淺談堤防地基加固技術(shù)及應用

譚鳳群

(鳳臺縣水利局設計室,安徽鳳臺 232100)

淺談堤防地基加固技術(shù)及應用

譚鳳群

(鳳臺縣水利局設計室,安徽鳳臺 232100)

地基加固在建筑物地基處理上應用較多,但堤防地基加固有別于一般建筑物地基加固。本文主要對堤防地基加固采用的高壓注漿和深層攪拌法地基加固技術(shù)進行了分析,對適用采用該技術(shù)進行堤防地基加固的范圍和施工工藝提出了建議。

堤防 地基加固 應用

自2005年至2013年七八年間，我們在鳳臺縣采煤沉陷區(qū)堤防加固工程中，針對堤基軟弱問題應用了一些地基加固技術(shù)。經(jīng)過幾年來的運行觀測，效果很好，加固后的堤防安全穩(wěn)固，堤身滑坡問題得到了很好的解決。堤防地基加固的方法很多，對于選擇何種方法進行堤壩地基加固，需要根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)及施工條件進行認真研究。在堤防地基加固工程中，比較適用的有高壓噴射注漿技術(shù)、深層攪拌法加固技術(shù)等。

1 地基加固方法選擇要點

1.1 地基加固方法選擇的基本原則

在除險加固工程中，地基加固處理方案的選擇，具體取決于以下諸方面：(1)功能性：必須滿足工程目的和要求；(2)可實施性：方案的工程規(guī)模、有關(guān)參數(shù)和技術(shù)指標，在目前的技術(shù)水平條件下是可行的；(3)經(jīng)濟性：方案通過技術(shù)經(jīng)濟比較，投入產(chǎn)出分析，在滿足功能性要求的前提下，工程費用較低，工程概預算能夠承受；在確定采用后尚應采用先進技術(shù)，優(yōu)化方案，合理使用材料。(4)環(huán)境和安全性：避免工程污染環(huán)境或污染最??；能保障堤防結(jié)構(gòu)和相鄰建筑物安全，保證施工人員的安全。

1.2 地基加固方法與選擇

地基加固方法的選擇：(1)首先應分析采用天然地基的可行性，如有可能應盡量采用天然地基。(2)根據(jù)建筑物對地基的要求和地基條件，確定需要進行處理的范圍和處理要求。(3)地基處理方法必須滿足堤防對地基的設計要求，主要指天然地基經(jīng)處理后應能達到的物理力學指標。(4)對天然地基的條件、處理要求、工程費用及材料來源等各方面進行綜合考慮，以確定合適的地基處理方法。(5)地基處理方法原則上一定要技術(shù)上可靠、經(jīng)濟上合理，又能滿足施工進度要求。通過分析比較可以采用一種處理方法，也可以采用由兩種或兩種以上的處理方法組成綜合的處理方案。(6)注意節(jié)約能源，注意環(huán)境保護，避免因地基處理而對地面水和地下水產(chǎn)生污染，振動噪音等對周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響。

1.3 幾種地基加固方法的比較

地基加固的方法較多，但在堤防除險加固工程中，比較適用的有高壓噴射灌漿法、深層攪拌法和振沖法等幾種，其中高壓噴射灌漿法和深層攪拌法既可以做成防滲墻，處理地基滲漏問題，也可以用于地基加固。而振沖法、強夯法、排水固結(jié)法等可應用于新建或改建堤防工程中。幾種地基加固方法的特點及適用范圍見表1。

雖然常用的幾種地基加固方法可以用來加固堤身，但往往在經(jīng)濟上是不合理的。堤身問題可以按照堤防工程施工規(guī)范的有關(guān)要求，采用人工翻建的方法重新填筑，施工質(zhì)量是可以得到保證的，而且還可以利用當?shù)氐霓r(nóng)閑勞動力。

2 高壓噴射灌漿和深層攪拌法加固技術(shù)

高壓噴射灌漿和深層攪拌法加固技術(shù)相似，其主要差別在于采用不同的加料拌和手段。

2.1 高壓噴射灌漿技術(shù)

