宋禄根
云南建投第一水利水电建设有限公司 云南昆明
摘要：由于实际地质、土层条件等因素的影响，即使通过成桩试验确定了相关参数，高压旋喷桩在施工中也会因实际条件而产生成桩质量的差异。针对成桩质量问题，需结合实际条件分析原因并采取有针对性的措施，保证成桩质量。
关键词：文海水库；高压旋喷桩；成桩质量
高压旋喷桩是以高压旋转的喷嘴将水泥浆、压缩空气、高压水等喷入土层，冲击破坏土体，随着钻杆提升，将浆液与土粒强制拌和，形成柱状固体，与原土体形成复合地基共同承担荷载的地基加固方法。目前，在水利工程中，高压旋喷桩广泛运用于大坝基础加固。其施工过程复杂，对参数控制要求较高，针对不同特性的土层，施工参数及方法也不尽相同。因此，施工前的试验、施工中的质量控制尤为重要。加上基础不稳定性的影响，有时即便通过成桩试验确定了较为合适的参数，在施工中也会因实际条件而产生成桩质量的差异。针对施工中成桩质量问题，需结合实际情况，分析原因并采取有针对性的措施，保证高压旋喷桩在不同的地质情况下均能成桩良好并发挥其强度。
1、工程概况
文海水库位于云南省丽江市玉龙县城白沙乡文海行政村境内，是一座以农业灌溉为主的水利枢纽工程，水库设计总库容1217.0万m³，大坝为均质土坝，坝顶高程3086.50m，坝顶长973.877m，宽5.0m，最大坝高14.5m（含截水槽 ），坝体上、下游坝坡均为1:3.0。
大坝0+100.043～0+924.002m里程段坝基主要为软～流塑状洪湖积淤泥质黏土层（Qpl+1），厚度10～97.3m（中部大于97.3m，钻孔未击穿）；坝基淤泥质黏土抗滑稳定性差、基础承载力低。针对该情况，继基础开挖后，在0+100.43～0+924.002m段大坝上下游采用悬浮式振冲碎石桩进行满堂加固处理，同时在0+221.331～0+891.582段开挖截水槽并采用深搅桩，结合0-089.436～0+231.331、0+891.582～1+006.544段轴线帷幕灌浆进行防渗。为稳定地基，防止基土被挤出造成大坝滑坡，在大坝上下游增设了反压平台，反压平台上游顶部高程为3081.00m，顶宽27m；下游顶部高程为3082.00m，顶宽48.8m，最大高度为5.5m，采用均质土料填筑，下设1.2m厚碎石垫层及80cm厚块石。由于反压平台基础是软弱淤泥质土层，流动性较大，后期大坝坝坡发生向上游的二次滑动，滑弧延伸至反压平台基础下部。为防止坝坡继续滑动造成更大破坏，经北京水利院专家分析，将上游反压平台加高至3082.00m高程，顶宽加宽至47m，同时在上下游反压平台底部进行了高压旋喷桩处理，主要目的是提升地基的抗剪强度，用以抵抗坝坡的部分滑动力矩。高压旋喷桩设于反压平台底部，上下游各3排，呈三角形布置，桩径1m，间排距2.5m，最大处理深度为27m。
2、高压旋喷桩施工参数确定
2.1 高压旋喷桩深度的确定
高压旋喷桩灌注深度依据昆明西勘工程检测研究所《丽江市玉龙县文海水库原位测试报告》静力触探成果，处理底界线选取参数标准为：锥端阻力qc≤0.8Mpa，侧壁摩阻力fs≤20KPa，比贯入阻力ps≤1.0MPa；同时参考了滑坡产生后的地质钻探成果：轻型动力触探N'0≥20击，重型动力触探N'63.5≥2击，以十字板剪切试验成果作为参考。本项目旋喷桩最大深度为27m。
2.2 桩孔平面位置的确定
为避免高压旋喷桩施工对坝基造成扰动，根据坝体结构，在上下游反压平台与坝坡交界处外延8.5m为起点进行布桩。上下游各3排，孔间排距2.5m，呈正三角形布置，桩径不小于1m。
2.3 施工参数的确定
施工参数通过高喷试验确定。自2016年5月至2017年1月共进行了6组高喷试验，分别进行28d、90d钻孔取芯、送检，通过芯样取芯率及检测成果分析，均未达到设计要求。2017年3月，通过招标确定山东宏达公司进行高喷试验，试验进行三组，共布设10棵试验桩，同时补桩5棵（复喷）。上游浅桩区布设2棵，深桩区布设4棵；下游深桩区布设4棵桩。5棵补桩均在上游侧，用以检测单桩单喷段和复喷段的成桩质量。
成桩试验采用双管法，拟定水泥耗量510-550kg/m，单喷压力28MPa，注浆流量55L/min；复喷压力18MPa，注浆流量40L/min；底部静喷3min；水灰比为0.9:1，浆液密度1.55g/cm³。试桩完工后28d对试桩区进行钻孔取样，并根据试验检测成果及要求，不断调整参数，重复试验，直至试验成果满足设计要求为止，设计要求的桩径≥0.9m、无侧限抗压强度≥1Mpa。由于上游基础含水量较高，高喷水泥单耗偏低，导致取芯芯样破碎，未达到送检要求。为此，对上游加大水泥用量，调整参数，进行二次高喷试验，最终确定施工参数。高压旋喷桩上下游施工参数详见详见表3.1.1-1～表3.1.1-3。
