劈裂注漿在飽和軟弱地基處理加固中的應(yīng)用

周 飛 趙海濤 袁 磊 吳煥恒 王連蘭

(四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

1 概述

軟弱性地基是一種不良地基，具有可壓縮性較高、液化程度較高、強度較低、穩(wěn)定性較低等明顯特點[1]。正因為飽和軟土這些特點的存在，所以不加以處理，往往會使既有建筑變形、沉降等問題，同時也會使新建工程質(zhì)量達不到相關(guān)要求，影響工程的安全性和使用壽命[2]。

不同的軟土地基處理方法對加固效果和施工技術(shù)及工期有著重大影響，而且直接關(guān)系到工程費用的高低。對于同一種軟土地基類型也有著不同的處理方法，不同的工程項目對地基處理的要求不同，以及地基所處的地理條件不同，加上機械設(shè)備、材料也會有差別和限制。因此，需要對不同的工程針對技術(shù)和經(jīng)濟進行細致分析和全面考慮，確保滿足施工要求的最佳處理方案。常用的軟土地基處理方法有：砂墊層法、碾壓及夯實法、排水固結(jié)法、換土墊層法、擠密法和振沖法等都是現(xiàn)階段工程施工中對軟土地基常用的處理方法[3]。

注漿作為加固斷層破碎帶、富水砂層等軟弱地層的有效手段，在工程中獲得了廣泛應(yīng)用，大量工程實踐表明，劈裂—壓密注漿模式是軟弱地層注漿中的主要加固模式，在劈裂—壓密注漿過程中，漿液劈開地層形成漿脈骨架并壓密地層，在漿脈骨架支撐與地層壓密固結(jié)的協(xié)同作用下，地層整體性能得到顯著提高[4,5]。本文主要針對某老人防工程報廢回填處理后的附加應(yīng)力可能導致軟弱地基沉降、場地穩(wěn)定性等工程問題，論述采取的地基處理加固措施，確保了回填工程和場地上部建筑物的安全使用。

2 工程概況

2.1 場地條件

該人防工程修筑于20世紀70年代，在40多年的維護過程中

多次進行內(nèi)支撐加固、防水等處理。由于地下水長期的浸泡和侵蝕，防水效果不好，原滲水處滲水或出現(xiàn)新的滲水通道，局部呈線狀流出，并伴隨流土和涌砂現(xiàn)象，故管理單位對其回填報廢處理。整個人防工程呈合圍式，其拱頂埋深約6 m，底部寬約3.4 m～11.5 m，高2.8 m～5.12 m，其中上部拱高約1.12 m～2.08 m，人防工程采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，壁厚約0.25 m，底板厚約0.4 m，局部厚0.8 m。場地地面為一中學教學樓和學校操場，教學樓基礎(chǔ)距人防工程邊墻距離較近，約2 m～3 m，人防巷道的回填對周邊既有建筑物具有較大安全隱患，見圖1。

2.2 場地地質(zhì)條件

雜填土：灰褐色為主，稍濕，含有較多建筑垃圾等雜物，表層含有少量植物根系，含有機質(zhì)較多，厚度1.0 m～2.1 m。

粉土：灰黃色、黃褐色，密實，濕，搖振反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，干強度低，韌性低，局部夾粉質(zhì)粘土。該土層整體分布連續(xù)，厚度變化較大，厚度1.4 m～13.2 m，為重點加固層。

粉砂：灰黃色、灰褐色，松散，飽和，含少量粘粒，系長石、石英、云母細片、巖屑及暗色礦物等顆粒組成，分布于卵石層頂部，為重點加固地層，厚度0 m～10.2 m。

卵石土：灰色，松散～中密，飽和，卵石粒徑一般為1 cm～8 cm，骨架顆粒含量約占總重的70%。骨架顆粒排列混亂，基本不接觸，偶夾粉細砂薄層或透鏡體，該層在場內(nèi)均有分布。

場地內(nèi)主要土體物理力學參數(shù)如表1所示，地質(zhì)剖面見圖2。

表1 場地土主要物理力學參數(shù)

3 地基承載力及沉降變形評價

3.1 承載力評價

根據(jù)人防工程的基本情況，人防工程平均寬度4.0 m，進行深寬修正后的地基土承載力評價，計算公式為：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)。