高壓噴射法就是利用工程鉆機鉆孔至設計處理的深度后，用高壓泥漿泵，通過安裝在鉆桿(噴桿)桿端置于孔底的特殊噴嘴，向周圍土體高壓噴射固化漿液(一般使用水泥漿液)，同時鉆桿(噴桿)以一定的速度邊旋轉(zhuǎn)邊提升，高壓射流使一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)破壞，并強制與固化漿液混合，凝固后便在土體中形成具有一定性能和形狀的固結(jié)體。

固結(jié)體的形狀和噴射流的移動方向有關(guān)。一般分為旋轉(zhuǎn)噴射(簡稱旋噴)，定向噴射(簡稱定噴)和擺動噴射(簡稱擺噴)。旋噴樁主要用于加固地基，提高地基的抗剪強度，改善地基土的變形性能，使其在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，不至破壞或產(chǎn)生過大的變形。定噴固結(jié)體呈壁狀，擺噴形成厚度較大的扇狀固結(jié)體。定噴和擺噴通常用于地基防滲，改善地基土的水力條件及邊坡穩(wěn)定等工程。

表1 幾種主要垂直防滲與地基加固方法的比較

2.1.1 加固機理

高噴法如三管高噴法用壓縮空氣包裹高壓噴射水流沖擊破壞攪動土體，同時用低壓灌漿泵灌入漿液，漿液被高壓水、氣射流卷吸帶入，同時與被攪動土體混合形成固結(jié)體。加固地基，形成樁、板、墻的機理可用五種作用來說明：(1)高壓噴射流切割破壞土體作用 噴流動壓以脈沖形式?jīng)_擊土體，使土體結(jié)構(gòu)破壞出現(xiàn)空洞。(2)混合攪拌作用 鉆桿在旋轉(zhuǎn)和提升的過程中，在射流后面形成空隙，在噴射壓力作用下，迫使土粒向與噴嘴移動相反的方向(即阻力小的方向)移動，與漿液攪拌混合后形成固結(jié)體。(3)置換作用 三重管高噴法又稱置換法，高速水射流切割土體的同時，由于通入壓縮空氣而把一部分切割下的土粒排出灌漿孔，土粒排出后所空下的體積由灌入的漿液補入。(4)充填、滲透固結(jié)作用 高壓漿液充填沖開的和原有的土體空隙，析水固結(jié)，還可滲入一定厚度的砂層而形成固結(jié)體。(5)壓密作用 高壓噴射流在切割破碎土體的過程中，在破碎帶邊緣還有剩余壓力，這種壓力對土層可產(chǎn)生一定的壓密作用，使高噴樁體邊緣部分的抗壓強度高于中心部分。

2.1.2 基本種類

按噴射介質(zhì)及其管路多少可分為單管法、二管法、三管法等。

(1)單管旋噴法。通過單根管路，利用高壓漿液(20～30MPa)，噴射沖切破壞土體，成樁直徑為40～50cm。其加固質(zhì)量好，施工速度快和成本低，但固結(jié)體直徑較小。

(2)二管旋噴法。在單管法的基礎(chǔ)上又加以壓縮空氣，并使用雙通道的二重灌漿管。在管的底部側(cè)面有一個同軸雙重噴嘴，高壓漿液以20MPa左右的壓力從內(nèi)噴嘴中高速噴出，在射流的外圍加以0．7MPa左右的壓縮空氣噴出。在土體中形成直徑明顯增加的柱狀固結(jié)體，達80～150cm。

(3)三管旋噴法。使用分別輸送水、氣、漿三種介質(zhì)的三重灌漿管。高壓水射流和外圍環(huán)繞的氣流同軸噴射沖切破壞土體，在高壓水射流的噴嘴周圍加上圓筒狀的空氣射流，進行水、氣同軸噴射，可以減少水射流與周圍介質(zhì)的摩擦，避免水射流過早霧化，增強水射流的切割能力。噴嘴邊旋轉(zhuǎn)噴射，邊提升，在地基中形成較大的負壓區(qū)，攜帶同時壓入的漿液充填空隙，就會在地基中形成直徑較大、強度較高的固結(jié)體，起到加固地基的作用。

