提高深厚淤泥土质高压旋喷桩复合地基承载力的研究

刘天祥

(中国水电基础局有限公司,天津 301700)

1 概况

北二路道路建设改造及东营河水环境综合治理工程位于山东省东营市中心城北部，项目西起西六路，东至东八路，南至北二路，北至六干渠，规划面积约44.90km2。其中，北二路道路建设改造工程主要对主路实施拓宽改造28.60km，配套完善公交车道、人行道和路灯的市政设施；东营河水环境综合治理工程主要对片区东营河西延、河道拓宽、截污导污、湿地建设实施水环境治理和生态修复，实现三河贯通、自然生态、特色湿地，稳定达到地表Ⅴ类水质的治理目标。

工程项目处于城市建成区，施工项目多，分布区域范围广，点多、线长，各子项施工牵涉征地拆迁、土方开挖与回填、河道清淤、混凝土建构筑物施工、道路与桥梁施工、服务设施施工等。项目的工作量大，工期短及强度高，如何在保证的工期下完成高质量的施工目标是本次施工的重点。其中，在施工过程中经常会对地基进行加[1]，高压旋喷灌浆法由于设备简单、机动性强成为工程上常用的一种方法[2- 5]。但是，高压旋喷注浆法施工受地质条件因素影响大，不同土层的旋喷水泥浆螺旋成桩效果不一致，桩身的强度、完整性、桩径的大小随地质环境的变化而变化[6- 8]。特别是要保证在3m以下高含水率的深厚淤泥土质下的桩体芯样无侧限抗压强度达到2.5MPa，且复合地基承载力特征值达到120kPa(S≤14mm)，这无疑成为本工程的重难点。因此，本文围绕本工程中提高深厚淤泥土质高压旋喷桩复合地基承载力的目标展开研究。

2 现状调查

通过前期对现场进行地质调查，发现当地的地质存在以下问题：

现状1：本项目基础施工难度大，现状地形起伏，地质条件复杂，施工前现场为淤泥弃土场，场坪标高以下淤泥厚度在3～8米，且淤泥含水量极大，呈流塑状分布，且砂层厚，加大了淤泥层成桩的难度。

现状2：由于本项目位于浅海水陆交互相片区，属于临近海的淤泥土质区域，该区域地下水埋深较浅，水源丰富，从而对旋喷桩成桩质量造成影响。

为了检查本工程高压旋喷桩的合格率，通过对首批82根旋喷桩进行试验段施工，水泥掺入量分别为120kg/m(35根)、150kg/m(47根)。施工完成后，检测单位、项目部质检员与监理工程师一起对已完成试验段情况进行质量检查，检查情况和旋喷桩芯样分别见表1和如图1所示。

表1 82根水泥掺入量分别为120kg/m和150kg/m旋喷桩试验质量调查统计表

图1 高压旋喷桩芯样

从图表中可以看出，28d试桩芯样(水泥掺量120kg/m)抗压强度无法满足设计要求(合格率0%)，因此没有继续进行压板载荷试验。只有小部分28d试桩芯样(水泥掺量150kg/m)抗压强度达到要求，但抗压强度合格率(10%)和复合地基承载力特征值没达到要求，所以必须再次进行试验。因此，经过初步试验调查，深厚淤泥土质高压旋喷桩质量问题主要表现为强度(抗压强度、复合地基承载力)和桩径2个方面。为了确保深厚淤泥土质高压旋喷桩成桩质量，需要解决这2个主要问题。

3 原因分析

3.1 原因关联分析

针对以上两个影响成桩质量的因素(强度和桩径)，运用原因关联分析法，对施工过程中可能影响这两个因素质量的原因进行探究，如图2所示绘制了影响成桩强度和桩径的末端因素关联图。

图2 影响强度和桩径的末端因素关联图

在得出上述可能影响成桩质量的末端因素后，有必要实地对这些因素进行调查分析，以便最终确认实际影响成桩质量的要因。

3.2 要因确认

根据上述列出的原因，通过查阅资料、调查分析和现场验证，从实际查验出发逐一进行要因确认，确认情况见表2。经过分析，最终确定影响高压旋喷桩成桩质量的5个要因：注浆压力不足、钻杆提升速度过快、深厚淤泥土质[9]、水泥掺入量过小和潮汐动水位影响。针对这些要因，需要一一分别制定对策来减小或排除它们的影响。

