三江導(dǎo)托渠二重管高壓旋噴工法成樁直徑分析

李元平

(江西省水投建設(shè)集團(tuán)有限公司，南昌 330029)

1 問(wèn)題的提出

二重管高壓旋噴施工技術(shù)主要通過(guò)壓縮空氣包裹高壓水泥漿，以達(dá)到增大高壓旋噴樁成樁直徑，增強(qiáng)加固效果的作用。當(dāng)前，該技術(shù)在路堤軟土地基加固、隧道圍巖超前加固、水利工程軟基處治等工程建設(shè)施工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。二重管高壓旋噴鉆噴桿底側(cè)面所固定的雙噴嘴內(nèi)管主要輸送水泥漿，外管則輸送壓縮空氣，在鉆桿旋轉(zhuǎn)提升的過(guò)程中壓縮空氣和水泥漿液同時(shí)噴出，達(dá)到切削、破壞土體的作用。壓縮空氣對(duì)從噴嘴噴出的高壓流體具有包裹作用，使射流速度沿噴射距離的衰減速度明顯減弱，增大旋噴樁成樁直徑。但是，由于二重管高壓旋噴施工是液、固、氣三相介質(zhì)耦合作用的復(fù)雜過(guò)程，故很難從理論角度測(cè)算水泥漿液、壓縮空氣、土體作用過(guò)程中旋噴樁成樁直徑。而成樁直徑是二重管高壓旋噴樁重要的施工參數(shù)，對(duì)于控制施工過(guò)程及提升施工質(zhì)量十分關(guān)鍵，為此，在借鑒相關(guān)研究文獻(xiàn)并參考大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，文章提出二重管高壓旋噴工法成樁直徑的快速測(cè)算方法。

2 二重管法成樁直徑快速測(cè)算

2.1 單重管法成樁直徑的計(jì)算

通常以圓形斷面自由紊動(dòng)射流理論及土體破壞理論為基礎(chǔ)進(jìn)行單管法高壓旋噴成樁直徑的計(jì)算及分析，涉及原理較為簡(jiǎn)單：即在不變的施工參數(shù)及噴嘴未發(fā)生移動(dòng)的情況下，通過(guò)從固定噴嘴中所噴射出的高壓射流切削破壞土體，這一過(guò)程中噴射時(shí)間無(wú)限制，但是高壓射流對(duì)周?chē)馏w的切削和破壞距離存在一個(gè)上限[1]；而實(shí)際施工過(guò)程中噴嘴并非固定不動(dòng)，噴嘴會(huì)發(fā)生提升和選裝，導(dǎo)致噴射時(shí)間大大縮短，即噴嘴移動(dòng)越快，噴射時(shí)間越短，成樁直徑與切削距離極限值相比也越小，反之則反是。按照這種思路，則單管法高壓旋噴施工成樁直徑可按照下式確定：

Ds=2ηxL+Dr

(1)

式中：Ds為單管法高壓旋噴成樁直徑，mm；η為噴嘴移動(dòng)速度影響下的折減系數(shù)；XL為切削距離極限值，m；Dr為高壓旋噴鉆噴桿直徑，mm，單管法、二重管法和三重管法高壓旋噴工法下分別取60mm、76mm和90mm。

2.2 二重管法成樁直徑測(cè)算

結(jié)合二重管法成樁施工過(guò)程，從噴嘴噴出的高壓射流在破壞和切削土體的過(guò)程中射流速度急速衰減，并隨著射流速度的下降，對(duì)土體的切削力逐漸減弱，最終當(dāng)射流速度降至土體臨界破壞速度以下時(shí)，便失去對(duì)土體的切削力。二重管法施工技術(shù)因高壓射流周?chē)袎嚎s空氣包裹，能有效延長(zhǎng)射流速度的衰減過(guò)程，增大對(duì)土體的切削力和成樁直徑。但是，在二重管法施工過(guò)程中也會(huì)因此而形成復(fù)雜的水泥漿射流、壓縮空氣、待切削土體[2]等作用關(guān)系，壓縮空氣對(duì)成樁直徑增大效應(yīng)目前尚無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算得出，文章主要基于大量工程實(shí)踐，從壓縮空氣影響的視角出發(fā)，提出以下二重管法成樁直徑的計(jì)算公式：

Dd=ΛDs

(2)

式中：Dd為二重管高壓旋噴工法成樁直徑，mm；Λ為壓縮空氣影響下的成樁直徑增大系數(shù)；其余參數(shù)含義同前。

二重管高壓旋噴工法施工過(guò)程中壓縮空氣的影響程度主要受?chē)娚鋲毫a的影響，高壓旋噴施工常用壓縮空氣噴射壓力值為0.5-1.5MPa，則壓縮空氣影響下的成樁直徑增大系數(shù)應(yīng)按下式確定：

Λ=1+m(pa/patm)

(3)

式中：m為—地質(zhì)條件影響的修正系數(shù)；因二重管法施工過(guò)程中所形成的水泥漿射流、壓縮空氣、待切削土體等三相介質(zhì)作用關(guān)系復(fù)雜，故假定其取值固定不變；patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。當(dāng)該式中壓縮空氣噴射壓力取值為0時(shí)，則Λ=1，該式計(jì)算結(jié)果便簡(jiǎn)化為單管法成樁直徑。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，m通常情況下取值0.054，將該取值代入式(3)后可以得到高壓旋噴工法下壓縮空氣影響下的成樁直徑增大系數(shù)為1.27-1.81；大量工程經(jīng)驗(yàn)證明，高壓旋噴施工時(shí)壓縮空氣的應(yīng)用能使樁徑增大30-90%，這與文章測(cè)算結(jié)果十分接近。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

