高压旋喷桩加固岩溶空洞软弱地基施工技术

　　摘要：近年来，随着我国经济的快速发展以及城市化水平的不断提高，在岩溶空洞软弱地基上修筑的高层建筑越来越多。如何采取合理的措施来加固岩溶空洞软弱地基具有重要的现实意义和理论价值。本文在已有的高压旋喷桩加固技术相关理论基础上，以一典型岩溶地基场地高层建筑项目为依托工程，结合地质勘查结果、现场检测以及高压旋喷桩加固技术资料的收集与分析，并引入土工试验、室内配合比试验、微观结构分析等手段，确定了包括施工工艺、总体布置以及高压旋喷固结体的配合比等设计参数在内的岩溶空洞软弱地基高压旋喷桩加固方案，采用钻孔取芯、物探等方法对地基加固处理效果进行检验，检验结果表明，塔楼范围内土洞和溶洞经高压旋喷桩处理后均得以填充，土洞和溶洞填充物的密实度较高，无钻孔泥浆漏失问题的存在，经过高压旋喷桩加固处理后，地基的完整性、稳定性以及连续性均得以显著提高。本文研究内容可为今后类似水文地质条件下岩溶空洞软弱地基的加固处理提供技术资料，供行业参考使用。

　　关键词：高压旋喷桩;岩溶空洞软弱地基;地基处理;施工工艺;效果检测

　　引言岩溶地貌是一种地质现象，危害性、处理难度较大，具有基岩不平整、土洞和溶洞分布复杂、地下水渗透、地基稳定性较差和承载力不足等问题。据统计，我国岩溶区面积约3.44×106m2[1]。岩溶发育地区内地质灾害频繁发生，严重影响各类土建工程的安全。如福建龙岩石粉厂地基塌陷[2]，广西吉利村房屋地基塌陷[3]及浙江黄衢高速路面塌陷[4]等。

　　地基工程论文范例： 组合桩复合地基方向论文发表渠道

　　高压旋喷桩地基处理技术可改善土体应力状态，在高压喷射过程中，场地土体被高压喷射流切削破坏，土体和水泥浆液在喷射压力作用下搅拌混合，形成一种特殊的水泥-土骨架结构，以提高地基承载力。随着城市建设的快速发展，高压旋喷桩加固技术在软弱地基处理、截水防渗、抗液化及基坑(边坡)防护等方面被广泛应用[5-7]，并形成系统的施工工法[8,9]。

　　刘澄赤等[10]采用MJS工法超长高压旋喷桩加固上海瑞虹新城10号地块超深土层，用以提高地基强度、刚度及渗透性能。安鹏等[11]采用有限元研究高压旋喷桩对耳墙式桥台的加固效果。朱德良等[12]采用高压旋喷桩处理建筑垃圾杂填土地基，结果表明，高压旋喷桩可显著提高深厚建筑垃圾杂填土地基的地基承载力。国内学者针对高压旋喷桩加固技术开展了大量研究工作，但关于高压旋喷桩加固处理岩溶空洞软弱地基，仍未形成较完整的施工理论指导[11-13]。

　　本文在已有理论基础上，以广州某典型岩溶地基场地高层建筑项目为依托工程，结合地质勘查结果、现场检测及高压旋喷桩加固技术资料，进行土工试验、室内配合比试验和微观结构分析，设计并采用依托工程39号地块高压旋喷桩加固方案，通过实际检验结果验证地基处理方案的合理性，为高层建筑岩溶空洞软弱地基处理提供借鉴。

　　1典型岩溶发育场地的地质环境条件

　　1.1工程概况

　　依托工程项目拟建于广州市白云区江高镇，场地位于广花公路西侧，江府路以北约400m，主要由37，38，39，40号4个地块组成。39号地块位于项目东北部，红线用地面积18901.4m2，计划建4栋高层住宅(高17，31层各2栋)、4栋1层商业楼，并配备1栋1层配电房。高层住宅采用剪力墙结构，估算荷载为300kN/m2和500N/m2。设计室外地坪标高为12.900m，工程对差异沉降敏感，工程重要性等级为二级。

