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高压旋喷桩在浙江舟山沿海某软土地基处理中施工参数的确定

摘要：本文根据浙江舟山浅海区工程地质、水文地质条件，结合工程实例，综合考虑地基类型和性质、地下水条件、上部结构形式、荷载情况、场地环境、施工设备性能等因素，通过全面细致的施工前期试验工作，对高压旋喷桩强度增加过程，影响强度的主要因素做了详细的检测和分析，确定了高压旋喷桩较经济合理的施工参数，对浙江沿海地区相类似的地基处理有较好的借鉴作用。
关键词：高压旋喷桩；工程地质条件；试桩；合理；施工参数
Abstract：Inthispaper，accordingtotheShallowwaterengineeringgeologicalandhydrogeologicalconditions，Combinedwithpracticalengineering，Consideringthefoundationtypesandproperties、underwaterconditions、substructuretypes、Loadmagnitude、siteenvironment、performanceofengineeringfacilitiesandsoonsoforth.Throughcomprehensiveanddetailedtestworkintheearlyconstructionstage.Havedonethedetailedanalysisforthestrengthincreaseprocessofhigh-pressurejetgroutingpilesandfundamentalfactorswhichcouldaffectthepilestrength，whichcouldbeagoodreferencefortheSimilarfoundationtreatmentforcoastalzonesinZhejiang.
Keyword：High-pressurejetgroutingpiles，engineeringgeologicalconditions，piletest，reasonable，constructionparameters
一工程概况
浙江省舟山市地处浙江省东北、上海市东南、杭州湾外缘的东海海域中，拟建工程位于浙江省舟山市岱山县长涂港南岸，界于东经122°15'，北纬30°14'，处于舟山渔场中心，我国南北海运中点，江海联运的枢纽。
原渔港护岸总长约1000米，于2007年年中开始施工，全线护岸在施工至顶标高2.4m（85高程）时（设计顶标高3.20米），东侧585.72米于2008年8月1日（农历七月初一）发生滑坡，留下西侧414.28米。拟建工程需对剩下的414.28米护岸进行加固.
该护岸所处场地地质环境较复杂，在勘察深度50m范围内有6个土层，见地层剖面图，其中，上部淤泥质粉质粘土，是本场地地基的中最软弱的土层，埋藏浅，厚度大（约20m），是本场地地基的主要受压层。这层饱和软粘土的存在，构成了本场地最不利的工程地质条件。上部各主要土层的物理力学指标见表：
表1地基土物理力学指标数理统计表
地层编号地层名称统计指标物理性质指标固结煎切试验含水率湿密度重度比重孔隙比饱和度压缩系数压缩模量固快粘聚力内摩擦角ω0ργGseSrα1-2ES1-2cφ（%）（g/cm3）（kN/m3）（%）（MPa-1）（MPa）（kPa）（°）2淤泥质粉质粘土统计频数37363655515126261111最大值54.61.8918.902.751.481100.01.22.813.013.5最小值37.31.6816.802.710.94391.640.72.010.08.2平均值45.11.7817.772.731.19797.251.02.411.110.1修正系数1.0250.9930.9930.9991.0291.0051.0400.9740.9510.913标准值46.21.7617.652.731.23297.711.02.310.59.23淤泥质粉质粘土统计频数77710776611最大值47.71.8718.702.741.36598.771.04.214.010