建筑物基礎(chǔ)抗沖刷壓漿試驗(yàn)研究

朱宗仕

（甘肅省武威市涼州水利電力工程局 733000）

1 試驗(yàn)?zāi)康呐c意義

水工建筑物和公路橋梁工程，建于沖積層河床之上的比較多。怎樣增強(qiáng)沖積層地基承載力，縮短施工工期，改善施工條件，節(jié)約資金，是施工建設(shè)方經(jīng)常遇到的一個(gè)問題，也是設(shè)計(jì)單位多年來研究解決的一個(gè)課題?；A(chǔ)壓漿是可行的方法之一。以往的壓漿，主要在巖石基礎(chǔ)上進(jìn)行，其目的：一是改善地基的力學(xué)性質(zhì)，使地基均質(zhì)化；二是降低地基滲透性能，以形成有效的防滲帷幕。本次壓漿試驗(yàn)，是在上述目的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析研究沖積層地基的可灌性，驗(yàn)證壓漿后加固體的抗沖刷能力，獲取適于該基礎(chǔ)的壓漿施工參數(shù)，從而有效地防止基礎(chǔ)受到地下徑流破壞后引起的不均勻沉陷，為類似工程設(shè)計(jì)與施工提供經(jīng)濟(jì)可行的依據(jù)。

峽口大橋，位于甘肅省與青海省交界的大通河上，其主體為兩孔40m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支粱式公路橋。橋址處河床縱坡5%，設(shè)計(jì)洪水流量1700m3/s，設(shè)計(jì)流速5.9m3/s，設(shè)計(jì)水深4.5m。河床由漂石、卵石、礫砂層組成，透水性較大，覆蓋層厚度25m以上，容許承載力260kPa，顆粒成分為片麻巖、花崗巖、石英巖等。

2 壓漿設(shè)備及試驗(yàn)孔布設(shè)

2.1 壓漿設(shè)備

主要有300型地質(zhì)油壓鉆2臺，250/B50三缸往復(fù)單作用泥漿泵2臺，雙軸立式400L砂漿攪拌機(jī)1臺，雙層旋式200L水泥漿拌和桶2付，移動(dòng)式空壓機(jī)1臺。另備配套鉆桿、鉆頭、油壓表、膠管若干件。

2.2 試驗(yàn)孔布設(shè)

本次壓漿，根據(jù)其實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，結(jié)合峽口大橋壓漿試驗(yàn)與基礎(chǔ)施工必須在枯水期進(jìn)行的實(shí)際情況。于當(dāng)年11月，在河床中心修筑草袋圍堰，將中間一個(gè)橋墩四周圈圍。試驗(yàn)前參考以往在砂卵石地層防滲帷幕壓漿方面的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)分析，確定沿開挖區(qū)周邊布設(shè)實(shí)驗(yàn)孔4組。一方面將實(shí)驗(yàn)孔作為環(huán)形垂直防滲帷幕孔利用，另一方面在開挖橋墩基礎(chǔ)時(shí)，便于現(xiàn)場取樣，驗(yàn)證壓漿成果，獲取沖積層抗沖刷能力的第一手資料。

試驗(yàn)孔的布設(shè)如下圖所示。共設(shè)單排試驗(yàn)孔13個(gè)（其余為帷幕孔）。孔距分別取 1.5m、1.75m、2m、2.5m四種，各孔距中墩開挖邊線均為2m，孔分兩序，白圈為I序孔，實(shí)心黑點(diǎn)為Ⅱ序孔。壓漿時(shí)先鉆灌I序孔，后鉆灌Ⅱ序孔，最后鉆取4個(gè)檢查孔（A、B、C、D四點(diǎn)＋號位置）進(jìn)行壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品也從檢查孔的位置掏取。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，河床6m以下滲流量銳減，故孔深設(shè)計(jì)為6m，試驗(yàn)樣品在河床地面以下4m處掏取。

3 灌漿材料及漿液配合比

3.1 河床地層特點(diǎn)

試驗(yàn)選定的河床地層具有如下特點(diǎn)：

a.漂卵石層孔隙大，可灌性好，粘度大的漿液可以壓入。

b.在動(dòng)水作用下灌漿，為減少流失量，漿液須有速凝性質(zhì)。

c.山區(qū)河流，地下水流速大，對河床沖刷力也較大，漿液凝固后須有足夠的強(qiáng)度。

試驗(yàn)孔布設(shè)圖（單位：m）

d.吃漿量大，要求壓漿材料必須價(jià)廉易得。

根據(jù)這些特性，選擇適宜于本次試驗(yàn)的四種漿液配方，見下表。經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面綜合比較，現(xiàn)場反復(fù)實(shí)驗(yàn)分析確定：當(dāng)?shù)貙泳o密時(shí)，用水泥漿摻早強(qiáng)劑作為壓漿材料；當(dāng)孔隙大，地基可灌性好時(shí)，用水泥砂漿摻早強(qiáng)劑，再加少量氯化鈣速凝劑作壓漿材料，壓漿用砂為大通河細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)在1.7～2.1之間。水泥為窯街礦務(wù)局水泥廠425號普通水泥，早強(qiáng)劑選用青海Ⅱ型。