　　根据钻探及现场岩性鉴定，结合室内土工试验及现场标准贯入试验成果，钻探深度内场地地层可划分为人工填土层(Qml)、第四系冲洪积层(Qal+pl)及石炭系大理岩(C)。场地所分布的冲洪积中砂②2、粗砂②4、砾砂②6、砾砂②8为强透水层，水力性质为孔隙潜水，含水层分布稳定，总厚度较大，水量丰富，其补给来源为大气降水及邻区地下水的侧向渗流;深部基岩为大理岩，岩溶极其发育，孔隙潜水与岩溶水联系密切，水量丰富，其补给来源为上层地下水的越流补给。

　　1.2岩土工程分析评价

　　1)场地适宜性根据广州市区域地质资料及区域稳定性相关资料，场地位于广花盆地江村复向斜轴部，场地深部基岩为石炭系大理岩，场地及附近无全新活动性断裂构造。详细勘探结果显示，土洞和溶洞见孔率为80.6%，远高于评估报告反映的数值，部分地段洞体大，连通性好，不良地质作用强烈发育，存在岩溶塌陷等地质灾害隐患，场地稳定性和场地适宜性均较差。

　　2)地下水影响场地浅层地下水主要分布于第四系冲洪积中砂②2、粗砂②4、砾砂②6等土层中，水力性质为孔隙潜水~孔隙微承压水，水量丰富，勘察期间水位标高约6.000m，年变化幅度1.00m。深层地下水主要分布于石炭系大理岩土洞、溶洞及溶蚀裂隙中，水力性质为岩溶承压水，水量丰富，水位标高约5.000m，年变化幅度0.50m。

　　3)地震效应

　　根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》[16]，该项目场地抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组。使用单孔井地波速法(检层法)对选定的3个钻孔进行波速测试，得到场地20m深度范围内的等效剪切波速分别为178，186，177m/s。据此可判断场地土为中软土，建筑场地类别为Ⅱ～Ⅲ类。依据《建筑抗震设计规范》[16]和GB18306—2015《中国地震动参数区划图》[17]，场地地震动峰值加速度为0.10～0.125g，场地基本地震动加速度反应谱特征周期为0.35～0.45s，场地不良地质作用(岩溶)强烈发育，地震或地质环境改变时可能发生地陷等地质灾害，属建筑抗震危险地段。

　　4)地基场地大部地段分布杂填土，主要成分为黏土，含碎砖、碎石、混凝土块等硬杂质，土质均匀性、工程性质较差，欠团结，具有高压缩性。其下为冲洪积粗砂、砾砂与粉质黏土互层，粗砂、砾砂层厚度较大，多为中密密实状。粉质黏土厚度相对较小，多为可塑状，浅部为可硬塑状，工程性质一般，深部近基岩部分地段分布含砾粉质黏土，硬塑状，工程性质较好。第四系冲洪积粉质黏土及砂层工程性质一般较好，地基均匀性一般，能够满足多层建筑物对地基强度及变形指标的要求。

　　场地深部岩层为石炭系大理岩，系可溶性岩石，土洞、溶洞发育较普遍，洞内多为浮泥充填，洞内岩溶地下水具微承压性，土洞和溶洞规模、埋深变化大，连通性好，稳定基岩岩面起伏较大，综上所述，场地深部的基岩地基属不均匀地基，存在岩溶塌陷等地质灾害隐患，拟建高层住宅及重要建筑物分布地段须对土洞、溶洞进行特殊处理(深层地基处理)。