.8最小值34.41.7117.102.690.95593.060.52.314.010.8平均值42.71.7717.692.731.21096.620.82.914.010.8修正系数1.0860.9770.9770.9961.0901.0151.2100.808标准值46.41.7317.282.721.31898.100.92.44粉质粘土混砾砂统计频数8778776633最大值34.52.0920.902.750.82999.700.58.047.021.8最小值18.71.9219.202.690.52892.870.23.915.019.8平均值25.72.0120.072.720.68796.660.36.332.720.6修正系数1.1340.9770.9770.9951.1181.0171.2990.791标准值29.11.9619.612.700.76898.300.45.05粉质粘土统计频数242424242423181886最大值30.22.1121.102.750.848100.00.314.090.030.1最小值18.61.9319.302.700.51996.070.16.149.016.7平均值25.62.0120.052.730.71498.660.29.562.925.0修正系数1.0430.9930.9930.9981.0381.0051.1090.8890.8570.834标准值26.71.9919.902.730.74199.120.28.553.920.8
由于本场地淤泥质粉质粘土层物理力学性质极差，原护岸施工阶段未对该土层进行加固处理，本工程在要求在不破坏现存护岸的基础上对场地上部的软弱土层进行加固处理。以便完成上部尚未完成的工程。
二地基处理方案的比选
根据目前掌握的资料适合本场地软弱地基土加固的方法主要有：
（1）采用砂井和塑料排水板法：然而现有护岸的灌砌墙体为不透水体，抛石与基础下部粘性土结合处，由于挤土作用和多年沉降，抛石间孔隙已经被粘性土充填，灌砌墙体前滩涂较原泥面线标高上升了约1.3～1.5m，因此灌砌墙前后土体水力联系较弱。抛石棱体也可视为不透水体，难以和竖向排水体共同形成有效的连通的排水通道，孔隙水消散缓慢，很难达到排水固结的目的。砂井和塑料排水板进行软基处理不可行。
（2）水泥土搅拌桩复合地基：由于已建护岸临海面有抛石护脚、灌砌墙体，后方陆域上部有2~3米的块石回填，这些上部结构对水泥土搅拌桩施工有较大的影响，如果采用开挖引孔的办法把搅拌头送至软弱土层，由于水泥土搅拌桩需要较高的置换率才能满足上部荷载要求，开挖引孔需要对上部结构大开大挖，重复工程量大，因此水泥土搅拌桩不可行。
（3）高压旋喷桩法：该方法采用钻孔成孔（直径约95mm），使喷射头直达预定的深度，以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合，由于桩头较小所以引孔对上部结构破坏较小，在软土地基中可以形成较大的桩径（800~2000mm），桩身强度较高，与桩间土共同作用。形成物理力学性质较好的复合基础。
图1工程地质剖面图
对这3种方案按照复合场地实情，技术达标，造价经济，施工可行的要求，进行了对比，终因高压旋喷桩可充分利用原土自然性能，形成复合地基，桩长可随软土的深度而变化，引孔对上部结构破坏较小，认为选用高压旋喷桩对软弱地基进行加固处理较为合理经济可行。
三试验研究工作
针对护岸软基加固处理，为确保桩身质量满足设计要求，正式施工前，先进行试桩工作，包括：水泥掺入量、外掺剂种类、水灰比，高压泵压力值、喷嘴直径，为了准确计算出每根桩的水泥用量，采用现场开挖测量桩径，以便准确控制水泥用量。
注：水泥掺入比aw是指水泥重量与被加固的软土重量之比。
3.1两次试桩桩身质量检测成果
（1）第一次试桩成果：根据有关资料初步选定，高压旋喷桩水泥掺入量控制在25%左右，施工单位误用了P.C32.5水泥标号，水灰比为1：1，旋喷桩高压泵的压力控制在20Mpa，外加硅酸碱（水玻璃）硅酸钠、硅酸钾类速凝剂。本次共检测6枚桩，受检桩有关参数见下表：
表2第一次试桩阶段钻孔取芯法检测基桩成果汇总表
