如圖3所示。

3.2 ?計算方法探討

假定鋼筋混凝土部分樁身截面面積為Ac，彈性模量為Ec，高壓旋噴固結體截面積為Ae，彈性模量為按照剛度等效原則，得到高壓旋噴型復合支護樁折算為鋼筋混凝土部分樁身的等效面積Ade。

A_de=（E_c·A_c+E_e·A_e）/E_c

其中，因填土成分及旋噴工藝等因素影響，高壓旋噴固結體的彈性模量Ee宜通過載荷試驗確定。得到高壓旋噴型復合支護樁等效面積后，可直接采用常用的巖土設計軟件進行分析計算。因等效面積大于鋼筋混凝土部分樁身截面面積，故在輸入鋼筋保護層時，應按照鋼筋實際的保護層進行輸入。

4 ?工程實例分析

某市政道路工程所處區域為深厚填土質斜坡地貌，人工填土普遍較厚，勘察揭露厚度最深處約50 m，土體結構松散—中密，下伏基巖主要為沙溪廟組砂巖及泥巖互層，其中砂巖強度較高，泥巖強度稍低。根據勘察提供的土體物理力學參數，土體黏聚力5 kPa，內摩擦角28°，水平方向比例系數m為8 kN·m-4，本項目前期設計采用直徑1.8 m的鋼筋混凝土支護樁，樁中心距3.0 m，樁身混凝土強度C35，支護樁懸臂長度10 m，樁身全長25 m，前期設計過程中樁身結構強度及位移計算均滿足現行規范要求。

1）施工期間出現的問題

項目施工過程中直徑1.8 m的普通鋼筋混凝土支護樁鉆進時垮孔較為嚴重，采用C20低標號混凝土回灌后，樁身下部鉆進時再次垮孔，樁孔周邊土體存在不同程度掏空。用低標號混凝土回灌處理塌孔，受混凝土齡期影響，施工周期長，且1根樁基在不同深度出現多次垮孔，周邊的市政道路產生了一定的豎向位移。

2）方案調整

為解決垮孔問題，改善支護樁受力狀況，擬修改為高壓旋噴型復合支護樁進行支擋，可解決支護樁垮孔問題，同時高壓旋噴固結體可提高支護樁樁身剛度。鋼筋混凝土部分樁基直徑及樁中心距維持原設計不變，沿著直徑1.8 m鋼筋混凝土樁的樁周外邊線均勻布置直徑65 cm的高壓旋噴固結體，旋噴固結體之間搭接長度按照15 cm控制，樁周合計布置14根直徑65 cm的高壓旋噴固結體。在確定方案后，項目在大規模實施前采用試樁的方式進行了現場試驗，測得高壓旋噴固結體的彈性模量標準值為3 000 MPa。

根據固結體彈性模量，支護樁等效面積計算如下：

A_de=（3 000×12×0.331+31 500×2.54）/（31 500）=2.92 m^2，

其中考慮高壓旋噴體有一定搭接長度，故計算時扣除搭接長度，按照12根直徑65 cm的高壓旋噴固結體計算。按照面積換算后，高壓旋噴型復合支護樁等效直徑約為192.6 cm。采用等效直徑進行計算后，高壓旋噴型復合支護樁樁身內力及位移計算結果如表1所示。

3）與傳統的圓形鋼筋混凝土支護樁對比

由于填土的地基強度限制，在對傳統的圓形鋼筋混凝土支護樁周邊進行高壓旋噴圍護后，樁身受到的內力不會發生明顯變化。但高壓旋噴型復合支護樁樁身的剛度提高后，通過巖土計算軟件得到的樁頂水平位移降低約16%，可有效減小樁基施工對周邊環境的影響，同時高壓旋噴固結體的先行實施避免了圓形鋼筋混凝土支護樁成孔過程中的垮孔問題。

4）現場實施

在項目前期，監測單位對項目周邊的主要控制建筑及道路等均進行了布點，做到施工期間全過程監測，同時在樁前土體開挖及雨季等時間節點均加密了監測頻率。在項目實施的75 d后，對樁前土體進行了開挖，在施工至120 d時，樁身及周邊環境豎向變形得到的監測數據如圖4所示。

由圖4可知，樁身產生最大水平位移的階段位于樁前土體開挖的階段，同時可看出在采用高壓旋噴固結體先行固結圓形鋼筋混凝土支護樁周后，樁身剛度有一定的提高，在施工至120 d時，樁頂水平位移最大值為36 mm，實測樁頂位移小于理論計算得到的樁頂位移值，表明此類結構對此類地層有一定的適用性。

在圓形鋼筋混凝土樁身施工完成后，按照規范要求對樁身進行了完整性檢測，并采用超聲波對復合樁進行檢測，發現高壓旋噴固結體與鋼筋混凝土支護樁部分銜接緊密，無較大空洞，結構可共同受力，協調變形。檢測結論表明樁身完整性較好，滿足規范的各項要求。

5 ?結論

1）本文從實際工程出發，分析了傳統的圓形鋼筋混凝土支護樁實施過程中存在的難點及不足，提出了高壓旋噴型圓形復合支護樁，闡述其構造及受力模式。

2）對理論推導出的復合樁面積進行等效后，可采用傳統的設計軟件及理論進行計算分析，通過工程實例應用可知，在復合樁實施完成后，樁頂水平位移小于傳統的圓形鋼筋混凝土支護樁，水平位移減小幅度約16%。

3）高壓旋噴型圓形復合支護樁為樁土復合支護結構，可避免鋼筋混凝土樁的樁孔垮孔等問題。復合樁實施完成后，高壓旋噴固結體與圓形鋼筋混凝土支護樁共同受力，協調變形，提高了樁身剛度，對于深厚填土質場地下的支護結構有一定的普適性。

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