2.1.3 漿液材料

水泥是噴射灌漿的基本材料，水泥類漿液可分為以下幾種類型：(1)普通型漿液 一般采用普通硅酸鹽水泥，不加任何外加劑，水灰比一般為0．8：1～1．5：1，固結(jié)體的抗壓強度(28d)最大可達1．0～20MPa，適應于無特殊要求的工程。(2)速凝－早強型 適于地下水位較高或要求早期承擔荷載的工程，需在水泥漿中加入氯化鈣、三乙醇胺等速凝早強劑。摻入2%氯化鈣的水泥－土的固結(jié)體的抗壓強度為1．6MPa，摻入4%氯化鈣后為2．4MPa。(3)高強型 噴射固結(jié)體的平均抗壓強度在20MPa以上?？梢赃x擇高標號的水泥，或選擇高效能的擴散劑和無機鹽組成的復合配方等。

在水泥漿中摻入2～4%的水玻璃，其抗?jié)B性有明顯提高。如工程以抗?jié)B為目的，最好使用“柔性材料”?？稍谒酀{液中摻入10～50%的膨潤土(占水泥重量的面分比)。此時不宜使用礦渣水泥，如僅有抗?jié)B要求而無抗凍要者，可使用火山灰水泥。

2.1.4 高壓噴射灌漿工藝

噴射范圍應在現(xiàn)場通過試驗確定。高噴固結(jié)體的范圍大小與土的種類和其密實程度有較密切的關(guān)系，不同的噴射種類和噴射方式所形成的固結(jié)體大小也不相同。定噴的噴射能量集中，噴射范圍較大。旋噴粘性土固結(jié)強度為0．3～6．0MPa，無粘性土固結(jié)強度為4～15MPa。

對于防滲工程多采用定噴、擺噴，地層含的粒徑較粗時多采用擺噴或旋噴。對處理深度大于20m的復雜地層最好按雙排或三排布孔，使高噴樁形成堵水帷幕。孔距應為1．73R(R為旋噴固結(jié)體半徑)，排距為1．5R時最經(jīng)濟。一般定噴、擺噴孔距為1．2～2．5m，旋噴為0．8～1．2m。高噴防滲效果一般可達10-5～10-6cm/s。

高噴樁樁距應根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載、單樁承載力及土質(zhì)情況而定。一般取樁距為S＝(3～4)d(d為旋噴樁直徑)，樁的布置方式可選用矩形或梅花形布置。

高噴灌漿施工鉆孔的目的是將灌漿管插入預定的土層中，由下而上進行噴射作業(yè)。近來也有用振沖方式成孔直接進行噴射作業(yè)的方法。噴射時應注意以下事項：(1)灌漿深度大時，易造成上粗下細的固結(jié)體，影響固結(jié)體的承載能力或抗?jié)B作用，因而需采用增大壓力和流量或降低旋轉(zhuǎn)和提升速度等措施補救；(2)當發(fā)現(xiàn)噴漿量不足而影響工程質(zhì)量時，可采用復噴技術(shù)；(3)當冒漿量大于灌漿量的20%時，可采用提高噴射壓力、縮小噴嘴直徑、加快提升速度和旋轉(zhuǎn)速度等措施，對冒出的漿液，可回收利用；(4)根據(jù)工程需要調(diào)節(jié)噴射壓力和灌漿量，改變噴嘴移動方向和速度，控制噴射固結(jié)體的形狀，即圓盤狀、圓柱狀、大底狀、糖糊蘆狀、大帽狀和墻壁狀。(5)噴灌后的漿液有析水現(xiàn)象，可造成固結(jié)體頂部出現(xiàn)凹穴，對地基加固及防滲不利。為此，可采用靜壓灌漿或漿液中添加膨脹材料等措施預防。

高壓泵是高壓噴射灌漿中的關(guān)鍵設備，要求壓力和流量能在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。額定流量為85～150L/min；額定壓力為20～50MPa。

