两重管高压旋喷桩在泥炭土地基加固中的应用

朱建勋

(昆明地铁建设管理有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

受典型高原气候及湖相沉积环境的影响，在昆明滇池附近及昆明市内河流周边分布着广泛泥炭质土[1]，其含水量(质量分数)可达300%，孔隙比达2.85，其物理力学性质极差，不仅天然重度低、压缩性大、抗剪强度低、有机质含量高，还具有较高的灵敏度和较明显的蠕变特性[2-3]。

目前，有机质土的加固工程中较常规的方法是高压旋喷桩及三轴搅拌桩两种形式[4]，但是由于泥炭质土有机质含量高，腐殖质中酸性官能团使土质偏酸性的同时还能络合高价阳离子形成复杂有机络合物沉淀包裹于土颗粒表面使其具有较强的持水能力[5-6]。可见昆明滇池泥炭土的物理、力学特性有别于其他有机土，经大量的室内土工实验证明，仅采用水泥固化的泥炭土样胶结性差、强度低。因此在泥炭土加固中常采用以水泥为主要胶结剂，添加粉煤灰、石膏、石灰等外掺剂的方式来改良泥炭土的物理、力学特性。

不少研究者从事泥炭土加固方面的研究工作，并取得了一系列的研究成果。邵俐等[7]研究了水泥、粉煤灰掺入量对高有机质土强度发展的影响，结果表明：当粉煤灰掺入量为12%时，水泥-粉煤灰双掺可有效地提高有机质土的无侧限抗压强度。李琴等[8]研究了不同配比外掺剂固化泥炭土的效果，发现外掺剂的加入均会明显提高固化土的强度。曹佃光等[9]以水泥为主要胶结材料对隧道洞口的泥炭土进行加固发现：当水泥掺量为20%、石膏掺量为6%时固化泥炭土的抗压强度得到明显改善，在一定的抗压强度需求下，外掺剂的加入能够节省水泥用量，降低工程成本。郑鹏飞等[10-11]对比了单掺水泥与水泥-废石膏双掺加固泥炭土的效果，发现水泥-废石膏加固泥炭土地基时加固土强度比单掺水泥时明显提高，能取得单掺水泥加固达不到的技术经济效果。可见，在泥炭土特性改良中，外掺剂的作用尤为重要，尤其是针对有机质含量较高的泥炭土层。

鉴于此，本文以地铁站基坑泥炭地基土为研究对象，通过现场试桩探讨了三种方案固化泥炭土的效果，在考虑工程成本的前提下确定最佳加固方案，并将其运用到昆明轨道交通2号线二期工程广福路站基坑底部泥炭土层加固。

1 工程概况及难点

昆明轨道交通2号线二期工程广福路站基坑底部存在大量的泥炭质土，如图1所示，土的主要性质为：灰黑色，可塑；其以黏性土为主，含有腐烂的朽木及有臭味，干强度及韧性较好；呈层状分布，具有高压缩性，大孔隙比，高含水率等特征。有42个钻孔揭露该层：层厚1.0 m～8.2 m，平均厚度3.61 m，层面埋深9.5 m～66.0 m，经动力触探得承载力特征值fak=100 kPa，岩土施工工程等级为Ⅱ级，地质条件差，地基承载力不足，基底大面积范围待加固强化。此外，待加固区存在大量的CFG桩。

地铁车站建成投入运营后，若由于地基承载力不足产生不均匀沉降，将对行车安全造成极大的危害，并且后期一旦处于运营期，维修加固极其不便。因此该工程的开展亟需克服两大难点，一为采用何种方式改良泥炭质土层使其能达到地基承载力要求的同时还能兼顾工程经济性；二为在不清除CFG桩的情况下如何选择高效且便捷的加固方式。

2 试桩试验方案设计

传统的三轴搅拌桩在特殊土的加固工程中虽然能满足要求，但是成本极高，且需要进行大面积清障；而两重管高压旋喷桩则是一管喷射高压空气冲切、扰动、破坏中密土层，使土颗粒从土层中剥离出来后再与另一管喷射的水泥浆液充分混合，双重管共同作用加固软土地基，既可以通过引孔解决清障的麻烦，又较三轴搅拌桩节省成本，又可达到加固地基或止水防渗的目的，鉴于此该工程拟采用两重管高压旋喷桩。

为解决地铁站基坑地基承载力不足的问题，针对昆明滇池泥炭土的特殊性质，提出了三种改良地基泥炭土层的方法，分别为：A组：黏土液改良后采用两重管高压旋喷加固；B组：水泥-石膏改良后采用两重管高压旋喷加固；C组：直接施作旋喷桩加固。A，B组均是先做一次加固以后再进行水泥浆二次加固，C组则只做了一次加固。试桩过程中，在保证水灰比(w/c=0.8)及其他条件不变的前提下，每种加固方案均采用5种水泥掺入量进行旋喷加固，试桩试验方案如表1所示。

表1 泥炭土加固方案设计

现场试桩后对比分析三种加固方案的加固效果，确定最佳加固方案及最佳水泥掺入量，并将最佳的方案运用于实际工程泥炭土层地基加固工程中。

3 试桩试验结果及分析

为确定本工程的地基土最佳加固方案，采用以上配比在工地现场进行试桩，经两重管高压旋喷加固土体28 d后，进行现场观察并钻取试桩芯样。具体任务是：通过钻孔取芯，确定检测桩长，描述所取芯样的颜色、状态及水泥含量、搅拌均匀性，并分段采取试样，进行单轴饱和抗压强度试验。根据现场检查排除了A1，A2，B1，B5，C1，C2六组方案后，对芯样A3，A4，A5，B2，B3，B4，C3，C4，C5组进行抗压检测试验并对结果进行整理、分析，统计数据如表2所示。

