单管高压旋喷桩在软基海堤除险加固中的应用

王圆圆

(东莞市水利勘测设计院有限公司,广东 东莞 523115)

软基是压缩层内承载力较低、压缩模量不高、孔隙低、天然含水量接近或小于液限，无法满足路基以及人工构造物基底强度要求的地基。在软基上建设海堤存在地基不够坚固的问题，在出现海啸或台风等自然灾害时，无法起到保护的功能，随着时间的演变，软基海堤还会产生一定的沉降，大大降低了海堤的除险功能[1]。为了防止海堤工程建筑后地基下沉拉裂造成建筑物不稳定等事故，需要对软基海堤进行除险加固处理，处理的目的是提升海堤的固结度和稳定性。随着软基海堤处理工程的实践和发展，相关学者在改造土的工程性质的同时，也在不断丰富对软土特性的研究和认识，推动软基海堤除险加固处理技术和方法的更新。目前常用的软土海堤除险加固方法包括排水固结、轻质路堤、加筋、吹填、置换、固化剂加固、振动密挤，以及路堤桩等多种，其中路堤桩的应用范围更加广泛。

经过长时间的应用研究发现，应用传统的除险加固方法得出的软基海堤处理结果依旧存在较大的沉降和稳定性问题。为了解决问题，将单管高压旋喷桩应用到加固工程中。单管高压旋喷桩是高压旋喷桩的一种，利用高压浆液，喷射冲切破坏土体，形成的桩体具有施工速度快和成本低的特点，也具有较好的加固效果[2]。现如今中国的单管高压旋喷桩主要被应用在地铁、铁路以及公路的施工工程中，通过施工结果可以看出单管高压旋喷桩可以对地表沉降进行有效控制，且能够保证线路周边建筑物和管线的安全，具有较高的社会和经济效益。全面掌握单管高压旋喷桩技术，并将其应用到软基海堤的除险加固工程中，对在不良地质段工程的安全施工具有重要意义。

1 除险加固方法设计

软基海堤除险加固标准设计主要是按照堤防等级重要性确定，结合海堤项目实际情况，经过风浪计算后，需要提高海堤的厚度和堤宽，并针对堤基不稳问题进行软基海堤加固处理。此次软基海堤除险加固方法在传统方法的基础上，将单管高压旋喷桩以及单管高压旋喷技术应用其中，遵循该技术的实现原理将其大体分为三个步骤，具体包括分析软基海堤除险加固的目的，设计单管高压旋喷工艺流程以及技术参数，最终通过室外喷射实验和室内取样试验，得出最终的加固结果[3]。优化的软基海堤除险加固方法的实现过程如图1所示。

图1 软基海堤除险加固设计程序

一般来讲软基海堤可以分为三角洲相和海岸带两种类型，其中三角洲相可以分为顶积层、前积层和底基层，而海岸带可以分为砾石相、砂相和淤泥相等。结合研究的软基海堤的实际工程项目，划分软土海堤的类型，在此基础上分析高压旋喷注浆技术的作用机理[4]。

1.1 建立软土海堤除险加固力学等效模型

采用二维弹塑性有限元软件进行软基海堤实际结构、荷载、位移、约束等方面的模拟，计算出各个部位的应力和变形，并进行相对应的力学分析。可以得出软土海堤除险加固区域应力表达式如式(1)所示：

(1)

式中：σr为软土海堤除险加固区域切应力;σθ为软土海堤除险加固区域正应力;A和C均为常数，可以根据除险加固区域的内面边界条件得出常数的具体取值[5];r为加固区域半径值。同理可以得出除险加固区域外应力对应的表达式。

在考虑加固位移的情况下，可以得出加固区和未加固区的弹性体的径向位移表达式如式(2)所示：

(2)

式中：ur为加固区的分部节点；I和K分别为任意常数，用来表示与形变无关的刚体位移；E和μ分别为加固区的弹性模量和泊松比[6]；Cr表示加固区域边界阈值；θ为未加固区域的分部值。根据加固与未加固区域接触面上具有相同位移的关系，可以得到对应的应力分量表达式如式(3)所示：

(3)

