高压旋喷桩在钱塘江两岸水闸地基处理中应用设计

高压旋喷桩在钱塘江两岸水闸地基处理中的应用设计摘要：随着水闸的运行使用，暴露出一个这一带挡潮闸的通病：水闸各段各部位之间不均匀沉降严重。

根据险情调查分析，出现该状况的主要原因是潮水对水闸地基的冲刷所致。

高压旋喷桩不仅可作为既有建筑和新建建筑的地基加固之用，也可作为施工中的临时措施（如深基坑侧壁挡土或挡水、防水帷幕等），尤其是目前钱塘江两岸水闸的地基加固、防渗处理的最佳方法。

目前在该地区相关水闸地基处理中采用高压旋喷桩技术，取得了令人较满意的结果。

abstract： along with the use of sluice operation， it exposed the defects of the tidal gate： the uneven settlement between each part of the sluice is serious. according to the investigation and analysis of risks， the main reason of the situation formation is that the sluice foundation is washed away by the tide. high pressure jet grouting pile can be used not only as the foundation reinforcement of existing buildings and new buildings， but also can be used as a temporary measure in construction （such as retaining soil and water， waterproof of deep foundation pit side etc. ），especially as the best way of the sluice foundation reinforcement of both sides of qiantang river. the use of high pressure jet grouting pile technology in sluice foundation treatment has achieved satisfying results.关键词：工艺原理；工艺设计；工艺流程key words： process principle；process design；process flows 中图分类号：tv223 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）18-0058-030 引言钱塘江河口自萧山县闻家堰至海盐县澉浦一段长101km河口段，有曹娥江等支流汇入；然后，水流经杭州湾注入东海。

该段两岸海涂资源丰富，围涂活动频繁。

随着工农业生产的发展，以及已围海涂挡潮、灌溉、排涝、航运的需要，两岸陆续兴建了许多不同类型的水闸。

随着水闸的运行使用，暴露出一个这一带挡潮闸的通病：水闸各段各部位之间不均匀沉降严重。

而在该地区内河的节制闸没有明显的病症。

根据险情调查分析，出现该状况的主要原因是潮水对水闸地基的冲刷所致。

现行水闸设计规范没有充分考虑钱塘江两岸等强涌潮和感潮地区的潮水驱动力，致使水闸实际运行条件与设计规范水力模型有很大区别。

70年代日本首先提出了高压旋喷桩施工技术，为了达到加固地基和防渗的目的，通常利用射流作用切割掺搅地层以改变其结构和组成，同时灌入水泥浆或复合浆而形成凝固体。

这种技术是在静压灌浆的基础上移近水力采煤技术发展起来的。

目前在该地区相关水闸地基处理中采用高压旋喷桩技术，取得了令人较满意的结果。

现本文简要介绍其应用过的各种高压旋喷桩处理的方法及施工要求。

1 工艺原理及设计要求1.1 加固原理采用高压喷射注浆就是为了加固地基或者止水防渗。

高压喷射注浆法是在钻机的作用下将带有喷嘴的注浆管钻进土层预定的位置后，经过高压设备从喷嘴喷射出20～40mpa的高压浆液或水、空气等，以达到冲切、扰动和破坏土体的目的。

同时泥浆在钻杆的作用下逐渐上升，并与土粒搅拌混合，经过凝固后的浆液在土中就形成了圆柱状的固结体，即旋喷桩。

喷射注浆根据喷射方法的不同可以分为以下几种：①单管法：单层喷射管，仅喷射水泥浆。

②二重管法：此方法是高压水泥浆和空气两种介质经过二重注浆管后喷射流横向喷射出以冲击破坏土体，因此此方法又叫做浆液气体喷射法。

破坏土体的能量在高压浆液以及外圈环绕气流的共同作用下显著增加，最后在土中形成一个较大的固结体。

③三重管法：是一种浆液、水、气喷射法，使用分别输送水、气、浆液三种介质的三重注浆管，在以高压泵等高压发生装置产生高压水流的周围环绕一股圆筒状气流，进行高压水流喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙，再由泥浆泵将水泥浆以较低压力注入到被切割、破碎的地基中，喷嘴作旋转和提升运动，使水泥浆与土混合，在土中凝固，形成较大的固结体，其加固体直径可达2m。

喷射压力p、提升速度s、被加固土的抗剪强度τ、喷咀直径d 和浆液稠度b等因素都会影响喷射注浆法的加固半径。

加固范围与喷射压力p、喷咀直径d成正比，与提升速度s、土的抗剪强度τ和浆液稠度b成反比。

加固体强度与单位加固体中的水泥掺入量和土质有关。

单管、二重管、三重管旋喷桩机注浆施工示意图参见图1、图2、图3。

1.2 成桩机理高压喷射注浆的成桩机理包括以下五种作用：①充填、渗透固结作用。

高压水泥浆迅速充填冲开的沟槽和土粒的空隙，析水固结，还可渗入砂层一定厚度而形成固结体。

②压密作用。

高压喷射流在切割破碎土层过程中，在破碎部位边缘还有剩余压力，并对土层可产生一定压密作用，使旋喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。

旋喷桩固结体情况如图4所示。

③混合搅拌作用。

钻杆在旋转提升过程中，在射流后部形成空隙，在喷射压力下，迫使土粒向着与喷咀移动方向相反的方向（即阻力小的方向）移动位置，与浆液搅拌混合形成新的结构。

④升扬置换作用（三重管法）。

高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩气体而把一部分切下的土粒排出地上，土粒排出后所留空隙由水泥浆液补充。

