高压旋喷桩在某工程地基加固中的应用

张金山

（广州工程总承包集团有限公司）

高压喷射注浆加固简单地说就是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备使浆液与水和空气成为高压流从喷嘴中喷射出来，冲击土体。当能量大、速度快且为脉动状的喷射流的压力超过土体结构强度时，土粒便从土体剥落下来，一部分细小的土粒随着浆液冒出，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例与质量大小有规律地重新排列。待浆液凝固后，便在土体中形成一个固结体。

喷射、旋转、提升这三项同时进行时，产生五种功能，即射穿、切割、搅拌，挤压和成桩。当高压泵把浆液从喷嘴射出时，由于速度快、力量大，把一定厚度的土层射穿。由于旋转，可把土体切割出圆形。在射穿和切割土体的同时，对尚未射穿的土体产生挤压。又由于旋转而产生强制搅拌。还由于提升，使上述几种作用由面而发展到空间，最后形成圆柱状的加固体。

在高压喷射注浆加固中，喷流压力对桩径大小起决定作用。—般情况是喷流压力越大桩径越大。但是，如果喷流压力过大，且有关因素未处理好，反而会使雾化现象增强，动压能量削弱，桩径反而变小，另一方面，喷流压力增大，对机械设备的要求也随之增高。根据以往经验，压力在2～2.5 万kPa 之间时，加固的桩径较大。

喷流压力对桩径大小起决定作用，而喷嘴的断面形状也影响着喷流压力和喷流的能量发挥。一般来说，在喷流压力不变的条件下，喷嘴越大，成桩的桩径也越大，但因喷嘴断面积增大，其流量也相应增大，而流量又受高压泵的最大排量的限制。另一方面，由于喷嘴断面的增大，其几何参数又将影响喷流动压的发挥，弄不好还使桩径变小，所以喷嘴的形状也很重要。

土质状况也直接影响着喷流作用的发挥。一般情况下，土质越松，土颗粒越粗，土的粘结力越小，则喷流射穿的能力越强，成桩的桩径越大，加固的强度也越高。反之，土质越密实，土颗粒越细，土的粘结力越大，则喷流射穿的能力越弱，成桩的桩径越小，加固的强度也不均匀。

高压喷射注浆加固具有如下的优点：①高压喷射注浆采用“高压+喷射十注浆”的方法，使被加固土体的质量有了可靠的保证，改变了过去一般的化学注浆以工艺和配方等措施去适应土质的做法。加固体不但强度高，均匀性好，渗透系数小，耐久性好，而且形状也可根据工程需要加以控制。②主要注浆材料为水泥，成本较低，原料丰富。③施工较简便，以小直径注浆管置入土层中即可获得大直径、长度任意的加固体，且施工时噪音低、震动小、不污染地下水。④既可用于建造之前，又可用在建造之中，特别是对地基加固，具有不损坏上部结构、不停产和不影响使用等特点。

某城市主干道快车道刚好位于软土层中，根据地基处理的需要，进行了高压旋喷注浆的试验和施工。

1 试验场地的工程地质概况

试验场地选在地基最弱的一段。该处地层0～10.2m 是砂粘土，有明显层次，夹有10%左右的粘土块；其中自地表至深3m 为可塑状，含水量达19.2%；深5m以下呈软塑状，含水量达21.1%；地下水位深8.8m；因含水量较高，大孔土特性不明显，天然容重在17.9kN/m3左右。

2 浆材选择

试验中采用水泥浆为主剂材料。开始时，为了早见效，水泥浆的水灰比为0.7，并掺入0.5‰的三乙醇胺和5‰的氯化钙作早强剂。后因这种加了早强剂的水泥浆容易在高压泵内沉淀凝固，给泵的清洗工作带来困难，并考虑到将来正式施工的快车道地基的强度要求和施工方便，改用纯水泥浆，水灰比为1.5～2.0。

3 主要机具设备

高压泵：90-C 型高压泵，装在水泥车上。

钻机：PH-5B 履带旋喷桩。

注浆管：单管φ55mm 的钻杆。

图1 旋喷注浆示意图

4 试验内容和施工工序及组织

⑴试验内容

试验分两个阶段进行。第一阶段进行了一组3m 浅层短桩和一组10m 深层长桩试验，主要目的是试验旋喷法在该处地质情况加固的可行性，并用于观察桩体成形状况，直径大小，桩体内部结构与强度变化，以及单桩承载力等参数。为此，旋喷结束后将其中一根单桩体完整地开挖后吊到了地面，并沿桩体一定高度(0.5m、l.0m、1.5m、2.5m)切开，分析桩体横断面内部结构；将另一根短桩开挖后就地沿直径纵向剖开，分析其桩体的纵向内部结构。

