高压旋喷桩加固软土地基的喷射压力影响范围现场试验与理论分析

何大为 杨建辉 张康荣 张帅 刘梦冉

(1.中电建路桥集团有限公司，北京 100000；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500)

高压旋喷桩施工产生超孔隙水压力的理论解常用的方法是Vesic法[1][2]，广泛应用的有限元等数值仿真方法也应用于高压旋喷桩的施工模拟。两种方法提高了工程师对这一问题的认识，但是由于涉及较多的假设，结果总不令人满意。同时，研究者注意到现场试验是一种较好的揭示高压旋喷桩施工产生地基土位移和超孔隙水压力的手段，但因现场试验花费较高，至今所见有关试验较少。

本文依托广东省江门市某旧路拓宽工程的软土地基加固项目，研究了高压旋喷桩施工过程中高压喷射浆液对地基土影响范围的现场试验，分析了高压喷射浆液引起的软土地基土位移规律与超孔隙水压力在软土地基中的传播规律，确定了高压喷射浆液对软土地基的影响范围。

一、现场试验

（一）试验现场土质条件与旋喷桩施工参数

试验场地选在江门市某旧路拓宽工程zfk52+970～zfk53+040标段。在详细勘察现场试验区后发现，现场的土质主要为3层：素填土、淤泥质粉质黏土和粉质黏土，3个土层的物理力学参数如表1所示。该试验设计的高压旋喷桩桩长12m，直径0.5m，穿过素填土层、淤泥质粉质黏土层，且打入粉质黏土层2m，施工参数如表2所示。

（二）监测测点布置及传感器参数

该试验的监测位置平面布置图和每个监测位置处传感器的布置图，如图1和图2所示。其中S1、S2、S3、S4、S5、S6和S7代表7个监测位置，在每个监测位置沿深度方向放置3个孔隙水压力传感器和3个固定测斜传感器，分别距离地面1.5m、4.5m和7.5m。孔隙水压力和测斜传感器主要是监测高压旋喷桩施工时在素填土层和淤泥质粉质黏土层中引起的超孔隙水压力和位移的变化。

表1 土体物理力学参数

表2 现场试验施工参数

现场使用的监测超孔隙水压力的传感器是SK-KYJ型振弦式孔隙水压力传感器，测量范围为0.2MPa～0.4MPa。测读超孔隙水压力的规则是：注浆前测读初始孔隙水压力值，注浆过程中当注浆管每提升4m记录一次孔隙水压力值。

图1 监测传感器平面布置图

图2 监测传感器剖面布置图

水平位移监测采用了ZCT-CX300-S230倾角传感器和GPRS远程数采系统，每隔1min自动记录一次测斜仪的倾角数据。

二、试验结果分析

（一）高压喷射注浆产生的地基土水平位移变化规律分析

1.高压喷射注浆过程中地基土的水平位移变化规律

为了揭示高压喷射注浆情况下地基土的位移特性，在分析S1至S7处倾斜传感器采集的数据后得出水平位移与时间的关系，如图3所示，其中未包含施工的高压旋喷桩与监测位置距离大于8m的S5至S7的监测数据，原因是在S5、S6、S7的监测位置，高压旋喷桩施工引起的地基土水平位移较小。

图3 影响范围内测点土体水平位移监测时程曲线

如图3所示，在高压喷射浆液的作用下，所有监测点的位移均表现为初始时地基土的位移，几乎是线性快速增加，之后位移与时间的关系进入非线性增长阶段，最后位移几乎不随时间变化，即位移随时间的变化可以分为快速的增长阶段、缓慢的增加阶段和最终的平稳阶段。产生上述现象的原因可能是：在初始快速增长阶段，高压旋喷桩的施工机械开始喷射高压浆液，且高压喷射的浆液引起地基土挤压，这促使地基土产生急剧增加的水平位移；在缓慢增加阶段，旋喷浆液的压力虽保持不变，但地基土在初始阶段已被挤压，且挤压后的地基土抗压能力可以平衡部分喷射浆液的压力，因此目前的喷射压力只能使水平位移缓慢增加；在平稳阶段，地基土抗喷射压力的能力与喷射压力基本平衡，因此即使高压旋喷桩仍在施工，但是位移几乎保持不变。