　　2高压旋喷固结体配合比设计及室内试验

　　2.1场地原状土室内试验

　　1)室内土工试验参数统计

　　高倍数下土颗粒表面非常粗糙，呈层状分布，整体性较差，受力后存在进一步分解的可能，低倍数下的宏观表现为颗粒松散不密实。

　　2.2高压旋喷固结体配合比

　　本工程高压旋喷桩的设计技术参数为：水泥浆液采用P.O.42.5R级水泥;水灰比为1∶1;原状土密度为1.865g/cm3;桩径为800mm;不同养护条件下，高压旋喷固结体28d无侧限抗压强度应≥2.5MPa。为保证高压旋喷桩复合地基施工质量，按照JGJ/T233—2011《水泥土配合比设计规程》[18]，制作70.7mm×70.7mm×70.7mm的高压旋喷固结体试块，其配合比设计步骤为：①确定水泥掺入比基准值;②选取水泥浆水灰比;③计算各材料用量比例;④进行水泥土试配;⑤调整并确定水泥土配合比。

　　2.3高压旋喷固结体的无侧限抗压强度试验

　　高压旋喷固结体28d无侧限抗压强度，在同一养护条件，同一水灰比条件下，高压旋喷固结体28d无侧限抗压强度值随着每延米胶凝材料用量的增加而增大。在同一水灰比，同一每延米胶凝材料用量条件下，水中养护的高压旋喷固结体28d无侧限抗压强度偏低。由此可知，在高压旋喷桩复合地基的加固设计与施工均需考虑地下水的影响。对依托工程项目39号地块塔楼范围土洞和溶洞进行处理时，选用每延米35%胶凝材料用量配比设计。

　　3高压旋喷桩加固处理岩溶空洞软弱地基施工技术

　　3.1高压旋喷桩加固处理岩溶空洞软弱地基的方案设计

　　本次软弱地基仅处理塔楼底板区域及附近溶洞和土洞联通区域。运用高压旋喷技术处理岩溶空洞软弱地基时，需注意以下几点内容：①施工前需结合详勘报告和设计图纸，详细查明并确定场地溶洞和土洞的分布情况;②施工高压旋喷桩前应先用地质钻机引孔并复核地层情况;③旋喷桩桩顶超过土洞或溶洞的洞顶厚度不得小于1.0m，旋喷桩桩底进入岩层深度不得小于1.0m，旋喷桩桩底进入溶洞底不得小于1.0m;④旋喷桩应结合引孔反馈的地层情况确定，施工中应根据实际地质情况调整桩深。

　　⑤施工顺序为先施工封闭圈，再施工封闭圈内，最后施工封闭圈外;⑥当引孔未发现土洞和溶洞时，该孔位无需旋喷加固处理;⑦若土洞和溶洞内有浮泥充填，旋喷加固处理时，应定喷直至洞内全部被水泥浆填满，旋喷提升速度不得大于10cm/min。根据设计及质量控制的要求，先进行塔楼周圈止水帷幕的引孔，再进行塔楼区内的引孔。

　　因为止水帷幕引孔间距为0.6m，场地内砂层较厚。所以，施工过程中可能出现穿孔或塌孔的情况，止水帷幕引孔应间隔两个孔进行一序列引孔施工。止水帷幕第一序列引孔顺序如下：Y1-Y4-Y7-Y10-Y13-……以此类推，再进行第二序列引孔，引孔顺序如下：Y2-Y5-Y8-Y11-Y14-……以此类推。最后进行第三序列引孔，引孔顺序如下：Y3-Y6-Y9-Y12-Y15……以此类推。止水帷幕引孔完成后，即可安排高压旋喷桩施工，待止水帷幕封闭圈注浆处理完成后，可进行塔楼区域的注浆处理。

　　在止水帷幕引孔和注浆施工的同时，可进行塔楼区域的引孔。塔楼区域孔位按1.6m×1.6m布置，先用地质钻机引孔阴影部分的孔位，按1、3、5……这样的顺序，间隔一个孔位进行引孔施工，再用多功能钻机进行其它孔位的引孔施工。这样地质钻机能更清楚的判断场地内土洞和溶洞的发育情况。引孔完成后，可进行高压旋喷注浆。应根据引孔揭露的土洞和溶洞发育情况进行注浆施工，先处理土洞和溶洞埋深较深的孔，再处理浅孔，先处理土洞和溶洞发育空间较大的孔，再处理发育较小的孔，注浆也应隔孔跳注。

