建構(gòu)筑物傾斜注漿抬升技術(shù)研究現(xiàn)狀

崔學(xué)棟

（北京恒祥宏業(yè)基礎(chǔ)加固技術(shù)有限公司，北京100097）

1 引言

19世紀(jì)初，法國(guó)工程師首先開創(chuàng)了注漿技術(shù)應(yīng)用的先河，注漿技術(shù)也是在采礦、市政及水利工程中作為防水、加固的重要方法，隨后在法國(guó)、英國(guó)、美國(guó)及日本等國(guó)家逐步推廣。由于采用注漿技術(shù)進(jìn)行建構(gòu)筑物抬升具有減少開挖量和減少基礎(chǔ)托換的優(yōu)勢(shì)，所以建構(gòu)筑物注漿抬升技術(shù)在國(guó)外也得到了廣泛的推廣[1]。在我國(guó)，注漿技術(shù)首先應(yīng)用于煤礦的巷道圍巖加固，隨后才逐步在其他領(lǐng)域推廣開來。注漿技術(shù)是一種實(shí)踐性很強(qiáng)的工藝性技術(shù)，已經(jīng)有許多工程使用注漿技術(shù)達(dá)到了建構(gòu)筑物的傾斜糾偏的目的。目前，建構(gòu)筑物注漿抬升技術(shù)的工程實(shí)踐已領(lǐng)先于理論，應(yīng)對(duì)目前的注漿抬升技術(shù)的理論、實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐的現(xiàn)狀進(jìn)行歸納梳理，為更深一步的注漿工程理論與實(shí)踐研究打好基礎(chǔ)。

2 理論研究現(xiàn)狀

建筑物的傾斜抬升技術(shù)目前可以分為抬升法、迫降法和綜合法。迫降法是采用掏土或者降水的方式，在建筑物沉降小的一側(cè)采用技術(shù)手段增大沉降，達(dá)到傾斜糾偏的目的。抬升法是采用托換或打樁的方式，在建筑物沉降量較大的一側(cè)抬高基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，通常采用的方法為錨桿靜壓樁法、坑式靜壓樁法和上部結(jié)構(gòu)托梁抬升法[2]。上述抬升方法一般需要開挖或者托換，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成一定的影響。根據(jù)注漿原理，注漿抬升技術(shù)屬于抬升法的一種，有效地解決了開挖或托換對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的影響。

建構(gòu)筑物的注漿抬升設(shè)計(jì)目前仍處于“半理論、半經(jīng)驗(yàn)”的狀態(tài)，有時(shí)經(jīng)驗(yàn)甚至大于理論。由于注漿理論涉及地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、流體力學(xué)、巖體力學(xué)和材料學(xué)等多個(gè)學(xué)科，而且?guī)r土條件的復(fù)雜性，所以，目前對(duì)注漿抬升技術(shù)的原理還未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。目前，物理注漿理論的研究成果可以概括分為滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿理論。

2.1 滲透注漿理論研究現(xiàn)狀

滲透注漿理論是基于地下水的流動(dòng)而開展的。漿液作為流體在巖土體的滲流過程與地下水的動(dòng)力學(xué)原理有諸多相似之處，因此，滲流注漿原理也是發(fā)展最為全面、系統(tǒng)的，如球形擴(kuò)散理論、柱狀擴(kuò)散理論等。近年來，有學(xué)者在研究馬格經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上，提出了考慮漿液黏時(shí)變性滲透注漿理論計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)了滲透注漿理論計(jì)算公式的統(tǒng)一，但是并未推廣。

滲透注漿壓力較小，漿液以一種類似于“地下水流動(dòng)”的方式克服阻力，滲入土體孔隙中，在不影響原有土體結(jié)構(gòu)的情況下，形成“結(jié)石體”。但由于砂土和黏性土的滲透性相差很大，因此，不少學(xué)者認(rèn)為，在砂土中采用滲透注漿的方法較為妥當(dāng)。在JGJ 123—2012《既有建筑物地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范》條文17.7.3中規(guī)定了滲透注漿適用于滲透率大于10-4cm/s的砂性土[3]。滲透注漿速率較慢，若采用滲透注漿理論設(shè)計(jì)建筑物傾斜抬升不夠現(xiàn)實(shí)。