如图3所示，随着高压旋喷桩与监测位置之间的距离增加，高压旋喷桩施工引起的地基土位移随时间的变化曲线也发生了一定变化。例如，旋喷桩与S1的距离是1m，与S4的距离是4m，从S1处到S4处，地基土的位移随时间的变化曲线的圆顺性逐渐降低，说明随着高压旋喷桩与监测点距离增加，地基土对注浆压力的耗散能力增强，当两者之间的距离达到4m时，位移随时间变化关系曲线的圆顺性已减弱。

2.高压喷射注浆下地基土的最大水平位移衰减规律

在高压喷射注浆下，地基土的最大水平位移随旋喷桩与监测点距离的衰减规律是控制高压旋喷桩影响范围的重要参数之一。

随着高压旋喷桩与测点的水平距离增加，地基土的位移不断衰减。当高压旋喷桩与测点的水平距离在1m～6m范围内，且在同一土体埋深下，其衰减规律可近似用对数衰减曲线描述；当旋喷桩与测点的水平距离在8m～12m范围内时，深度在1.5m、4.5m和7.5m处的最大水平位移均小于0.5mm。考虑到高压旋喷桩施工对临近周边构筑物的影响，可以认为0.5mm的位移对临近周边构筑物的安全性不产生影响，由此可以得到在该类土质和土层条件下，高压旋喷桩单桩施工的影响范围约为6m。

3.高压喷射注浆下地基土的最大水平位移沿埋深的变化规律

高压旋喷桩施工阶段地基土位移沿深度变化的规律是，在高压旋喷桩施工过程中，地基土产生的最大水平位移随埋深增加而逐渐减少，且随旋喷桩与测点水平距离的增加而减小。当旋喷桩与测点的距离在4m～6m之间，地基土的水平位移与埋深的关系近似线性变化，但是当距离在1m～3m之间，地基土的水平位移与埋深近似呈非线性关系。这一结果似乎揭示了当旋喷桩与监测点的距离小于3m时，在高压喷射浆液的作用下，土体发生了塑性变形，但是在近地面产生的塑性变形大，远离地面产生的塑性变形小。产生上述现象的原因可能是远离地面所受的围压较大，因此产生的塑性变形小，反之亦然。

（二）高压喷射注浆产生的地基土中超孔隙水压力变化规律分析

1.高压喷射注浆过程中地基土的超孔隙水压力变化规律

高压喷射注浆过程中地基土中超孔隙水压力的变化，如图4所示，可知在100min范围内，超孔隙水压力出现快速增长阶段、增长平缓阶段和减小阶段。快速增长阶段出现在高压旋喷桩施工的开始阶段，这一阶段地基土中的静水压力较小，而高压喷射注浆一方面迅速使地基土中的超孔隙水压力增加，同时地基土的挤压作用进一步提高了超孔隙水压力的数值；增长平缓阶段位于施工的中期，此时地基土中的超孔隙水压力已经较高，虽然高压喷射注浆仍然在持续，但是已存在的超孔隙水压力平衡了部分喷射压力，因此超孔隙水压力的增量变小；减小阶段位于施工结束后，此时由于地基中的超孔隙水压力较高，又由于旋喷桩施工已经结束，所以发生了土体固结与超孔隙水压力消散；另一方面，旋喷桩施工时是旋喷管自下而上的提升过程，在这一过程中喷射压力保持不变，但是随着注浆管提升到接近地面，需要适当减小喷射压力，因为接近地面的上覆压力较小，过大喷射压力易产生冒浆，其次当注浆管提升到接近地面时，浆液会从孔口流出，这会耗散喷射流携带的能量。以上即是超孔隙水压力的幅值降低的原因。