2.1.5 高噴固結(jié)體的質(zhì)量檢測

(1)開挖檢驗：待漿液凝結(jié)具有一定的強度后，即可開挖檢查固結(jié)體垂直度、形狀和質(zhì)量；(2)鉆孔檢查：從固結(jié)體中鉆取巖芯，進行室內(nèi)物理力學性能試驗。在鉆孔中做壓水或抽水試驗，測定其抗?jié)B能力；(3)標準貫入試驗：在旋噴固結(jié)體的中部可進行標準貫入試驗。(4)載荷試驗：靜載荷試驗分垂直和水平靜載荷試驗兩種。試驗時，需在受力部位澆筑0．2～0．3m厚的混凝土層；(5)圍井試驗：在板墻一側(cè)增加噴孔，與板墻形成封閉圍井，在井中進行壓水和抽水兩種試驗，或觀測井內(nèi)外水位，多用于防滲效果檢查。

高壓噴射灌漿加固地基技術(shù)主要適用于第四紀沖積層、殘積層及人工填土等。對于砂類土、粘性土、黃土和淤泥等都能加固。但對礫石直徑過大、含量過多及有大量纖維質(zhì)的腐植土噴射質(zhì)量稍差，有時甚至不如靜壓灌漿的效果。

對地下水流速過大，噴射的漿液無法在灌漿管周圍凝結(jié)，無填充物的巖溶地段，永凍土和對水泥有嚴重腐蝕的地基，均不宜采用高壓噴射灌漿法。

2.2 高壓噴射灌漿的特點

高噴法具有成本較低，施工速度較快，固結(jié)體強度大，可靠性高等優(yōu)點，與普通灌漿法相比又具有以下特點。

高噴法是利用高速水流強制性地破壞土體形成固結(jié)體，在覆蓋層中一般不存在可灌性問題；同時由于高速射流被限制在土體破碎范圍內(nèi)，因此漿液不易流失，能保證預期的加固范圍和控制固結(jié)體的形狀；能在鉆孔中任何一段內(nèi)施工，也可以在孔底或中部噴射，此外，也可以水平方向噴射和傾斜方向噴射施工；高噴法通常采用水泥漿液，不會造成環(huán)境和地下水的污染，且耐久性較好；施工噪音較小，單管和二管法施工較簡便。

3 深層攪拌法技術(shù)

深層攪拌法是利用水泥作為固化劑，通過特別的深層攪拌機械，在地基深處就地將軟土和水泥(漿液或粉體)強制攪拌后，水泥和軟土將產(chǎn)生一系列物理—化學反應，使軟土硬結(jié)改性。改性后的軟土強度大大高於天然強度，其壓縮性，滲水性比天然軟土大大降低。

3.1 加固機理

軟土與水泥采用機械攪拌加固的基本原理，是基于水泥加固土的物理化學反應過程。減少了軟土中的含水率，增加了顆粒之間的粘結(jié)力，增加了水泥土的強度和足夠的水穩(wěn)定性。在水泥加固土中，由於水泥的摻量較小，一般占被加固土重的10～15%。水泥的水化反應完全是在具有一定活性的介質(zhì)——土的圍繞下進行，所以硬化速度較慢且作用復雜。

3.2 水泥土的主要特性

3.2.1 物理性質(zhì)

水泥土的容重與天然土的容重相近，但水泥土的比重比天然土的比重稍大。

3.2.2 無側(cè)限抗壓強度

水泥土的無側(cè)限抗壓強度一般為300～400kPa，比天然軟土大幾十倍至百倍，但影響水泥土無側(cè)限抗壓強度的因素很多，如水泥摻入量、齡期、水泥標號、土樣含水率和有機質(zhì)含量以及外摻劑等等。

為了降低工程造價，可以采用摻加粉煤灰的措施。摻加粉煤灰的水泥土，其強度一般比不摻粉煤灰的高。不同水泥摻入比的水泥土，當摻入與水泥等量的粉煤灰后，強度均比不摻粉煤灰的提高10%，因此采用深層攪拌法加固軟土時摻入粉煤灰，不僅可消耗工業(yè)廢料，還可提高水泥土的強度。

3.3 施工技術(shù)

3.3.1 加固型式

根據(jù)目前的深層攪拌法施工工藝，攪拌樁可布置成柱狀、壁狀和塊狀三種型式，在堤防上用于地基加固，主要采用樁式，而用于防滲加固，應采用壁狀式，壁狀式是將相鄰攪拌樁部分重疊搭接即成為壁狀加固型式，組成水泥土擋墻，這種擋墻具有較高的抗?jié)B性能，可以形成良好的隔水帷幕。