式中：n为加固区和未加固区弹性模量的比值；a和b分别为加固前后单管高压旋喷桩的开挖半径;q为 加固区和未加固区的载荷。

1.2 高压喷射流的流体力学特征

将单管高压旋喷桩应用到除险加固工程中，需要利用高压旋喷技术得到喷射流，并通过风干得到最终的桩体[7]。在高压旋喷过程中需要严格地控制喷射压力，从而控制流体的速度和功率，对应喷射流压力与速度和功率的关系如表1所示。

表1 喷射流压力与速度、功率关系

在外界环境以及空气阻力的影响下，单管高压旋喷流的速度和功率逐渐降低，按照旋喷流与喷嘴的距离可以将其划分为初期区、迁移区、主要区和终结区四个部分，并得出各个阶段旋喷流压力的衰减规律，可以表示为式(4)：

(4)

式中：xn和K均为常数系数;d0为旋喷流与喷嘴之间的距离；p0和pm分别为旋喷流的初始压力和距离喷嘴d0距离的压力[8]。

1.3 成桩机理分析

使用单管高压泵将水泥浆通过喷射装置，水泥浆在高压的作用下高速注入到软基海堤土体中，其过程如图2所示。

图2 单管旋喷注浆示意图

在单管高压旋喷流的作用下对土体产生破坏作用，使得土体由整体状态转变为松散状态，喷射流的破坏力可以表示为式(5)：

F=pQVm

(5)

式中：F为单圈高压旋喷流介质的输出节点；p和Q为单圈高压旋喷流介质的密度和流量；Vm为流体的平均旋喷速度。

随着旋喷流的冲切和移动，将配置完成的水泥浆注入到单管中，水泥在软基海堤内部发生水解和水化反应[9]。水泥浆中水泥颗粒表面的矿物会和软基海堤中的水发生反应，生成氢氧化钙、硅酸钙等化合物，在不同含量的水环境下水化的速度与程度不同。另外水泥浆在软基海堤环境中的水化作用也就是碳酸化作用，高压旋喷注入的水泥浆中有利的氢氧化钙与水中以及空气中的二氧化碳混合，生成不溶于水的碳酸钙物质。通过一系列的化学以及风干反应，注入的水泥浆在软基海堤中逐渐固结与硬化，最终得到单管高压旋喷桩。

2 高压旋喷桩施工工艺

在软基海堤除险加固处理过程中，为了保证单管高压旋喷桩得到更好的应用，满足除险加固的要求与软基海堤的施工要求，必须严格按照施工工艺流程进行施工，具体的施工过程如图3所示。

图3 单管高压旋喷桩施工工艺流程

单管高压旋喷桩施工就是先将注浆管插入指定的软基海堤中，自下而上进行高压旋喷作业。

2.1 准备喷射注浆材料

单管高压旋喷桩的注浆主剂可以分为无机和有机两种类型，其中无机类型包括单液水泥类、水泥黏土类、水玻璃类等；而有机类型可以分为木质素类、丙烯酰胺类等[10]。结合软基海堤土质类型的基本特征，使用单液水泥浆液为主剂，按照一定的比例，并添加一定量的附加剂，配置成浆液材料。不同配比的喷射注浆材料的基本性能如表2所示。

表2 不同配比水泥浆材料的基本性能

2.2 选取高压旋喷桩的施工设备

需要准备的高压旋喷桩施工设备包括高压泥浆泵、旋喷钻机、旋喷器以及材料搅拌系统等，将各个设备按照其施工工艺流程连接在一起，得出的高压旋喷桩施工设备连接情况如图4所示。

图4 高压旋喷桩设备示意图

其中对旋喷钻机的要求包括：钻机提升速度为10～30 cm/min，旋转速度为15～30 r/min等。满足上述参数要求的旋机设备包括SH30-2 型、76 型和GD-2 型等，可以结合现场的施工环境进行具体的设备型号选择[11]。另外旋喷器包括上部送液器、中部钻杆、下部喷射头三个部分组成，其中送液器的作用是将浆液、水等设备输送到喷射头中，钻杆是将送液器中的液体按照不同的压力介质送到喷射头中，钻杆的厚度强度计算公式为式(6)：

(6)