其中，fa為修正后的地基承載力特征值，kPa；fak為地基承載力特征值,kPa；ηb,ηd分別為基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù)，含卵石粉質(zhì)粘土及強風化泥巖分別取0.3和1.6；r為基礎(chǔ)底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；rm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度；b為基礎(chǔ)底面寬度，小于3 m按3 m取值，大于6 m按6 m取值；d為基礎(chǔ)埋置深度，m。

經(jīng)深寬修正后的承載力特征值fa見表2。

表2 場地主要土層承載力

由表2可知，最高回填5.12 m的混凝土約125 kPa，其地基土承載力滿足回填要求。

3.2 沉降評價

根據(jù)相關(guān)要求，擬采用C20混凝土回填封堵，并對回填后人防通道下的地基土的沉降進行預(yù)測、分析、評價，其評價結(jié)果詳見表3。

表3 地基土沉降評價

綜上，經(jīng)過回填后可能產(chǎn)生的承載力和變形情況，若直接在人防通道內(nèi)填筑混凝土，將導致周邊上部的建構(gòu)筑物產(chǎn)生不均勻沉降，具有極大的安全隱患。

4 注漿加固關(guān)鍵技術(shù)

由于人防通道底部粉土和粉砂含水量較高，呈飽和狀態(tài)，其壓縮性較大，若不做處理直接回填普通C20混凝土，將會引起人防通道整體沉降變形，同時引起其上部建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，從而直接威脅上部周邊建筑物的結(jié)構(gòu)安全和整體穩(wěn)定性。結(jié)合人防通道高度有限，其進出口較窄(寬約1 m，高約1.7 m)，大型機械無法進入且洞內(nèi)無大型機械操作面的現(xiàn)實情況，擬采用注漿加固后，回填LC20輕骨料混凝土的技術(shù)方案。注漿工藝主要流程：測放孔位→成孔→埋設(shè)灌漿管→孔口封閉→灌漿→封孔→灌漿后→檢測。

4.1 注漿材料的選擇及注漿參數(shù)的確定

4.1.1注漿材料的選擇

本項目為粉土和粉砂在壓力下劈裂注漿，考慮到工程本身性質(zhì)，根據(jù)以往工程經(jīng)驗[6]，采用有壓注純水泥漿液。

水泥為普通硅酸鹽水泥，水泥強度不低于32.5R，初凝時間5 min～20 min，水灰比可按1,0.8,0.6視壓入量(干灰量≥500 kg/m時)逐漸加濃。

4.1.2漿液擴散半徑

漿液擴散半徑(r)一個重要的參數(shù)，與容許注漿壓力、注漿布孔方式互相聯(lián)系，其與地基土體的滲透性等相關(guān)[4]。參照以往工程經(jīng)驗，取粉土擴散半徑0.4 m。

Q=AπR2Hk/(1+k)。

其中，Q為每孔注漿量，m3；A為損耗系數(shù)，取1.2；R為擴散半徑；H為注漿孔深度；k為孔隙比。

從而計算出每孔理論計算灌漿量為：

V=1.2×3.14×0.42×10×0.67/1.67=2.42 m3。

4.1.3注漿壓力

根據(jù)土體物理力學參數(shù)，按劈裂注漿壓力計算，容許注漿壓力為0.5 MPa，并根據(jù)注漿孔的具體情況進行調(diào)整，詳細注漿參數(shù)見表4。

表4 注漿加固參數(shù)表

4.2 壓力注漿施工關(guān)鍵技術(shù)

施工前應(yīng)認真檢查原材料的品種、型號、規(guī)格及各部件的質(zhì)量，并應(yīng)有原材料主要技術(shù)性能的檢驗報告。根據(jù)大致可分為注漿加固→檢測注漿效果→回填封堵三個步驟。

4.2.1注漿孔施工工序

1)鉆孔順序。

灌漿鉆孔依據(jù)三序分段施工，先Ⅰ序孔(作先導勘探孔的鉆探)，再Ⅱ序孔，最后Ⅲ序孔(鉆孔次序見圖3)，橫斷面上應(yīng)先外部后中心。注漿應(yīng)先外側(cè)后中心，同時縱向上應(yīng)分段進行，以2個三序施工為1段(7.5 m)，即第1段Ⅰ序注漿施工完成封孔后，方可進行下一段Ⅰ序孔的鉆孔。