序号桩号水泥掺入量设计桩长（m）施工日期取芯日期取芯深度（m）检测桩长（m）桩身强度（MPa）评定13#25%15.002013.05.042013.05.2819.4015.000.51无侧限抗压强度平均值为0.195MPa。24#15.002013.05.042013.05.2919.2014.900.1937#25%15.002013.05.042013.05.2819.4014.800.0948#15.002013.05.032013.05.2918.6014.800.14511#25%15.002013.05.032013.05.2819.1015.000.08612#15.002013.05.022013.05.2919.1014.800.16
（2）第二次试桩成果：高压旋喷桩水泥掺入量控制在25%左右，水泥标号：P.O42.5，水灰比为1：1，旋喷桩高压泵的压力控制在20Mpa，外加硅酸碱（水玻璃）硅酸钠、硅酸钾类速凝剂。本次共检测6枚桩，受检桩有关参数见下表：
表3第二次试桩阶段钻孔取芯法检测基桩成果汇总表
序号桩号水泥掺入量设计桩长（m）施工日期取芯日期取芯深度（m）检测桩长（m）试压龄期（天）桩身强度（MPa）评定11#25%15.002013.06.122013.07.0516.0010.20270.17无侧限抗压强度平均值为0.265MPa。22#15.002013.06.122013.07.0819.3015.20270.2533#20%15.002013.06.122013.07.0619.6015.60270.1644#15.002013.06.132013.07.0719.3015.20260.1555#25%15.002013.06.132013.07.0616.6012.30260.2366#15.002013.06.132013.07.0719.5015.20260.63
3.2两次试桩检测成果对比分析
（1）两次试桩共计12枚受检桩，水泥浆与软土搅拌混合28天后，根据现场钻孔取样表面观察，芯样多呈短柱状，连续性、胶结性较差，桩身完整性较差，桩身均匀性一般，取芯率较低。桩长基本满足设计要求。
（2）将水泥土芯样断面切开观察，可见软弱土中包含较硬的水泥土小颗粒，直径0.5mm~5mm不等，手捏可碎，含量20~40%不等，说明水泥浆液和软弱土混合欠均匀，部分层段显示虽然水泥土搅拌较均匀，肉眼观察含一定的水泥浆液，但强度较低，呈软可塑状态，说明水泥土的一系列物理化学反应在28龄期尚未完成。受检高压旋喷桩桩身水泥土无侧限抗压强度平均值均均未达到设计值。
（3）两次试桩桩身质量均未达到设计要求，从试验结果可以发现第二次试桩水泥标号从复合硅酸盐水泥P.C32.5换成普通硅酸盐水泥P.O42.5后，别的施工参数不变的情况下，水泥土的无侧限抗压强度平均值提高了35.9%，水泥土强度增长效果较显著。
四正式施工阶段桩身质量检测成果及对比分析
根据高压旋喷桩两次试桩桩身质量检测成果，对高压旋喷桩施工参数调整如下：高压旋喷桩水泥掺入量控制在25%左右，水泥标号：P.O42.5，水灰比为0.8：1，旋喷桩高压泵的压力控制在20Mpa，外加剂为聚羧酸盐高性能减水剂。
4.1正式施工阶段桩身质量检测成果
（1）根据调整后的施工参数，正式施工阶段第一次钻孔取芯共检测6枚桩，受检桩有关参数见下表：
表4钻孔取芯法检测基桩成果汇总表
序号桩号设计桩长（m）施工日期取芯日期取芯深度（m）检测桩长（m）龄期（天）桩身强度（MPa）统计1A-7#13.002013.08.042013.09.0614.6013.00372.6140天左右龄期无侧限抗压强度平均值0.498MPa。（剔除离散较大数据A-7#）2C-7#12.002013.07.302013.09.0516.9011.20420.423D-7#12.002013.07.302013.09.0617.3012.00420.414C-21#13.002013.07.312013.09.0718.0013.00410.415D-29#12.002013.08.022013.09.0717.0012.00390.446A-9#13.002013.08.092013.09.0614.8013.00320.81
（2）根据调整后的施工参数，正式施工阶段第二次钻孔取芯共检测3枚桩，受检桩有关参数见下表：