2.2 壓密注漿理論研究現(xiàn)狀

壓密注漿被認(rèn)為是加固軟弱土體最適合的理論。是指壓密注漿形成的注漿壓力和形成的“漿泡”對(duì)土體產(chǎn)生擠壓作用，使得注漿孔周圍形成漿泡—塑性區(qū)—彈性區(qū)的模型，類似于地基處理中的復(fù)合樁，提高土體的密實(shí)度，從而達(dá)到加固土體、提升承載力的作用。如果在工藝上能夠?qū)⒋嗽磉\(yùn)用得當(dāng)，則可以起到抬升建構(gòu)筑物的作用[4]。目前認(rèn)為壓密注漿適用于砂土、填土等軟弱土層，但是工程經(jīng)驗(yàn)表明，在含有淤泥質(zhì)土和泥土中也能實(shí)現(xiàn)建構(gòu)筑物的抬升。

壓密注漿改善土體實(shí)際分為2個(gè)方面：一方面是出漿口對(duì)周圍土體產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力，使得周圍土體的孔隙比減小，提高密實(shí)度，從而達(dá)到加固土體的目的；另一方面，注漿過程中滲流、壓密和劈裂往往是同時(shí)發(fā)生的，很難控制“漿泡”的形態(tài)，因此，壓密注漿通常形成的是土與漿液凝固體的“結(jié)石體”。由于注漿使得處理土層的密度加大，同時(shí)，對(duì)處理土層下部也有附加壓應(yīng)力，因此，壓密作用的機(jī)理應(yīng)是上述2種壓密現(xiàn)象共同作用的。

2.3 劈裂注漿理論研究現(xiàn)狀

劈裂注漿是指鉆孔內(nèi)的液壓超過巖土體的劈裂壓力，使得巖土體產(chǎn)生水力劈裂，形成網(wǎng)狀漿脈，形成“漿液骨架”從而加固巖土體的注漿范圍，應(yīng)用最為廣泛。已有學(xué)者對(duì)擴(kuò)孔問題的線性與非線性解析解進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出了砂性土和黏性土的極限擴(kuò)孔壓力的理論計(jì)算公式，并推導(dǎo)了劈裂注漿擴(kuò)散半徑[5]。目前，已有學(xué)者基于球形和柱形擴(kuò)張彈塑性理論，推導(dǎo)了劈裂注漿的理論起始?jí)毫馕鼋?。但擴(kuò)散半徑和起始?jí)毫μ^于理論化，在進(jìn)行工程實(shí)踐時(shí)，并不能完全依靠已成形和柱形擴(kuò)張彈塑性理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

劈裂注漿會(huì)破壞原有的土體結(jié)構(gòu)，利用較大的注漿壓力，超過土體的強(qiáng)度，沿著土體最弱處在土體內(nèi)部形成“脈狀”注漿體結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的理論研究過于集中在水力劈裂機(jī)理方面，對(duì)“漿脈”形成的過程研究甚少，對(duì)于漿脈的發(fā)展過程、擴(kuò)展方向和形狀對(duì)加固效果的影響規(guī)律研究明顯不足，因此，在工程應(yīng)用中，經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)先于理論。

3 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

注漿的實(shí)驗(yàn)研究通常情況下也是根據(jù)滲流理論、壓密理論和劈裂理論展開的，但是，由于工程地質(zhì)條件的差異，這3種注漿情況往往是伴隨著發(fā)生的，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，采用不同的土樣，在注漿實(shí)驗(yàn)中能夠得到注漿參數(shù)的回歸公式，進(jìn)而得到漿液在土樣中的擴(kuò)散規(guī)律，從而能夠得到可以指導(dǎo)工程實(shí)踐的注漿理論。在土體滲透性較小的黏性土和砂性土中，由于注漿壓力較大，很難存在滲流的情況。因此，在注漿實(shí)驗(yàn)中壓密和劈裂常常伴隨著發(fā)生，而采用注漿技術(shù)的巖體往往較為破碎，孔隙率相對(duì)較大。相對(duì)于壓密與劈裂，滲流理論更適合于疏松多孔的砂性土，因此，研究的方法與壓密和劈裂有一定區(qū)別。