图4 单桩时不同深度各个测点超孔隙水压力随时间变化

图5 超孔隙水压力 随水平距离变化

2.高压喷射注浆中地基土的最大和残余超孔隙水压力衰减规律

如图5所示，当旋喷桩施工时，距旋喷桩越近，则产生的超孔隙水压力越大，该规律与埋深无关，也与一般的理解一致，即超孔隙水压力随传播距离的增加存在明显的衰减现象。如果认为当最大超孔隙水压力小于5kPa就可忽略其对周边土体的影响，在水平距离达到6m时，超孔隙水压力达到5kPa，即旋喷桩施工引起的超孔隙水压力的影响范围是12倍的桩径。

针对从不同深度测得的超孔隙水压力，最大超孔隙水压力值出现在4.5m深度处，而未出现在深度为1.5m和7.5m处，其原因可能是：相对于4.5m和7.5m，1.5m的埋深距地面较近，因此具有较强烈的超孔隙水压力逸散效应，这造成了1.5m处的最大超孔隙水压力值较小；在高压旋喷桩施工时，注浆管随施工时间的增加而逐渐提升，在这一过程中前期施工产生的超孔隙水压力会向后期施工点传递，这可能是在4.5m埋深处出现最大超孔隙水压力值的重要原因。

无论最大超孔隙水压力还是残余超孔隙水压力，两者均几乎相同地随水平距离的增加，而超孔隙水压力减小，但仅比较100min内的变化规律可知，最大超孔隙水压力比残余超孔隙水压力大约40%，说明超孔隙水压力的消散较快。

3.地基土中超孔隙水压力消散过程

旋喷桩施工结束后，相对于施工期间的最大超孔隙水压力，静止1天，超孔隙水压力的消散率分布于60%～80%之间；静止2天，消散率稍有增大，集中分布于80%～100%之间。超孔隙水压力前期与后期的消散速率的差异，主要还在于淤泥质粉质黏土中可能发生的水裂现象，即在透水能力很差的地基土中，高压喷射的浆液会对土体产生挤压作用，大的喷射能量会使得土体产生水裂现象，而水裂现象对超孔隙水压力的消散有显著的影响，因为土体中产生的裂缝为超孔隙水压力的消散提供了良好的通道，当超孔隙水压力消散至一定水平后，裂缝逐渐闭合，排水通道再次堵塞，超孔隙水压力的消散又将趋于缓慢。

对于上部的素填土，其超孔隙水压力消散率远高于淤泥质粉质黏土，在静止1天后其消散率达到80%以上，静止2天后消散率基本在90%以上。

三、结语

通过在江门市某旧路拓宽工程中开展的高压旋喷桩现场试验，获得了在高压喷射浆液作用下地基土的位移、超孔隙水压力的变化规律，通过研究得到以下结论：

在高压喷射浆液作用下，地基土的位移分为快速增加阶段、缓慢增加阶段和平稳阶段，但是对于超孔隙水压力则可分为快速增长阶段、缓慢增加阶段和减小阶段。不论地基土中的位移还是地基土中的超孔隙水压力均随旋喷桩与监测点的距离增加而减小。

无论从地基土的位移还是地基土中的超孔隙水压力变化规律可得到，高压旋喷桩施工的影响半径约为6m，也约为12倍的桩径。与多个超孔隙水压力理论计算结果比较，发现按照现场试验确定的高压旋喷桩施工的影响半径约为2倍的理论计算方法可得到塑性区半径，这为确定塑性区半径提供了一个新方法。

对于该研究场地，若从超孔隙水压力的消散情况看，施工结束至少1.5天后，才可忽略高压旋喷桩施工引起的超孔隙水压力影响，若要连续施工高压旋喷桩，则必须要考虑前期施工产生的超孔隙水压力影响。