漿液性能必須適應(yīng)地基的具體特性，并隨地層的變化和吃漿量及時(shí)調(diào)整。確定配比前，首先對河床地層取樣進(jìn)行了顆粒分析和孔隙直徑測定，根據(jù)地基土顆粒級配和滲透系數(shù)，確定出各種漿液的使用范圍。經(jīng)分析比較，本次試驗(yàn)得出水泥漿的最佳水灰比為 l～0.8，配合比3∶100（即外加劑為水泥重量的3%）；水泥砂漿的最佳配合比為水泥∶水∶砂=l∶0.8∶l，青海 Ⅱ 型早強(qiáng)劑為水泥重量的3%，氯化鈣速凝劑為水泥重量的1%。當(dāng)然，這只是壓漿正常情況下的主要配比，一般壓漿漿液濃度變換遵循由稀到稠的規(guī)律，當(dāng)吃漿量大幅度降低時(shí)再變稀。本次試驗(yàn)中，當(dāng)吃漿量很小時(shí)，亦用水灰比2∶1的純水泥漿灌注。

4 壓漿工藝流程

采用自上而下、分段鉆孔、分段壓漿的辦法交替進(jìn)行，每段長度1.5～2m，并逐次降低漿液粘性；當(dāng)大孔隙被充填后，用可灌性較好的漿液沖填小孔隙。其主要工序如下。

4.1 鉆孔

用300型油壓鉆、75～108mm巖芯管安裝合金鉆頭鉆進(jìn)，用水作循環(huán)液。地層太松散時(shí)，用泥漿加純堿固壁。遇大漂石則用鋼砂鋼粒鉆進(jìn)。

4.2 灌漿壓力

參照以往水庫大壩河床砂礫石層壓漿的取值標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)現(xiàn)場試壓后略作調(diào)整，其計(jì)算公式為

壓漿漿液配比表

式中I——覆蓋層灌漿壓力，本試驗(yàn)等于零；

m——河床以下每增加lm深度所允許增加的壓力值，本試驗(yàn)取5kPa；

Z——地下任意一點(diǎn)到河床表面的厚度；

P——地下任意一點(diǎn)所需要的灌漿壓力。

4.3 壓漿過程

施工順序?yàn)椋恒@孔→清洗→壓漿。孔隙泥土沖洗與不沖洗，直接影響壓漿質(zhì)量的好壞。本次試驗(yàn)進(jìn)一步觀察到，沖洗泥土的效果與水量及沖洗時(shí)間有很大關(guān)系。如果水量太小，時(shí)間又短，鉆孔四周沒有堵塞的孔內(nèi)僅能在短時(shí)間內(nèi)上冒泥水，效果就不太好。沖洗的水量應(yīng)以滿足相鄰孔內(nèi)不間斷地冒出泥水為宜，沖洗的時(shí)間視冒出泥水的渾濁情況而定，一般沖洗lh上，以回水澄清、耗水量穩(wěn)定為宜。沖洗壓力為灌漿壓力的70%，壓漿前需進(jìn)行壓水試驗(yàn)，以確定地層單位吸水量。壓水試驗(yàn)選用壓力一般為200～300kPa，松散地層略減。加水計(jì)量用兩個(gè)水表：一個(gè)在進(jìn)口，計(jì)總進(jìn)水量；另一個(gè)在回水口，計(jì)地層出水量。兩數(shù)之差即是地層吸水量。通過試驗(yàn)所求得的單位吸水量在0.06～0.2L/（min.mm）之間。

本工程采用單栓塞循環(huán)法壓漿。在制漿棚內(nèi)制漿，按最佳水灰比在水泥漿攪拌筒上層以旋轉(zhuǎn)方式加水，由料臺導(dǎo)管中加灰，攪拌5～15min放至下層，由灌漿泵通過壓漿管路壓入各漿孔。

當(dāng)?shù)谝欢毋@孔清洗完畢后，應(yīng)先進(jìn)行“內(nèi)封頂式”的壓漿，使表層漂卵石形成一層比較平整密實(shí)的硬殼，以增加上部覆蓋重，防止?jié){液冒出地面。表層壓漿厚度l～1.5m，灌漿壓力150kPa左右。其壓力控制以不大量串冒漿為宜。每孔在最后一段壓漿完畢后，將壓漿栓塞提到套管下口以上1.5m。用水灰比0.8的砂漿進(jìn)行填壓式灌注，使?jié){液慢慢沉淀、壓實(shí)，拔出套管后，立即用砂漿將空隙部分填實(shí)。