第二阶段试验做了一组3m 浅层短桩和一组15m 深层长桩，着重解决增加旋喷桩直径，使之达到0.8m，以满足设计要求和扩大底部直径增加承载力。

2）集水系统：集水系统厚度约300 mm，由粒径20 mm左右的碎石或卵石平铺而成，中间设有集水盲管，防渗层的坡度应坡向集水管，在集水管安装有底层垂直通风复氧管。

⑵施工工序

施工工序简写为：钻机就位整平→钻进→配浆→注浆→旋喷加提升→成桩。

试验性施工时，注浆压力为15～25MPa，注浆管旋转速度为22r/min，提升速度为20cm/min 左右。

⑶施工组织

每班15 人，其分工大致为：班长1 人，司机1 人，司钻1 人，司泵1 人，记录1 人，接卸钻杆2 人，接卸高压胶管1 人，开关水阀1 人，电工2 人，配浆及搅拌防止沉淀4 人。

图2 高压旋喷桩施工示意图

5 试验结果与分析

⑴经检查成桩长度与喷射深度一致，桩体直径0.4m～0.65m，基本成圆形。

⑵观察切开的一根桩体的横断面，除在离地面0.5m 的桩体顶部一段有直径小于3mm 的气孔（中心多于边缘部分）外，其余整个桩体结构紧密，无明显杂物；另一根桩体的纵断面也没发现任何夹层与杂物。纵横断面内部结构吻合，均匀性好。

⑶本试验旋喷桩每延长米平均体积为0.33 立方米，根据所用浆液计算（除去冒浆等损失的部分），浆液占成桩体积的66%, 大大超过了该处土体的孔隙率，证明其孔隙已被基本填满，湿陷性消失，并因高压喷射的作用，加大了原土体的密实度。

⑸从旋喷桩横断面上发现，虽然土与水泥混合均匀，但由于动能随射流过程的远近而有差异，因而自中心至边缘各点，水泥与土的比例也有差别，强度也不相同。即强度自中心向边缘逐渐增大。

⑹由于高压喷射产生的动压、喷流脉动负荷、水块冲击力等作用，使旋喷桩四周土体的密度增大，天然湿容重增加，N 值增大。

⑺单桩极限承载力达700～860kN。

总之，通过现场试验，取得了较满意的结果，为道路工程的地基加固，提供了有力的数据资料。

6 正式施工

试验成功以后，用高压旋喷法对软土段的快车道地基进行了新建前的加固处理。

地质概况是：0～3.0m 为回填土，3.0m～16.0m 为砂质或亚粘土，16.0m～18.0m 为砂层，18.0m 以下为卵石层；其中16.0m～18.0m 局部地方有砂质体；16.0m 左右出现地下水。

施工机具及施工方法同试验。

旋喷桩最底部到卵石层上，注浆压力为15～20MPa，提升速度为25cm/min，旋转速度为32r/min。所用水泥浆水灰比为2,共完成喷射桩总延长2390m。

施工完后经检查，成桩直径一般为0.6m～0.8m，试件强度达2500～3000kPa(设计要求为1800kPa)

施工实践表明，在设备完好状态下，连续作业，一根长17m 的旋喷桩体，只用3～4 小时即可完成(15 人一班)；其造价为一般桩基处理的1/3～2/3。

建成后，通过沉降观测，无下沉现象，效果良好。

7 心得及体会

高压旋喷桩施工是一种高压作业，对安全作业要充分注意，如每次作业时要特别检查压力表是否完好，安全销压力值是否合适（大于注浆压力的20%～30%为宜）；射水试验是重要的一环，不可省，射水压力应由低到高逐步增加，射水时严禁人脸部贴近喷嘴及各接头处；严格遵守阀的开启、关闭操作原则，先开排出管路上的阀，再开吸入管路上的阀，先关吸入管路上的阀，再关排出管路上的阀，高压排出阀、高压回水阀不得同时关闭，如要调换使用，必须先打开关闭的阀，再关已打开的阀；工作中一旦发生故障，不要慌张，应先采取一致的泄压措施，待压力降下来后再排除。