⑤通过高压喷射流达到切割和破坏土体的作用。

喷射流动压以脉冲的形式冲击破坏土体，使得土体出现空穴以及裂隙扩张。

1.3 工艺设计1.3.1 加固体直径的确定。

旋喷桩直径与现场土质、土体强度和喷射压力、流量、提升速度和浆液稠度等诸多因素有关，应通过现场试验确定。

当无试验资料时可参考表1选用。

1.3.2 布置形式。

桩的平面布置形式需根据加固的目的给予考虑，分离布置的单桩可用于基础的承重，排桩、板墙可用作防水帷幕，整体加固则常用于防止基坑底部的涌土或提高土体的稳定性，水平封闭桩可用于形成地基中的水平隔水层。

图5为水闸加固桩的一般平面布置形式。

1.3.3 设计承载力图①按桩身强度计算容许承载力。

[p]=a[σ]a[1]式中[p]——桩的容许承载力（kn）；a——桩体材料的强度折减系数，a=0.4～0.5；[σ]——桩体材料7cm×7cm×7cm试件的室内平均抗压强度（kpa）；a——桩的横断面积。

②按土体强度计算桩身容许承载力。

[p]=uσfili+a[r][1]式中[p]——桩的容许承载力（kn）；u——桩身截面周长，按桩的直径计算（m）；fi——各土层的容许摩阻力（kpa）；li——各土层的厚度（m）；a——桩底支承面积，按桩的直径计算（m）；[r]——桩尖处的地基容许承载力（kpa）。

③复合地基承载力。

pcom=■[[p]+a[r]（ae-ap）][1]式中pcom——复合地基的容许承载力（kpa）；[p]——单桩承载力（kpa）；[r]——桩间土天然地基承载力（kpa）；ae——一根桩分担的荷载面积；ap——一根桩的断面积；a——天然地基承载力折减系数，当不考虑桩间土作用时为0。

1.3.4 浆量计算。

体积法和喷量法是计算浆量的两种常用方法，设计喷射浆量取大者。

体积法：q=■k1h1（1+β）+■k2h2[1]喷量法：q=■q（1+β）[1]式中q——需要的喷浆量（m3）；de——旋喷固结体直径（m）；d0——注浆管直径（m）；k1——填充率，0.75～0.9；h1——旋喷长度（m）；k2——未旋喷范围土的填充率，0.5～0.75；h2——未旋喷长度（m）；β——损失系数，0.1～0.2；ν——提升速度（m/min）；h——喷射长度（m）；q——单位喷浆量（m3/m）。

根据计算所需的喷浆量和设计的水灰比，即可确定水泥的使用数量。

1.3.5 强度要求。

旋喷桩设计要求，成桩28天后抽芯取样进行无侧限抗压强度试验，抽检数为2%，并不小于2根，其无侧限抗压强度不得小于设计要求；地基加固后，复合地基承载力不得小于设计要求。

1.4 设计中应注意的事项受土层、土的粒度、土的密度、硬化剂粘性、硬化剂硬化时间影响小，可广泛应用于淤泥、砂土、淤泥质土、粉质粘土、（亚粘土）、粘性土、粉土（亚砂土）、黄土及人工填土中的素填土甚至碎石土等多种土层。

当用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性、地下水流速过大和已涌水的地基工程时，宜通过试验确定其相关参数。

2 施工工艺控制2.1 工艺流程高压旋喷桩施工工艺流程图见图6。

2.2 旋喷桩施工质量要求旋喷桩施工质量要求应满足表2要求。

2.3 质量控制要点①为了去定合理的施工技术参数和浆液配比，正式开工以前应当认真做好试桩工作，尤其是做好两个试验工作。

1）室内配合比试验。

根据设计要求的喷浆量或现场土样的情况，按不同含水量设计并调整几种配合比，通过在室内将现场采取的土样进行风（烘）干、碾碎，过2～5mm筛的粉状土样，按设计喷浆量、水灰比搅拌、养护、力学试验，确定施工喷浆量、水灰比。

水灰比一般取1.0～1.5，也可以在其中掺入石膏、氯化钠、硫酸钠、碱、木质素硫磺钙、三乙醇胺、氯化钙以及陶土等外掺剂以改善水泥的性能、提高强度以及防沉淀的性能。

如果试验之前土样的含水量发生了变化，应当调整为天然含水量。

2）试桩试验。

根据室内试验确定的施工喷浆量、水灰比制备水泥浆液在试验工点打设多根试桩。

此外，加固料的喷浆量、搅拌桩搅拌机的提升速度、喷入压力、搅拌轴的回转素都以及停浆面等施工工艺参数都需要根据试桩结果进行确定。

②应当严格按照设计的要求控制水灰比，制作浆液时不得随意改变。

在选喷过程中不得使用受潮的或过期的水泥，防止泥浆沉淀而降低浓度。

浆液搅拌完毕后送至吸浆桶时，应有筛网进行过滤，过滤筛孔要小于喷嘴直径1/2为宜。

③冒浆量在选喷过程中如果小于注浆量的20%为正常现象，当超过20%或者完全不冒浆时应当查明原因，并且要对旋喷参数或喷嘴直径进行调整。