4 对策实施及效果

4.1 对策制定

对策1：针对注浆压力不足的问题，采取的对策是增大注浆压力[10]。

在保证水泥掺入量均为230kg/m情况下，使得浆压分别为20～22MPa，22～24MPa两组工况进行对比施工，然后比较桩体的抗压强度和完整性。通过检测可以发现，水泥浆压为22～24MPa组的桩身强度和完整性有明显提高。

表2 要因确认情况表

对策2：针对钻杆提升速度过快的问题，采取的措施是调整钻杆提升速度。

采用提升速度分别为12～14cm/min，14～16cm/min，16～18cm/min，18～20cm/min进行对比施工，比较桩体的抗压强度和完整性。在实施后发现，提升速度为12～14cm/min的桩身强度和完整性相对较好。

对策3：针对现场深厚淤泥土质的问题，采取深厚淤泥土质层高压旋喷桩复喷的措施。

对3m以下高含水率的深厚淤泥土质层采取复喷的工艺，然后比较不同土层桩体的抗压强度、完整性和复合地基承载力。可以发现，采用淤泥土层复喷的施工工艺对淤泥土质范围的桩体强度有较大提升，能够增加原土体破坏的有效强度，增加螺旋固结体的强度，促使复合地基的承载力大幅提升，从而改变淤泥土层因旋喷阻力过小，导致水泥浆液扩散的情况，确保桩体的整体完整性。

对策4：针对水泥掺入量过小的问题，采取的对策是提高水泥掺入量[11]。

设置水泥掺入量为150、190、230kg/m三组工况进行对照施工，然后比较桩体的抗压强度、完整性和复合地基承载力。结果表明，水泥掺入量为230kg/m桩身抗强度和旋喷桩复合地基承载力均均符合规范要求。

对策5：针对潮汐动水影响的问题，采取添加复合速凝剂的措施。

同一水位情况下，一组使用复合速凝剂，另外一组不添加。选择两地土层分布情况类似并且该地层在车辆段地质情况相同，满足同等工程地质条件要求。结合前面大量试验数据、查阅资料和规范，喷浆压力设置为为22～24MPa经济可行，然后添加复合速凝剂，同时对淤泥土质层采用复喷工艺。对成桩后桩基进行检测，发现旋喷桩成桩桩径满足设计要求，成桩效果满足要求。原因是速凝剂减少了潮汐水对水泥固结影响，确保了桩身强度。

4.2 实施效果

通过开挖浅部桩头观察，采用拟定施工参数形成的旋喷桩均匀性均满足要求，根据浅部桩头开挖结果，对高压旋喷桩进行钻芯及复合地基载荷试验，并进行检测，见表3。

由表3可知，三组试桩的28d试桩芯样抗压强度均满足设计要求。其中经检测，对于深厚淤泥土质，在高压旋喷桩旋转速度为20r/min，提升速度为12～14cm/min，水泥掺入量为230kg/m施工参数下(试桩3)，成桩效果最佳。此外，试桩3的高压旋喷桩桩身抗压强度满足要求，且其负荷地基承载力大于设计复合地基承载力2160kN，且有较多富裕。

表3 芯样抗压强度结果

5 结语

本文针对含有深厚淤泥质土的高压旋喷桩成桩质量进行研究，通过现场调查分析确定影响成桩质量的因素，并一一给出了相应的解决对策，使得高压旋喷桩质量合格率得到较大提高。该研究有利于现场施工管理人员及作业人员掌握施工工艺和施工要点，有利于提供同类淤泥土质下高压旋喷桩成桩施工方案和技术参数，能大大提高成桩的质量合格率，保证了工程的稳步推进，有利于提高工程质量，打造精品工程，争创优质工程。其次，原因关联分析法也能运用到其他领域的问题中，为更好更快的寻找对策来解决问题提供思路及指导。