3.3.2 施工工藝

(1)濕法施工。主要的施工機械為深層攪拌機。深層攪拌法的施工主要可分為定位、預攪下沉、制備水泥漿、提升噴漿攪拌、重復上下攪拌、清洗等幾個步驟。

(2)干法施工。干法是采用水泥粉料，由空氣輸送，通過攪拌葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空隙部位噴出，并隨著攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)均勻分布在整個空隙軌道面內(nèi)，進而和原位地基土攪拌并混合在一起。施工機械主要是鉆機、粉體發(fā)送器、空氣壓縮機、攪拌鉆頭等。

施工工序主要為：(1)柱體對位；(2)下鉆；(3)鉆進結(jié)束；(4)提升噴粉；(5)提升結(jié)束樁形成體等幾個步驟。

3.4 適用范圍

深層攪拌法最適宜加固各種成因的飽和軟粘土，常用于淤泥、淤泥質(zhì)土、粘土、亞粘土等地質(zhì)的加固，成樁深度可達30m，采用多頭小直徑樁成墻深度可達18m。

在堤防除險加固工程中，深層攪拌樁適用于處理軟基堤防上滑坡段的。同時，還可以組成截滲墻，取得較好的防滲效果。

3.5 深層攪拌法主要優(yōu)點

3.5.1 加固效果好,加固方式靈活,適用面廣

深層攪拌法可采用不同的加固型式、不同的樁長和置換率以滿足不同土質(zhì)條件和不同荷載要求的加固目的。對河道這種區(qū)域狹長、地質(zhì)條件復雜，對沉降要求較高的工程比較適宜。采用攪拌樁擋土墻作為河岸邊坡支護不僅能夠保證邊坡穩(wěn)定，還具有防滲功能。

3.5.2 施工速度快

一般來說，每臺深層攪拌機建造攪拌樁截滲墻的工效達13．2m2/臺·時。

3.5.3 可充分利用原軟土,無棄土問題

深層攪拌法是一種原位加固技術(shù)，可充分利用原狀土，無棄土問題。

4 主要應用工程介紹

4.1 鳳臺縣金剛圩塌陷段地基處理工程

金剛圩塌陷段在2005年度汛期間，因擋水水位高，地基不穩(wěn)，堤基滑動造成決口。事后經(jīng)地質(zhì)勘察，發(fā)現(xiàn)該段堤基下存在淤泥層，淤泥層厚大于11米，地基承載力小。針對該段淤泥層厚、不宜挖除置換土的特點，設計在該段堤壩背水側(cè)平臺處進行粉噴樁加固地基。設計樁距1．0m，拍距1．2m，樁徑0．5m，梅花形布置，樁底進入持力層大于1m，設計復合地基承載力120kpa。該工程2006年實施后，遇2007年大汛，和該段相鄰的地質(zhì)情況相似的堤段地基滑動造成堤壩決口，而該加固段堤壩依然牢固如初。

4.2 鳳臺縣許大湖圩塌方段地基加固工程

許大湖圩塌方段位于老河道上，堤下淤泥層6-7m，堤長120m。在2012年土方加固時，因堤身高，造成地基深層滑動，堤身下沉近3m。因該段堤壩上方有35KV高壓輸電線路，采用粉噴樁施工機械機身高，不安全，遂采用高壓水泥旋噴樁。設計樁距1．5m，排距1．5m，梅花形布置，樁徑0．8m，樁端進入持力層深度2m，樁長8．5m，設計復合地基承載力130Kpa。樁基加固后，對堤壩進行土方填筑，目前運行良好。

5 結(jié)語

堤防地基加固的主要目的是提高地基承載力，同時提高地基抗?jié)B能力。一般適用地基有較厚軟弱層的地質(zhì)情況，如軟弱層較薄，則采取挖淤置換土的方式比較經(jīng)濟。粉噴樁和旋噴樁所用材料，一般宜用普通硅酸鹽水泥；對有防滲要求的，也可采用復合硅酸鹽水泥。對地基淤泥層含水量較大、地基土松軟的情況，粉噴樁的效果要好于旋噴樁。旋噴樁冒漿、跑漿量大，灌漿壓力不易掌握，容易造成斷樁現(xiàn)象。