土巖組合地基注漿加固方案研究

黃楚彬 張后登 胡可寧 姜開渝

(1. 中建三局投資發(fā)展公司 武漢 430000；2. 中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢 430000；3. 宜昌市建筑市場(chǎng)和質(zhì)量安全監(jiān)督站 443000；4.東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京 210096)

引言

土巖組合地基是指在地基主要受力層范圍內(nèi)下臥基巖表面坡度較大或者石芽密布并有出露或者大塊孤石(個(gè)別石芽)出露的地基[1]。淺埋式錨碇基礎(chǔ)持力層通常為土巖組合地基，相對(duì)于整體沉降，錨碇基礎(chǔ)對(duì)差異沉降更為敏感，選取合理的注漿加固方案是減小錨碇基礎(chǔ)不均勻沉降，保證懸索橋安全穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在砂卵(礫)石地層中注漿，往往要求注入的漿液能形成連續(xù)、穩(wěn)定的膠結(jié)體，漿液的擴(kuò)散半徑和結(jié)石體強(qiáng)度確定仍以經(jīng)驗(yàn)為主，是一個(gè)尚未解決的技術(shù)難題。試驗(yàn)方面，楊坪[2]通過(guò)注漿模擬試驗(yàn)，得出漿液的擴(kuò)散距離、結(jié)石體抗壓強(qiáng)度與其影響因素之間的關(guān)系。阮文軍[3]利用平板裂隙注漿裝置進(jìn)行試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果，建立了穩(wěn)定性漿液注漿擴(kuò)散模型。李鵬[4]設(shè)計(jì)了劈裂注漿模型試驗(yàn)裝置，模擬斷層破碎帶劈裂注漿過(guò)程，通過(guò)布設(shè)監(jiān)測(cè)元件記錄，分析注漿過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律。理論分析方面，張慶松[5]推導(dǎo)了劈裂通道內(nèi)牛頓流體漿液的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方程，最終得到劈裂通道寬度及漿液壓力的空間分布方程。李超[6]假設(shè)漿液為牛頓流體，推導(dǎo)了漿液劈裂巖石產(chǎn)生單條裂縫時(shí)，漿液最大擴(kuò)散長(zhǎng)度隨注漿壓力變化的計(jì)算公式。數(shù)值分析方面，盧偉[7]基于FLAC3D實(shí)現(xiàn)了考慮漿液和砂卵石土參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合下注漿擴(kuò)散過(guò)程模擬，研究了漿液在砂卵石土中柱面滲透擴(kuò)散機(jī)制。

本文以宜昌市伍家崗長(zhǎng)江大橋江南側(cè)淺埋式重力錨碇基礎(chǔ)為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注漿工藝試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)、顆粒級(jí)配試驗(yàn)等方式，完成了基底加固的注漿分區(qū)劃分，確定了注漿加固方案及其參數(shù)，可為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也為類似工程提供數(shù)據(jù)參考。

1 工程概況

伍家崗長(zhǎng)江大橋?yàn)橹骺?160m的鋼箱梁懸索橋，江北側(cè)采用隧道錨，江南側(cè)采用淺埋式重力錨碇。淺埋式重力錨碇基礎(chǔ)采用外徑85.0m、高15.0m的圓形擴(kuò)大基礎(chǔ)?；A(chǔ)底面絕對(duì)高程為55.3m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，下臥基巖面的絕對(duì)高程為25m～50m，呈現(xiàn)東南側(cè)較低，其余方向稍高的“簸箕”狀，錨碇基礎(chǔ)范圍的地基為不均勻的土巖組合地基，如圖1所示；基底持力層為④2-2含中粗砂卵礫石，厚度為5m～30m，其承載力基本容許值為400kPa，與錨碇混凝土基礎(chǔ)底面的摩阻系數(shù)μ=0.4～0.5。在最不利荷載組合作用下，錨碇基底前趾區(qū)應(yīng)力為498.7kPa，后趾區(qū)應(yīng)力為463.1kPa。由于土巖組合地基的剛度在錨碇基礎(chǔ)范圍內(nèi)分布不均勻，加上主纜拉力的偏心荷載作用，錨碇基礎(chǔ)極易產(chǎn)生不均勻沉降。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)平面布置示意Fig.1 Layout of test points

2 注漿工藝

在基坑前趾區(qū)域和后趾區(qū)域各布置一組直剪試驗(yàn)點(diǎn)和一組載荷試驗(yàn)點(diǎn)。試點(diǎn)平面布置示意如圖1所示。