4.4 灌漿記錄

記載各孔各段孔徑、壓漿時(shí)間、吸漿量、水灰比、漿液配比及濃度變化、工作壓力、單位吸水量及串冒漿情況，以及地層巖芯取樣、壓漿完成后的壓水試驗(yàn)等情況，并整理成表，作為試驗(yàn)成果。其資料整理按規(guī)范要求進(jìn)行。

5 試驗(yàn)成果分析

5.1 試驗(yàn)成果

壓漿完畢3星期后，對中墩開挖區(qū)開始垂直掏槽開挖，并在上圖中A、B、C、D四處掏取試塊，對試塊及加固體全面檢測研究。結(jié)果如下：

a.漂卵石地層經(jīng)壓漿后，已固結(jié)成一道環(huán)形防滲帷幕體。滲透系數(shù)從灌漿前的 6×10m/s降低到 3×10-4～4×10-5m/s之間；

b.各孔漿液有效擴(kuò)散半徑為1.75～2.0m，擴(kuò)散的形狀近似圓形，灌注質(zhì)量良好，容重可達(dá)2.3t/m3。

c.A、B、C、D四處掏取的樣品，經(jīng)過30天 齡期，進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測定。其結(jié)果為：孔距1.5m的A點(diǎn)，PA=6230kPa；孔距1.75m的B點(diǎn)，PB=5520kPa；孔距2.0m處的C點(diǎn)，Pc=3900 kPa；孔距 2.5m處的D點(diǎn)，PD=2820kPa。從強(qiáng)度試驗(yàn)和掏挖觀測還發(fā)現(xiàn)，漿液在底層中雖然均勻分散，但仍不是均質(zhì)的。即在灌注孔附近的加固體強(qiáng)度要大些，距灌注孔遠(yuǎn)的部位強(qiáng)度要低一些，孔隙大、含泥量小的部位強(qiáng)度較高。經(jīng)初步分析研究，以1.75m為最佳孔距，其抗壓強(qiáng)度為壓漿前的2.2倍。

d.抗沖刷能力試驗(yàn)。用泥漿泵壓清水造成高速水流對孔距1.75m的B點(diǎn)進(jìn)行沖刷，泵的壓力為800kPa，泵量：166s壓 入l00L清水，沖洗管直徑6mm，水流流速21.5m/s，沖洗管正對加固體約0.5m，經(jīng) 5～10min沖刷后，加固體未出現(xiàn)明顯破壞，由此可以認(rèn)為加固體質(zhì)量能滿足防止水流沖刷的要求。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益比較

以孔距1.75m的一組4個(gè)試驗(yàn)孔為研究對象。根據(jù)壓漿記錄計(jì)算出：加固lm3地層需灌注160L左右漿液，造價(jià)106元（包括鉆孔），約為同體積混凝土造價(jià)的1/3，以此結(jié)果應(yīng)用于本橋右岸橋臺基礎(chǔ)進(jìn)行壓漿前后的經(jīng)濟(jì)效益比較。壓漿前，右岸橋臺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)埋深10m，臺基座混凝土長9m，寬6.5 m；臺兩側(cè)擋墻基礎(chǔ)深4.5m，長為20m，寬為2.5m。壓漿后，臺深可減少3m，長為8m，寬為6m；臺兩側(cè)擋墻基礎(chǔ)深減至2m，共減少150號混凝土410m3，節(jié)省資金13.2萬元。漂卵石開挖由擴(kuò)大開挖變?yōu)橹绷㈤_挖，減少開挖量900m3，節(jié)省造價(jià)4.6萬元。且由于滲流量減少，節(jié)省坑壁支護(hù)材料及排水機(jī)械臺班費(fèi)6.5萬元；采用壓漿方案所增加的費(fèi)用為壓漿加固體880m3，造價(jià)9.3萬元。壓漿后共節(jié)省資金 18萬元，占該橋臺基礎(chǔ)總造價(jià)的28%；而且降低了基礎(chǔ)開挖時(shí)存在的排水及支護(hù)困難，減少了工程量，提高了施工效率，縮短了工期，施工安全可靠。

6 結(jié)語

本次試驗(yàn)研究表明：河床沖積層壓漿可以用來解決一些復(fù)雜的地基難題，可以有效防止地下徑流引起的抗沖刷破壞，它在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面均優(yōu)越于其它施工方案。對于滲透性較大的河床砂卵石、漂卵石等沖積層，用壓漿法進(jìn)行加固，并能滿足抗沖刷要求。