3.1 滲流注漿實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

有學(xué)者研發(fā)了一套基于壓密注漿和劈裂注漿的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，另外，有學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)了砂土室內(nèi)模型試驗(yàn)儀器模擬，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，在砂土介質(zhì)中擴(kuò)散距離與砂土的滲注漿量、漿液水灰比、注漿壓力、滲透系數(shù)有關(guān)。而不同的學(xué)者在多孔介質(zhì)中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論卻大相徑庭，認(rèn)為對(duì)漿液擴(kuò)散最顯著的是注漿壓力，然后，才是注漿的初始黏度、凝膠時(shí)間、滲透系數(shù)和注漿時(shí)間。得出完全不同的結(jié)論是由于注漿介質(zhì)的材料完全不同，這說明在不同地質(zhì)條件下，其注漿效果的主要影響因素也不盡相同。另外，有學(xué)者指出，當(dāng)深度達(dá)到一定程度時(shí)，注漿效果也受一定地應(yīng)力及土體固結(jié)作用的影響；并且滲流注漿效果也受一定地質(zhì)條件的影響，如滲流等。

3.2 壓密注漿實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

土體壓密注漿是指漿液形成的“漿泡”完全取代土體，在周圍形成塑性區(qū)域，在距離“漿泡”更遠(yuǎn)的區(qū)域形成彈性區(qū)域。有學(xué)者在模型槽實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，壓密注漿形成的結(jié)石體與土體有明顯的分界面，在注漿過程中，壓密和劈裂是同時(shí)產(chǎn)生的，其過程可以概述為小孔擴(kuò)張—劈裂流動(dòng)—形成漿泡。針對(duì)壓密注漿廣泛地用于建構(gòu)筑物抬升以及復(fù)合地基，中國(guó)水利工程協(xié)會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CWEA 5—2018《壓密注漿樁技術(shù)規(guī)范》，規(guī)范了壓密注漿樁的設(shè)計(jì)、材料、施工和檢測(cè)等[6]，也應(yīng)用到了實(shí)際的工程中，效果十分理想。有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)也證明了壓密注漿在加固土體時(shí)，可以產(chǎn)生抬升力，從而進(jìn)行地表建構(gòu)筑物的抬升，并應(yīng)用于煤倉(cāng)地基加固糾偏中。

3.3 劈裂注漿實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

劈裂注漿常伴隨著壓密注漿，在其主控因素的研究工作中，有學(xué)者提出劈裂與壓密的關(guān)系時(shí)指出，注漿的作用一方面由于土體劈裂形成了漿脈骨架，漿脈骨架的形狀對(duì)注漿的效果也有一定的影響；另一方面，漿脈對(duì)土體有明顯的擠密作用，同時(shí)可以降低滲透性，通過實(shí)驗(yàn)限制漿液的擴(kuò)散范圍，得出了擠密作用才是保證注漿加固效果的關(guān)鍵。

有的學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)注漿實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)注漿實(shí)驗(yàn)詳細(xì)研究了水力劈裂的發(fā)展過程，同時(shí)與有限元法進(jìn)行對(duì)比，呈現(xiàn)了均勻土體和非均質(zhì)土體中的裂縫啟裂、二次劈裂和漿脈的擴(kuò)展過程。此項(xiàng)研究填補(bǔ)了劈裂注漿漿脈發(fā)展過程的空白，同時(shí)也提供了劈裂注漿的新的研究手段。