上饒市城市防洪工程三江導(dǎo)托渠改擴(kuò)建工程包括新建導(dǎo)托渠7.6km，其上開(kāi)口連接豐溪河，下與延伸段、調(diào)蓄池連接，調(diào)蓄池通過(guò)出口閘連接信江。導(dǎo)托渠及調(diào)蓄池土方開(kāi)挖190×104m3、土方回填40×104m3、石方開(kāi)挖4×104m3、混凝土5×104m3、鋼筋制安2000t。進(jìn)口閘閘室基礎(chǔ)開(kāi)挖深度達(dá)8m，屬深基坑，閘室段大堤堤身填筑土料為砂卵石，信江河水輕易滲透穿堤，滲量非常大，一旦基礎(chǔ)開(kāi)挖邊坡失穩(wěn)，后果非常嚴(yán)重。為安全考慮出口閘閘室基坑采用灌注樁+高噴帷幕方案。閘室基坑采用灌注樁受力，間隔高噴樁封閉，臨堤側(cè)高噴樁帷幕隔水。基坑尺寸19×32m，灌注樁直徑1000mm，樁長(zhǎng)12-14.5m，數(shù)量為92根。高壓旋噴樁施工采用二重管法，采用PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，或用水泥及粉煤灰，為保證施工效果，還應(yīng)按照水泥用量的2-4%在水泥漿中滲入氯化鈣、水玻璃、三乙醇胺等速凝早強(qiáng)劑。為保證施工質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格遵守試樁要求，在展開(kāi)大批量制樁前進(jìn)行試樁，以進(jìn)行施工工藝參數(shù)的確定及合理性校驗(yàn)。

3.2 二重管高壓旋噴樁成樁直徑測(cè)算

在進(jìn)行該工程二重管高壓旋噴施工前必須通過(guò)試樁確定施工參數(shù)，兩根樁Z1和Z2平面與斷面布置，二重管高壓旋噴樁試樁示意圖，見(jiàn)圖1；試樁間距2.0m，試驗(yàn)樁長(zhǎng)6.0m，樁徑1.0m，試樁施工參數(shù)，見(jiàn)表1。

圖1 二重管高壓旋噴樁試樁示意圖 m

表1 試樁施工參數(shù)

本次試驗(yàn)主要在深厚軟土地區(qū)進(jìn)行，地面以下淤泥土厚度較大，壓縮性大，強(qiáng)度低，天然含水量高。根據(jù)地勘資料，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)土天然密度1.67g/cm3，液限50.8%，塑限26.7%，含水量56.4%，孔隙比1.6，抗剪強(qiáng)度4.9kPa，壓縮模量1.8MPa。根據(jù)淤泥土顆粒級(jí)配曲線(xiàn)，細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.8%，平均粒徑0.004mm。

將試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)土體參數(shù)和施工參數(shù)代入式(2)和(3)后可以得到二重管高壓旋噴樁成樁直徑參數(shù)取值，二重管高壓旋噴樁成樁直徑參數(shù)計(jì)算結(jié)，見(jiàn)表2。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，Z1樁和Z2樁成樁直徑實(shí)測(cè)值和文章所提出方法測(cè)算結(jié)果之間的相對(duì)誤差分別為5.6%和6.3%，符合工程施工實(shí)際需要。

表2 二重管高壓旋噴樁成樁直徑參數(shù)計(jì)算結(jié)果

高壓旋噴樁施工技術(shù)主要利用高壓泵及鉆桿端頭特制噴頭將水泥漿液以較快速度噴入土體，借助水泥漿液的沖擊力切削土層，鉆桿以一定速度旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，以10-25cm/min的較低速度徐徐提升，以達(dá)到土體與水泥漿充分?jǐn)嚢?、混合、凝固的作用后，最終形成強(qiáng)度在0.5-8.0MPa之間的圓柱形固結(jié)體旋噴樁，從而達(dá)到加固軟弱地基的施工效果。高壓旋噴樁施工示意圖，見(jiàn)圖2。

圖2 高壓旋噴樁施工示意圖

經(jīng)試樁驗(yàn)證高壓旋噴樁工藝參數(shù)切實(shí)可行，試樁質(zhì)量高，則按照試樁過(guò)程中所提出的各項(xiàng)控制參數(shù)進(jìn)行高壓旋噴樁的后續(xù)施工。

4 結(jié) 論

綜上所述，二重管高壓旋噴施工時(shí)高壓射流在壓縮空氣的包裹下能使射流速度衰減速度有效降低，高壓射流對(duì)周?chē)浫跬馏w的切削破壞作用顯著增強(qiáng)，成樁直徑增大。文章基于對(duì)二重管成樁過(guò)程的分析并結(jié)合大量工程實(shí)踐，對(duì)二重管法高壓旋噴成樁直徑的測(cè)算方法進(jìn)行分析探討，主要測(cè)算控制參數(shù)為空氣噴射壓力，二重管成樁過(guò)程中壓縮空氣壓力范圍通常為0.5-1.5MPa，故根據(jù)文章所提出的測(cè)算公式可以得出，高壓射流在壓縮空氣的包裹下可使成樁直徑增大30-85%，與大量工程經(jīng)驗(yàn)較為吻合。通過(guò)比較工程應(yīng)用結(jié)果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者相對(duì)誤差較小，也驗(yàn)證了文章所提出的二重管高壓旋噴施工成樁直徑快速測(cè)算方法的合理性。