式中：δ为变形量；d为管壁直径;pg为杆内产生的压力;m和σ为安全系数和抗拉强度。

同理对设备中的喷射头的型号进行选择，最终得出单管高压旋喷桩的施工设备。

2.3 单管高压旋喷桩设计与布置

单管高压旋喷桩呈正三角形布置，其横断面布置的具体情况如图5所示。

图5 旋喷桩横断面布置示意图

另外还需要布置旋喷桩的孔位，计算孔位之间的距离以及孔位深度[12]。

2.4 确定单管高压旋喷桩施工参数

根据软基海堤土质条件、加固要求确定单管高压旋喷桩施工参数，旋喷压力施工参数的计算方法如式(7)：

(7)

式中：φ为旋喷嘴的流速系数；Q为喷射泵量。

另外还需要对单管高压旋喷桩设备的旋喷直径进行参数设置，直径的计算公式为式(8)：

(8)

式中：D0为喷嘴直径；σc和vt为软基海堤土的抗压强度和喷管提升速度[13]。

在此基础上，按照图3中表示的施工程序流程，实现对单管高压旋喷桩的施工工艺。

2.5 施工质量控制标准与质量检查

为了保证软基海堤除险加固的质量，需要对单管高压旋喷桩的施工结果进行质量检测，质量检测分为施工前检查、施工后检查两个部分[14]。其中施工前检查就是检查桩与桩之间的连接是否严密，而施工后的质量检查就是在旋喷施工一个阶段完成后或整个施工项目竣工后进行的，检查施工固结体是否存在异常情况。最终结合施工质量的检测结果，对其进行纠偏调整，从而保证单管高压旋喷桩的施工质量，以及软基海堤的除险加固质量。

3 应用效果测试试验分析

为了测试单管高压旋喷桩在软基海堤除险加固工作中的应用效果，设计测试对比试验，并观察不同加固方法的加固效果。设置应用效果的检测指标为软基海堤表面的沉降量和变形量，使用位移传感器设备得出量化的测试数据结果。为了形成试验对比，将传统的软基海堤除险加固方法以及文献[7]中提出的基于云模型的病险水闸除险加固方法作为此次试验的两个对比方法，分别将三种除险加固方法应用到相同的软基海堤加固工程中，对比不同方法下的加固效果。

3.1 软基海堤除险加固工程概况

此次试验选择的加固工程项目为位于广东沿海的某个软基海堤，该工程土层层位稳定，厚度变化小，连续性良好。

3.2 设置单管高压旋喷设备参数

在试验工程环境下，分别准备旋喷钻孔和高压注浆泵机设备，两设备的型号分别为xpz-50和bwt100/30，另外还需要准备Lj660型号的立式搅拌机以及JQB2-10的潜水泵等单管高压旋喷设备，并得出对应的成桩结果，其中部分旋喷桩的成桩结果数据如表3所示。

表3 单管高压旋喷桩设计参数表

3.3 软基海堤除险加固效果检测对比结果

为了形成试验对比，此次试验选择多次测量取平均值的方式，分别在各个软基海堤上加载不同大小的荷载，每次加荷后间隔15 min观测一次，记录海堤的沉降情况与变形情况，并结合传感器中的读数得出量化结果。综合各个位置的沉降与变形结果得出试验的应用效果对比结果，其中在50 MPa荷载下沉降与变形的试验统计结果如表4所示。

表4 试验对比结果 mm

从表4中可以看出，在50 MPa外力荷载下，应用传统和文献[7]中提出的除险加固方法得出的平均沉降量分别为62.7 mm和42.3 mm，而平均变形量分别为91.2 mm和80.2 mm。而应用单管高压旋喷桩的除险加固方法的平均沉降量和变形量分别为28.3 mm和48.8 mm。由此可见在这种外力荷载状态下，应用单管高压旋喷桩的除险加固方法的加固效果更优。同理可以得出在其他外力荷载下的试验结果，综合所有试验结果可以得出，将单管高压旋喷桩应用到软基海堤除险加固工程中，具有较好的应用效果。

4 结 论

单管高压旋喷桩是软基海堤进行除险加固处理的一种有效型式，可以通过与桩间土形成复合地基，从而提高软基海堤的承载能力，缩小沉降与变形程度，对其工程的适用性和应用领域拓展具有指导意义。然而由于首次采用单管高压旋喷工艺处理，可利用的施工参数较少，加上施工工艺复杂，因此会出现施工时间长的问题，需要在未来的研究工作中进一步优化。