4 實(shí)踐現(xiàn)狀

我國(guó)于20世紀(jì)50年代在煤礦巷道等地下工程運(yùn)用注漿技術(shù)進(jìn)行加固和止水，到了60年代，注漿技術(shù)應(yīng)用于延安寶塔山寶塔的地基加固，此時(shí)注漿技術(shù)在地基加固和建構(gòu)筑物傾斜糾偏的研究逐步深入。國(guó)外在20世紀(jì)初，著名的意大利比薩斜塔的地基處理中，就有學(xué)者提出了采用注漿抬升技術(shù)對(duì)已經(jīng)超過傾斜預(yù)警值的塔身進(jìn)行加固。

有學(xué)者利用注漿抬升技術(shù)，對(duì)地鐵下穿建筑物進(jìn)行了抬升，認(rèn)為在此工程中70%的注漿量作用明顯，并且注漿深度的選擇對(duì)抬升效果有著明顯的作用。有學(xué)者在處理上海某地鐵沉降問題時(shí)，選擇使用注漿抬升技術(shù)，有效地改善了隧道的不均勻沉降，并指出分階段注漿能夠有效地控制注漿產(chǎn)生的附加內(nèi)力。也有在軟弱土層及流沙復(fù)雜地質(zhì)條件下采用注漿抬升技術(shù)修復(fù)沉降的污水管道，恢復(fù)污水管的正常運(yùn)營(yíng)。彭正勇在對(duì)廈門機(jī)場(chǎng)34#樓進(jìn)行注漿抬升時(shí)，采用袖閥管注漿工藝，將沉降值控制在25 mm內(nèi)，保證了既有建構(gòu)筑物的安全[7]。有學(xué)者分別研究壓密注漿和劈裂注漿對(duì)地表抬升的影響機(jī)制，采用數(shù)值模擬、相似模擬實(shí)驗(yàn)等方法，驗(yàn)證球形壓密注漿和脈狀劈裂注漿對(duì)地表抬升的影響，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果在注漿埋深超過2 m時(shí)吻合程度較高，壓密注漿能夠?qū)е碌乇硖孔兇?，劈裂注漿對(duì)地表抬升的影響范圍大。實(shí)踐表明，采用后注漿技術(shù)能夠提高土層的側(cè)摩阻力，提高單樁承載力，從而達(dá)到加固樁基的目的。

目前，注漿抬升技術(shù)已廣泛地用于既有建構(gòu)筑物的抬升，如城市地鐵、鐵路、市政和建筑領(lǐng)域。但是，不同研究機(jī)構(gòu)使用的工藝、漿液都未統(tǒng)一，然而注漿抬升的效果均表現(xiàn)良好，能夠?qū)崿F(xiàn)注漿抬升的目的，而且能保證既有建構(gòu)筑的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

注漿抬升的理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐成果十分豐富，就現(xiàn)狀來看，三者并未形成有機(jī)的統(tǒng)一。其理論還不能完全指導(dǎo)實(shí)踐。但是，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師依然能夠通過經(jīng)驗(yàn)完成注漿抬升項(xiàng)目。筆者在對(duì)注漿抬升技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理和歸納時(shí)，得到以下結(jié)論：

1）目前，注漿抬升技術(shù)理論還未形成共識(shí)，滲流注漿、壓密注漿和劈裂注漿在不同的地質(zhì)條件下可能有同步產(chǎn)生，無法利用一套理論來解釋注漿抬升的機(jī)理。目前實(shí)踐的結(jié)果已經(jīng)領(lǐng)先于理論，壓密注漿相對(duì)滲流與劈裂更適用于建筑物的傾斜抬升。

2）目前認(rèn)為對(duì)注漿抬升效果影響最大的因素是工藝，分段注漿對(duì)注漿效果有明顯的影響。

3）注漿抬升技術(shù)是一門工藝性很強(qiáng)的技術(shù)，在復(fù)雜多樣的地質(zhì)條件下，太過理想的假設(shè)不僅會(huì)導(dǎo)致理論與實(shí)踐出現(xiàn)偏差，而且讓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際工程有一定出入。