為研究注漿漿液的擴(kuò)散半徑以及注漿間距對(duì)地基承載力和變形模量的影響，在試驗(yàn)區(qū)分別以2m和3m的間距注漿。前趾試驗(yàn)區(qū)和后趾載荷試驗(yàn)區(qū)的注漿孔與試驗(yàn)點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系如圖2、圖3所示，圖中，QZSY-1表示前趾試驗(yàn)區(qū)1#注漿孔，HZSY-19表示后趾試驗(yàn)區(qū)19#注漿孔，其余編號(hào)以此類推，注漿孔號(hào)從左至右依次編號(hào)。

圖2 注漿孔布置(前趾試驗(yàn)區(qū))Fig.2 Layout of grouting holes (Fore toe area)

圖3 注漿孔布置(后趾載荷試驗(yàn)區(qū))Fig.3 Layout of grouting holes (Back toe area)

2.1 水灰比

現(xiàn)場(chǎng)利用125kg水與250kg水泥配置水灰比為0.5的水泥漿，根據(jù)規(guī)范要求對(duì)水泥凈漿的流動(dòng)性進(jìn)行測(cè)試，最終測(cè)得的時(shí)間為11s，滿足規(guī)范要求。

從后期鄰孔冒漿的擴(kuò)散效果來(lái)看，水灰比0.5在含中粗砂卵礫石層有較好的擴(kuò)散半徑，因此水灰比設(shè)定為0.5。

2.2 注漿參數(shù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)基底和下臥基巖面的絕對(duì)高程分析可知，前趾試驗(yàn)區(qū)和后趾載荷試驗(yàn)區(qū)的鉆孔深度分別為10m、6m。兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)共計(jì)30個(gè)注漿孔，其注漿參數(shù)作為注漿工藝試驗(yàn)的一部分。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析，前趾試驗(yàn)區(qū)和后趾載荷試驗(yàn)區(qū)的平均注漿壓力均在0.8MPa左右，平均單孔注漿量分別為1.48m3、1.03m3，注漿終止條件均為鄰孔冒漿(圖4a)或鄰近集水井冒漿。

圖4 注漿現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Grouting site

2.3 存在問(wèn)題

圖5 澆筑墊層后再注漿現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Grouting site after pouring cushion

在注漿初期階段，注漿孔封閉方式較為簡(jiǎn)單，僅采用泥土堵塞的方式，造成孔口封閉不理想。注漿孔孔口封閉不密實(shí)，漿液不會(huì)往周邊土體中擴(kuò)散，反而孔口在較短時(shí)間內(nèi)(2min～3min)產(chǎn)生翻漿、冒漿現(xiàn)象，導(dǎo)致漿液往地面流失、漿液擴(kuò)散半徑較小，注漿效果差(圖4b)，同時(shí)存在注漿量無(wú)法量化、注漿壓力讀取不夠精確等問(wèn)題。后期通過(guò)先澆筑50cm厚的素混凝土墊層，待墊層達(dá)到強(qiáng)度要求后再注漿的措施解決孔口封堵不密實(shí)的問(wèn)題(圖5)；通過(guò)更換量程適中、靈敏度更高的壓力計(jì)解決注漿壓力讀取不夠精確的問(wèn)題；通過(guò)在拌漿池安裝刻度尺以計(jì)量單孔注漿量。

3 參數(shù)分析

3.1 注漿壓力與擴(kuò)散半徑

基坑主要含水層以卵石(④2-1和④2-2)為主、透水性較強(qiáng)，綜合滲透系數(shù)k=5.0×10-2cm/s；通過(guò)理論計(jì)算以及參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》[8]，④2-2含中粗砂卵礫石的孔隙率n=0.3；參考地基處理手冊(cè)[9]，漿液的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)ν=4×10-6m2/s； 根據(jù)水泥凈漿的流動(dòng)性進(jìn)行測(cè)試，水泥漿液的水灰比ρ*=W/C=0.5；參考《巖土注漿理論與工程實(shí)例》[10]，水泥漿液密度ρ=1+2/(1+3ρ*)=1.8g/cm3；水泥漿液重度γ=ρg=18kN/m3；現(xiàn)場(chǎng)的注漿管半徑r=2.5cm。

根據(jù)地勘報(bào)告可得④2-2含中粗砂卵礫石的有效粒徑de=0.15cm；沿注漿管深度方向每延米的平均注漿時(shí)間t=200s；參考地基處理手冊(cè)[9]，即可得到注漿壓力P與擴(kuò)散半徑r1的關(guān)系，如式(1)所示。

(1)

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得注漿壓力P與擴(kuò)散半徑r1的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 注漿壓力與擴(kuò)散半徑的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between grouting pressure and diffusion radius

由圖6可知，擴(kuò)散半徑隨注漿壓力的增加呈拋物線增長(zhǎng)，當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.8MPa時(shí)，擴(kuò)散半徑為1.8m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的注漿效果基本吻合。如圖4a所示的鄰孔冒漿現(xiàn)場(chǎng)圖可知，在現(xiàn)場(chǎng)注漿壓力達(dá)到要求條件下，單孔注漿可引起間距為3m的鄰孔孔頂冒漿，單孔注漿可引起臨近的集水井里出現(xiàn)水泥砂漿。