表5正式施工阶段第二次钻孔取芯法检测基桩成果汇总表
序号桩号设计桩长（m）施工日期取芯日期取芯深度（m）检测桩长（m）龄期（天）桩身强度（MPa）评定1F-21#12.002013.09.262013.11.2616.4012.00640.7160天左右龄期无侧限抗压强度平均值0.693MPa。2E-23#12.002013.09.262013.11.2616.7012.00640.683F-23#12.002013.09.262013.11.2716.5012.00640.69
（3）根据调整后的施工参数，正式施工阶段第三次钻孔取芯共检测6枚桩，受检桩有关参数见下表：
表6正式施工阶段第三次钻孔取芯法检测基桩成果汇总表
序号桩号设计桩长（m）施工日期取芯日期取芯深度（m）检测桩长（m）龄期（天）桩身强度（MPa）评定1B-1313.002013.08.092013.12.1514.8013.001300.70100天左右龄期无侧限抗压强度平均值0.762MPa。（剔除离散较大数据E-44#）2B-1513.002013.08.212013.12.1514.4013.001180.843A-1513.002013.08.212013.12.1614.8013.001180.774E-38#12.002013.08.102013.11.2717.5012.001110.705F-36#12.002013.08.102013.11.2817.1012.101110.736E-44#12.002013.08.092013.11.2817.1012.001120.237试3#15.002013.06.122013.09.0819.2015.00901.61
其中E-44#号桩无侧限抗压强度未达到设计要求，经询问施工单位操作人员，估计是施工时喷浆头堵塞或提升速度较快导致水泥土中水泥含量偏低所致，后已进行了补桩。
4.2正式施工阶段检测成果对比分析
（1）正式施工阶段共计16枚受检桩，水泥浆与软土搅拌混合40天后，根据现场钻孔取样表观观察，芯样多呈短柱状，连续性、胶结性较好，桩身完整性较好，桩身均匀性一般，桩长满足设计要求，大部分桩无侧限抗压强度未达到设计要求。
（2）将60天左右龄期水泥土芯样断面切开观察，芯样水泥土混合较均匀，切开芯样断面，极少发现较硬的水泥土小颗粒，除去个别由于施工阶段操作不规范造成有缺陷的桩，无侧限抗压强度均达到设计要求0.6Mpa。
（3）从正式施工第一次检测成果和试桩阶段检测成果数据对比发现，采用40天左右龄期较28天左右龄期各桩无侧限抗压强度平均值提高了87.9%。说明这阶段水泥土强度在20~40这个时间段强度增长非常快。
（4）从正式施工第一次和第二次检测成果数据对比发现，采用60天左右龄期较40天左右龄期各桩无侧限抗压强度提高了39.2%。说明这阶段水泥土强度在这一阶段增长仍较快。
（5）从正式施工第二次和第三次检测成果数据对比发现，采用90天左右龄期较60天左右龄期各桩无侧限抗压强度提高了10.9%。说明这阶段水泥土强度在这一阶段仍在增长，但增长速度明显放缓。100天以后水泥土的强度增长非常缓慢，由于水泥土检测数据受取样、土质、试和施工条件等多种因素影响，本次施工阶段较少统计样本数量无法反应水泥土微弱的强度增长趋势。
值得注意的是：3#桩，试桩阶段27天龄期无侧限抗压强度为0.16Mpa，90天龄期无侧限抗压强度为1.61，增长了9倍，和平均值偏差较大。
（6）水泥土龄期与无侧限抗压强度的关系。（根据本次工程检测成果）
图2水泥土龄期与无侧限抗压强度的关系
五高压旋喷桩施工参数确定的分析和总结
该工程根据两次试桩和正式施工阶段三次钻孔取芯检测成果，对桩基施工参数进行了几次调整，桩身质量较试桩阶段有较大幅提高，满足设计要求，总结主要有以下几点经验：
（1）以28天龄期强度作为作为水泥土的标准强度是不合适的。通过试桩阶段和正式施工阶段水泥土无侧限抗压强度数据对比，28天龄期水泥土强度普遍低，均不能达到设计要求，60天龄期水泥土强度较28天龄期有很大幅度的提高，90天龄期水泥土强度较60天龄期仍有明显增长，但增长速度明显放缓，90天以后水泥土的强度增长速度非常缓慢。综合考虑，采用60天龄期强度作为作为水泥土的标准强度较合适。