3、施工方法
高压旋喷施工采用双管法，下游分左右岸及河床段两个区进行施工，施工时自左右岸向河床段行进。左右岸基础稍好，采用单喷即可满足强度要求，河床段淤泥层含水量较高，为保证成桩的整体性及强度满足要求，第一次灌注后再进行复喷。上游划分为两个施工区，施工时左右岸及河床段同时进行，左右岸钻孔深度＞19m，河床段钻孔深度≤19m。上游左右岸及河床段均进行复喷。
4、淤泥质土层高压旋喷桩施工中产生的问题
由于基础淤泥质土层的不稳定性，文海水库高压旋喷桩在施工过程中出现桩身不均匀、孔口缩径等问题，具体归纳如下：
（1）成桩桩身上下不均匀，平台下淤泥层上部0～10m范围水泥土中水泥含量较高，而下部桩身水泥土中水泥含量稀少，接近于原状土，整体上呈现水泥含量上大下小的分布状态。
（2）成桩桩身上部水泥土呈水泥灰白色，密度较小，强度较高；下部桩身水泥土呈淤泥土色，保持了原状土的密度状态。
（3）桩径较小，并且不均匀，呈现上粗下细的总体特征，底部已经找不到桩身。
（4）施工试验中曾用970kg/m的水泥用量来测试水泥用量对成桩的影响，成桩质量显示：充足的水泥用量仍然不能彻底改善桩身质量的上下均匀性问题。
（5）施工过程中，旋喷结束后，桩孔内水泥土浆液不但没有下降，需要补浆，反而持续外溢部分浆液。
5、原因分析
（1）施工试验之初，曾经因为淤泥层处于流塑状态，未能对淤泥层做引导孔处理，直接下压喷浆管至桩孔底部，淤泥对喷浆管的包裹作用，导致整个旋喷过程中几乎不返浆，而在远处其他地表钻孔处一直存在返浆返气现象。这样的喷浆环境将导致喷射入孔的水泥浆通过封闭的桩身通道和串浆通道直接外溢流失，桩身处留存的水泥浆液较少，成桩质量受到影响。
（2）根据多次试验成桩质量的总体特征，认为本工程旋喷桩未能达标的根本原因是地质因素干扰了成桩的基本环境。
旋喷桩成桩的工艺过程中隐含着一个基本的原理：桩孔内水泥浆喷射过程形成的是土、水和水泥混合浆液，在桩孔内水压力高于桩周水位水头的情况下，旋喷过程中混合浆液中的水分大部分会在终孔之前外渗和上溢（返浆），终孔后尚有少部分水分外渗而需要多次补浆、最终达到浆液失水和凝固的成桩条件。
本工程所处的地质环境是主要不利因素，处于流塑状态的深厚淤泥土，渗透系数很低，喷射进入桩身范围的水泥土浆液不能在成桩过程中迅速失水，截至终孔浆液仍然是含水量很高的混合浆液，同时伴随着整体井孔的缩径，桩身直径呈现上粗下细的状态。井壁在稠度较高的水泥土浆液的压力下，终止喷浆后桩身下部的缩孔尚未停止，导致仍然有部分浆液外溢。处于液态的水泥土浆液在凝固之前因为含水量高，而发生层析，桩身下部主要集中了缩径和下沉而来的土料，相对密度稍高；桩身上部主要是含水量较高的水泥浆在排水之前硬化而成，形成的是较为疏松、相对密度稍低的水泥硬化体。
本工程桩身土料有机质含量较高，没有颗粒类的可用于粘结成型的骨料，不利于形成均匀，并且强度较高的水泥土桩身。
6、问题处理
由于工程环境不利于旋喷桩的成桩工艺需求，需要特殊的工艺处理程序来试验性处置成桩过程，主要解决减水、排水、减轻缩孔、改良土料、形成均匀的强度较高的水泥土桩身。
用钻机扩大导引孔到底，不再事先进行高压水铣孔，直接用单管单孔法慢速高压（25～30MPa）喷射，减少进入桩孔的水量，水泥浆液的密度大于1.5～1.6，水泥用量500kg/m，注浆压力1～3MPa，提管速度60～150mm/min，旋喷转速10～15r/min，适当掺入2%～4%水玻璃或石膏等外加剂速凝早强。桩身13m以下部采用重复喷浆方法，局部地段加大每延米桩身的水泥用量。根据现场钻芯取样情况，过一段周期后，重新钻孔下喷管，在薄弱土层中复喷注浆补强。
7、结语
复合地基土的强度与加固前基础的情况息息相关，文海水库坝址区基础最大的特点是含水量高、渗透系数低，基础排水差，这种特性在高喷过程中不仅影响成桩质量，还影响复合地基整体质量。因此，在施工前应进行多次成桩试验，施工中结合不同部位产生的成桩问题及时分析原因并提出解决措施，不断在施工中调整参数及改进工艺，确保成桩质量满足强度要求，处理后正常发挥其功能。
参考文献：
《丽江市玉龙县文海水库原位测试报告》.丽江市水利水电勘测设计研究院.
论文作者: 宋禄根
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/2
标签：浆液论文; 水泥论文; 高压论文; 淤泥论文; 较高论文; 下游论文; 土层论文; 《建筑模拟》2018年第29期论文;