由于地層的復(fù)雜性和注漿壓力、注漿時(shí)間的離散性，采用該方法計(jì)算得到的擴(kuò)散半徑僅作為注漿方案設(shè)計(jì)的參考。

3.2 承載力

根據(jù)規(guī)范[11,12]要求，現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)在注漿加固15d后進(jìn)行。根據(jù)規(guī)范[13]的試驗(yàn)方法，可得試點(diǎn)荷載-沉降的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 荷載-沉降曲線Fig.7 Load settlement curve

根據(jù)規(guī)范[13]要求，地基承載力基本容許值可取為Q-S曲線的比例界限和極限承載力一半的較小值。

前趾區(qū)QZ-1測(cè)點(diǎn)加載至1320kPa，QZ-2測(cè)點(diǎn)加載至1320kPa，QZ-3測(cè)點(diǎn)加載至1300kPa，三個(gè)測(cè)點(diǎn)均未達(dá)到破壞荷載，極限荷載不小于1300kPa，將最終荷載除以2的安全系數(shù)，得到地基承載力基本容許值，所以被測(cè)試的前趾區(qū)三個(gè)測(cè)點(diǎn)的地基承載力基本容許值不小于650kPa。后趾補(bǔ)充載荷試驗(yàn)HZ-7測(cè)點(diǎn)加載至1080kPa，HZ-8測(cè)點(diǎn)加載至1320kPa，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在最后一級(jí)加載下的沉降均超過(guò)48mm(與承壓板直徑之比等于0.06)，均達(dá)到破壞荷載，因此HZ-7測(cè)點(diǎn)、HZ-8測(cè)點(diǎn)的極限荷載取破壞荷載的上一級(jí)加載值，分別為960kPa、1200kPa，將極限荷載除以2的安全系數(shù)，得到地基承載力基本容許值，所以被測(cè)試的后趾補(bǔ)充載荷試驗(yàn)區(qū)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的地基承載力基本容許值分別為480kPa、600kPa。

因此載荷試驗(yàn)點(diǎn)的地基承載力基本容許值取值如表1所示。

表1 載荷試驗(yàn)點(diǎn)地基承載力基本容許值Tab.1 Basic allowable value of bearing capacity of foundation at load test point

注：QZ-0試點(diǎn)、HZ-0試點(diǎn)分別為地基注漿前前趾區(qū)和后趾區(qū)的原位載荷試驗(yàn)點(diǎn)(試驗(yàn)點(diǎn)位置均位于圖1所示的前趾試驗(yàn)區(qū)和后趾載荷試驗(yàn)區(qū)附近，由“宜昌市建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督站”提供數(shù)據(jù))。

3.3 變形模量

通過(guò)Q-S曲線的比例界限荷載，利用彈性力學(xué)公式反求土體的變形模量[14]，如式(2)所示：

E0=0.785(1-μ2)dp1/s1

(2)

式中：E0為土體的變形模量(MPa)；d為承壓板直徑(m)；p1為所取定的比例界限荷載(kPa)；s1為與比例界限荷載p1相對(duì)應(yīng)的沉降(mm)；0.785為剛性圓形承壓板的沉降影響系數(shù)；μ為土體泊松比。

根據(jù)地勘報(bào)告可得μ=0.28，根據(jù)平板載荷試驗(yàn)方案可知d=0.8m。結(jié)合相關(guān)參數(shù)，利用式(2)可得土體的變形模量如表2所示。

表2 土體變形模量Tab.2 Deformation modulus of soil

基于現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)的土體承載力和變形模量分析可知：

(1)前趾區(qū)注漿前、后的地基承載力基本容許值分別為400kPa、650kPa；后趾區(qū)注漿前、后的地基承載力基本容許值分別為300kPa、480kPa；前趾區(qū)注漿前、后的地基變形模量分別為22.62MPa、33.63MPa；后趾區(qū)注漿前、后的地基變形模量分別為10.89kPa、12.98MPa；注漿可顯著地提高地基的承載力和變形性能。

(2)位于間距2m區(qū)域的QZ-1、HZ-7試點(diǎn)分別比位于間距3m區(qū)域的QZ-3、HZ-8試點(diǎn)的變形模量更小，即注漿工藝相同的條件下，注漿效果與土層的顆粒級(jí)配、孔隙的空間分布有較大的關(guān)系，導(dǎo)致載荷試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出較大的離散性。

(3)后趾載荷試驗(yàn)區(qū)的承載力基本容許值小于前趾試驗(yàn)區(qū)試點(diǎn)，說(shuō)明前趾區(qū)和后趾區(qū)持力土層的顆粒級(jí)配、孔隙的空間分布存在較大的不同，漿液在前趾區(qū)的土體中更易充分?jǐn)U散，與原狀土形成加固體，因此有必要對(duì)持力層土體進(jìn)行顆粒繼配分析。