2)封孔。

注漿孔成孔后應(yīng)立即用“鋼板+堆載”的方式進行反壓，防止產(chǎn)生持續(xù)的流土和管涌破壞，若成孔后產(chǎn)生明顯的流土和管涌現(xiàn)象，則應(yīng)立即采取反壓并用混凝土封孔。每序孔成孔完成后應(yīng)立即進行注漿，不能擱置超過12 h，每次注漿間隔時間應(yīng)不小于上次注水泥漿的初凝時間。

4.2.2注漿

1)花管安裝。

壓漿孔均采用純壓劈裂式灌注法灌漿施工。鉆孔完畢放入壓漿花管。壓漿花管下入深度距孔底不大于0.5 m，壓漿花管外填8 mm～10 mm豆石至孔口0.5 m處后，孔口用豆石混凝土封填，全部安裝完畢先用清水試壓，正常后轉(zhuǎn)入灌漿工作。

2)注漿壓力及水灰比。

灌漿壓力0.3 MPa～0.5 MPa，按分序加密原則進行，灌漿孔采用全孔一次灌漿法灌注。灌注漿液由稀到濃逐級變換，水灰比為1∶1,0.8∶1,0.6∶1三個比級。當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或當注入率保持不變而灌漿壓力持續(xù)升高時，不得改變水灰比。

3)注漿結(jié)束及標準。

當某一比級漿液的注入量已達400 L以上，或灌注時間已達1 h，而灌漿壓力和注入率未顯著改變時，應(yīng)改濃一級水灰比灌注；當注入率大于30 L/min時，根據(jù)施工具體情況，可越級變濃。在規(guī)定壓力下當注入率不大于1 L/min，繼續(xù)灌注30 min，灌漿可結(jié)束。

4.3 封堵回填及效果檢測

4.3.1封堵回填

人防通道的回填主要通過地面開孔，利用泵管進行泵送回填的方式。回填前，應(yīng)對人防通道采用480磚墻封堵(墻后采用木模板和鋼管撐固定)，回填以10 m為一段，分段采用泵送LC20輕骨料混凝土封堵回填。

4.3.2效果檢測

注漿檢驗應(yīng)在注漿結(jié)束28 d后進行，采用標準貫入、輕型動力觸探、靜力觸探或面波等方法對加固地層均勻性和承載力進行檢測。按加固體深度范圍每間隔1 m取樣進行室內(nèi)試驗，每個加固區(qū)不少于6組，測定土的常規(guī)以及壓縮性、強度。注漿檢驗點不應(yīng)少于注漿孔數(shù)的2%～5%，檢驗合格率小于80%時(強度和模量提高3倍以上)，以此標準滿足回填后沉降變形要求。

至截稿之日，人防工程完全回填完畢，并經(jīng)歷了一個完整的水文年，其上部建筑物結(jié)構(gòu)完整，地面未產(chǎn)生明顯沉降變形，說明劈裂注漿加固的地基處理措施安全可靠。

5 結(jié)語

對于飽和軟土地基加固處理的方式有很多種，如換填墊層、袋裝砂井、高壓旋噴、粉噴樁、碎石(或灰土)擠密樁、強夯等[7,8]。通過對本次成功的地下老人防工程的處理，可以得到以下經(jīng)驗和啟示：

1)人防通道內(nèi)空間狹窄，大型機械設(shè)備無法進入，且受上部建筑物等諸多條件的制約，采用劈裂壓力注漿具有其他處置方法無法比擬的優(yōu)勢和可操作性。

2)劈裂注漿能使飽水軟弱土層在較短的時間內(nèi)，壓力作用下劈裂并充填水泥砂漿從而達到固結(jié)加固的效果，提高承載力及變形模量。

3)劈裂注漿加固施工方便、簡潔，工期較短、成本低、安全可靠、對環(huán)境污染小，受場地制約條件相對較小等優(yōu)點，在類似狹小空間的軟弱地層處理的工程中可優(yōu)先采用劈裂注漿加固措施。

4)在注漿加固設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)不同的場地條件、地質(zhì)環(huán)境條件、施工工藝等進行針對性的注漿材料、參數(shù)和施工工藝的確定，才能取得更好的經(jīng)濟效益。