　　3.2高压旋喷桩施工

　　本工程采用二重管法(简称双管)进行高压旋喷桩施工，注浆管同时将高压水泥浆和空气两种介质喷射流横向喷射出，冲击破坏待加固土体，在高压水泥浆液和外圈环绕气流的共同作用下，破坏土体的能量显著增大，最后在土中形成较大的固结体。运用高压旋喷桩加固方法处理39号地块软弱地基的具体施工步骤为：①做好设备检查维修并调试好设备;②钻机就位钻孔;③插管和试喷;④高压旋喷注浆;⑤废弃浆液处理;⑥冲洗机具;⑦移动旋喷机具至下一孔位。

　　3.3加固处理效果检验

　　1)水泥浆液固结体检验在高压旋喷桩施工过程中，使用水泥浆液浇筑2组共30个(每组15个试块)尺寸规格为70.7mm×70.7mm×70.7mm的水泥浆液固结体试块。分别检验养护3，28d水泥浆液固结体试块的抗压强度。15个养护3d水泥浆液固结体试块的抗压强度值为：17.09，17.56，18.25，14.78，16.54，17.89，19.23，19.71，16.83，13.97，19.04，14.80，18.88，16.77，18.69MPa。

　　15个养护3d水泥浆液固结体试块的抗压强度平均值为17.34MPa，变异系数为0.10。15个养护28d水泥浆液固结体试块的抗压强度值为：40.60，47.18，38.89，41.90，39.06，39.69，48.62，47.04，42.40，50.18，38.92，43.89，43.19，47.91，48.28MPa。15个养护28d水泥浆液固结体试块的抗压强度平均值为43.85MPa，变异系数为0.092。通过上述水泥浆液固结体抗压强度试验结果可知，水泥浆液质量满足设计要求。

　　4结语

　　岩溶空洞软弱地基存在溶洞土洞多，分布复杂、岩面起伏大、地下水多等特点，在岩溶场地的建设工程，若不经处理直接施工，容易造成地面塌陷等问题，对工程建设安全具有不利影响。如何采取合理的措施来加固岩溶空洞软弱地基具有重要的现实意义和理论价值。高压旋喷桩是岩溶地基处理的方法之一，特别是考虑到在遵循施工方便、安全可靠和经济合理的原则下采用高压旋喷工艺加固地基优势更明显，不仅该工艺所需设备简单，拆迁方便，旋喷固结体强度高，而且无论是工期、质量还是投资控制综合均为最优方案之一。

　　本次对选用高压旋喷桩对依托工程项目39#地块塔楼范围土洞和溶洞进行处理，通过室内土工试验、高压旋喷桩固结体配合比试验以及扫描电镜分析的微观试验，获得了可靠的高压旋喷桩设计技术参数，进一步解释了高压旋喷桩加固机理以及宏观物理力学现象对应的细观结构变化过程。根据工程实际情况和场地岩溶发育情况设计了高压旋喷桩加固处理方案并进行施工，采用钻芯检验、土常规试验和静载试验检验加固效果，相关检验结果均证明高压旋喷桩对岩溶空洞软弱地基的加固效果良好，地基的完整性、稳定性以及连续性均得以显著提高，说明地基处理方案的合理性，为高层建筑复杂岩溶地基处理提供了较好的借鉴。

　　参考文献：

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　　[5]ModoniG,BzówkaJ,PieczyrakJ.Experimentalinvestigationandnumericalmodellingontheaxialloadingofjetgroutingcolumns[J].ArchitectureCivilEngineeringEnvironment,2010,113(1):245-252.

　　作者：杨燕中1，商治1，宗雷1，杨涛2

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