表2 试桩结果

从表2中可知，钻取到的B组芯样大都完整呈柱状，仅有极少处有局部碎块，固化土较其他两组获得更多强度益。A组是采用黏土液改良后再进行旋喷桩加固泥炭土层，B组是采用水泥+石膏混合液改良之后再进行旋喷桩加固，C组则是直接采用旋喷桩喷射水泥浆液加固地基土，易知三组加固方案效果差异较大。

现场钻探试桩芯样如图2所示，从图2中可以看出直接施作旋喷桩芯样碎块多，水泥搅拌不均匀，芯样水泥含量低；黏土液改良后施作旋喷桩的A组芯样大部分呈碎块状，且水泥搅拌不均匀，说明A,C组固化土胶结性差，仅有部分水化反应发生，水化胶凝产物少导致固化土样多数呈碎块状且没有完整的柱状芯样。图3为A,B,C三组固化土样随水泥掺量的变化，从图中可以看出采用水泥-石膏浆液改良后进行二次旋喷加固的B组土样在两水平水泥掺量下的抗压强度均明显大于另外两组，是因为外掺剂石膏的加入能够促进钙矾石(AFt)的生成，且为钙矾石的稳定存在提供条件；改良液改良后腐殖酸对水化反应的抑制作用得到控制，再采用水泥浆液旋喷加固，充分搅拌土体在一次改良的基础上，水化反应更加充分，胶凝物CSH,CAH将土颗粒及土粒团聚体胶结成一个整体，与钙矾石棒状生成物构成骨架，并穿插于土粒孔隙中，使泥炭土的软弱结构得到改善。另外水化胶凝产物的形成均要消耗大量自由水，将其转为结合水存储于结晶矿物内，这会使地基泥炭土的含水率明显降低、密度增大，土体的物理特性得到明显改善。

另外，A组采用黏土液改良后进行二次旋喷水泥浆加固土体，黏土的SiO2的含量较泥炭土高，且无有机质的影响土粒团聚化不明显，土粒孔隙小，含水率小，浆液灌穿于泥炭土大孔隙中，当水泥浆液旋喷搅拌土体时水化反应较C组得到加强，水化胶凝产物填充于土粒孔隙中胶结土体，且额外提供的SiO2能够激发二次水化反应，使固化土获得强度增益，土粒结构得到强化，故A组的芯样抗压强度较C组高。

不论是何种加固方案随着水泥掺量增加土样的强度都增加，这是因为足够量的水泥水化后能够为混合体系提供碱性环境，有利于水化胶凝产物的生成的同时释放钙离子与氢氧根离子，正循环促进火山灰反应，优化土体结构。易知A组中仅A5满足设计要求的0.8 MPa，B组中B3～B5满足设计要求，C组均不满足要求。从成本方面考虑，A5组施工总费用为3 304.289 1万元，B3组费用为3 287.509 4万元，可见B3组更加经济。

综上所述，经过试桩分析后可知拟采用B3组加固方案既可以满足设计要求又比其他几组节省成本。

4 双重管高压旋喷桩加固地基

采用试桩确定的最佳方案B3对昆明轨道交通2号线二期工程广福路站基坑底部泥炭土层进行双重管高压旋喷桩加固后，选取加固区的5处桩号进行钻取芯样检查外观并测其单轴饱和抗压强度，结果统计如表3所示。可以看出5个桩号处芯样抗压强度均大于设计强度0.8 MPa，且各桩号处芯样连续、完整，胶结性好，桩身质量都达标。

表3 各桩号芯样检测结果

另外采用轻型动力触探仪贯入30 m处测48轴南6 m～53轴南2.4 m的地基承载力值，结果表明：所测范围地基承载力平均值为161 kPa，最小值是145 kPa，均大于地基设计承载力130 kPa。综上表明，采用B3组方案加固地基泥炭土层在最经济的情况下能达到设计强度及设计承载力要求。

5 结论与建议

结合该地铁基坑工程特殊的地质、环境条件，提出了基于双重管高压旋喷桩加固地基泥炭地层的三种方案，并对现场试桩的芯样进行外观检查及单轴饱和抗压强度试验，确定最佳方案后将该方案运用到实际工程地基泥炭土加固中，分析得到以下结论：

1)两重管高压旋喷桩较三轴搅拌桩更具可操作性，更加适合中密地层土体加固，且可以通过引孔解决清障的麻烦，大大减少了工程成本。

2)通过试桩对比三种加固方案发现：采用水泥-石膏液改良后进行旋喷加固泥炭土层的效果最好，黏土液改良后加固的效果次之，直接旋喷加固的效果最差。可见二次加固方法比一次加固更适合泥炭地层软土加固，且更加经济。

3)将试桩确定的最佳方案运用到实际工程基坑加固，检测到加固区桩身质量及地基承载力均满足设计要求。

4)结合昆明市地铁建设的相关工程及地质条件，使用土体改良后施作二重管高压旋喷桩进行二次地基加固的技术，在未来城市地铁建设中有着良好的推广前景。