分析造成这种现象的原因，水泥土的物理化学反应过程与混凝土的硬化机理不同。混凝土的硬化主要是水泥在填充料（即比表面积不大、活性很弱的介质）中进行水解和水化作用，所以凝结速度较快。而在水泥加固土中，由于水泥的掺量很小（仅占被加固土重的20%~30%）。水泥水解和水化反应完全是在有一定活性的介质一土的围绕下进行，土体的物理力学性质和物理化学性质对水泥土强度均有较大的影响。水泥土硬化速度缓慢且作用复杂，其强度增长的过程较混凝土强度增长缓慢。
（2）高压旋喷桩正式施工阶段水灰比由试桩阶段的1：1调整为0.8：1，调整后的水灰比较试桩阶段1立方米水泥土可减水的重量为1800kg/m3×0.25×（1.0-0.8）=90kg，软弱土层的天然含水率为W天然=46%，调整水灰比后水泥土的含水率较试桩阶段减少了90kg&pide;（1800kg/m3×0.25+1700kg/m3×0.75×0.54）=7.9%。（设水泥土体密度为1800kg/m3，根据土工试验报告，淤泥质粉质粘土密度为1700kg/m3，天然含水率为W天然=46%。固体颗粒的百分含量为54%）。
图3场地抗压强度与含水率的关系
场地抗压强度与含水率的关系。Aw=25%，T=28d。（由试验室标准养护28d后提供）。
（3）正式施工阶段旋喷桩高压泵的压力控制在20Mpa，采用现场开挖的方法确认正式施工阶段实际桩径，开挖的两根旋喷桩直径为830mm，实际桩径与设计桩径偏差为3.75%，水泥的用量是按桩经800m掺入量25%配比计算的，正式施工重新计算水泥的实际掺入量约为0.25×（0.82&pide;0.832）=23.2%。与设计偏差为1.8%。
（4）从第两次试桩成果判断外加速凝剂对水泥土硬化的速度和强度的提高作用微乎其微，根据《建筑地基处理技术规范》第三版，水泥土的抗压强度随着土样的含水量的增加而迅速降低的规律。该场地上部软弱土层平均含水量46%，属于含水量较高土层，正式施工外加剂采用新型的聚羧酸盐高性能减水剂，该减水剂的作用原理主要通过分子的主链吸附在水泥颗粒表面，能够有效的阻碍水化反应提高其保塑性，从而达到减少水泥土的含水量和提高水泥粒子的分散效果，从正式施工阶段钻孔取出的芯样断面观察，水泥土混合较均匀。基本未发现或很少发现试桩阶段普遍存在的水泥土中包含水泥硬化小颗粒的现象。
（5）正式施工后将水泥的品种由P.C32.5换成P.O42.5，根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79-200211.2条文说明，水泥标号直接影响水泥土的强度，水泥强度等级提高10级，水泥土强度fcu约增大20%~30%。从两次试桩及正式施工的取芯成果看水泥标号从复合硅酸盐水泥P.C32.5提高到普通硅酸盐水泥P.O42.5后，别的施工参数不变的情况下，水泥土的无侧限抗压强度平均值提高了35.9%，水泥土强度增长效果较显著。
六结束语
高压旋喷桩的设计和施工，应因地制宜，综合考虑地基类型和性质、地下水条件、上部结构形式、荷载大小，场地环境、施工设备性能等因素，做到技术先进，经济合理，确保工程质量。
该工程在正式施工之前，做了较细致的试验工作，考虑到水泥土在实验室的标准养护条件和实际施工的地质环境相差较大，决定选择在对整个工程有代表性地段打试桩，通过钻孔芯样检测无侧限抗压强度，采用现场开挖的方法确认实际桩径，目的是在满足设计要求的情况下通过试验确定最经济合理的施工参数，避免桩机全面施工进场后由于施工参数不合理，从而造成延误工期和工程质量不合格的现象。
参考文献：
【1】《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002中华人民共和国行业标准
【2】龚晓南《地基处理技术手册》（2008.06第三版）中国建筑工业出版社
【3】高大钊《岩土工程勘察与设计》（2010第一版）人民交通出版社
【4】陈跃庆《地基与基础施工技术》（2003第一版）机械工业出版社
【5】王吉刚阎长虹等《淤泥质土改性试验研究》水文地质工程地质2007.02
第一作者通讯地址：舟山市临城新区交通大楼3楼舟山市交通规划设计院
第一

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