(4)后期通過(guò)調(diào)整施工工序，即先施工素混凝土墊層，待墊層達(dá)到強(qiáng)度之后再進(jìn)行注漿，此工序的調(diào)整對(duì)土體最終的承載力和變形性能均會(huì)有所改善，且會(huì)降低注漿效果的離散性。

3.4 顆粒級(jí)配分析

通過(guò)對(duì)基底持力層土體的現(xiàn)場(chǎng)觀察，前趾區(qū)域砂粒含量較大，粘粒含量較少，后趾區(qū)域砂粒含量較小，粘粒含量較多，因此前趾區(qū)的注漿效果、承載力和變形性能優(yōu)于后趾區(qū)，前后趾的平板載荷試驗(yàn)也驗(yàn)證了該結(jié)論。由于地勘報(bào)告未對(duì)錨碇基礎(chǔ)范圍內(nèi)的④2-2含中粗砂卵礫石土層進(jìn)行細(xì)分，不能指導(dǎo)注漿區(qū)域的劃分，因此再選取9個(gè)樣本土體(已人為清除卵石)進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，由于錨碇左右區(qū)域已澆筑素混凝土墊層，因此9個(gè)取樣點(diǎn)在基坑底部的平面分布如圖8所示。9個(gè)土樣的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線如圖9所示，統(tǒng)計(jì)分析如表3所示。

圖8 顆粒級(jí)配分析的取樣點(diǎn)分布Fig.8 Distribution of sampling points for particle grading analysis

圖9 顆粒級(jí)配累計(jì)曲線Fig.9 Cumulative curve of particle size distribution

土樣d10d30d60不均勻系數(shù)曲率系數(shù)1#0.0740.160.658.750.552#0.0740.201.6722.580.323#0.0740.131.1815.890.214#0.0740.120.9012.200.225#0.0740.213.6849.800.176#0.0740.121.9025.660.107#0.0740.151.9025.670.168#0.0740.132.8438.320.089#0.0740.122.9239.460.07

表3中，d10、d30、d60分別相當(dāng)于土粒質(zhì)量累計(jì)百分含量為10%、30%、60%的粒徑。5#～9#土樣的d60參數(shù)、不均勻系數(shù)明顯大于1#～4#土樣，曲率系數(shù)明顯小于1#～4#土樣。不均勻系數(shù)越大表示粒度的分布范圍越大，土粒越不均勻，綜合分析可得5#～9#土樣的粗顆粒含量較多，1#～4#土樣細(xì)顆粒含量較多。

4 注漿方案

通過(guò)基底范圍的顆粒級(jí)配分析，結(jié)合圖1的下臥基巖面的分布情況、載荷試驗(yàn)結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)注漿效果分析，注漿區(qū)域的劃分如圖8所示，其中藍(lán)色實(shí)線為注漿分區(qū)線。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)注漿工藝試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)以及顆粒級(jí)配分析的結(jié)果，在保證注漿工藝和注漿效果的前提下，前趾區(qū)可采用3m的注漿間距，后趾區(qū)可采用2m的注漿間距。

注漿工藝及參數(shù)為：1)先澆筑50cm厚素混凝土墊層再進(jìn)行基底注漿；2)注漿順序?yàn)橄然又苓呍倩又虚g區(qū)域，且采取跳孔連續(xù)注漿；3)注漿花管開孔高度為混凝土墊層頂面標(biāo)高以下1m；4)水灰比為0.5；5)鄰孔冒漿后在6h以內(nèi)再次補(bǔ)漿以保證注漿效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以宜昌市伍家崗長(zhǎng)江大橋江南側(cè)淺埋式重力錨碇基礎(chǔ)的地基注漿加固為工程背景，通過(guò)注漿工藝試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)、持力層土體的顆粒級(jí)配分析等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含中粗砂卵礫石地基加固的注漿分區(qū)，研究了合理的注漿加固方案及參數(shù)，可為類似地層的注漿加固提供參考。具體如下：

1.前期注漿工藝試驗(yàn)存在孔口封堵不密實(shí)、注漿壓力無(wú)法精確讀取、單孔注漿量無(wú)法計(jì)量等問(wèn)題，后續(xù)注漿工藝做了相應(yīng)的改善，可供類似工程參考。

2.基于現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)結(jié)果，注漿后的地基承載力基本容許值和變形模量均有提高，但試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出較大的離散性。

3.5#～9#土樣的粗顆粒含量較多，1#～4#土樣細(xì)顆粒含量較多，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了注漿區(qū)域的劃分，前趾區(qū)采用3m的注漿間距，后趾區(qū)采用2m的注漿間距。