高壓噴射注漿處理深埋軟弱夾層技術(shù)探究

賈欣媛 岳大昌 李明 廖必成

曹家巷D地塊項目塔樓基底以下分布有軟弱下臥層（中砂、松散卵石或稍密卵石），其強(qiáng)度及變形驗算不滿足設(shè)計要求，因此需進(jìn)行地基處理。經(jīng)方案對比后采用淺層換填+高壓噴射注漿的加固方式，先根據(jù)軟弱下臥層的埋深進(jìn)行平面分區(qū)，采用深層加固結(jié)合淺層換填方式，再在豎向進(jìn)行分段，對軟弱下臥層采用高壓噴射注漿。通過室內(nèi)配合比試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式對設(shè)計進(jìn)行驗證，施工后通過檢測和監(jiān)測結(jié)果反饋，承載力和變形均滿足設(shè)計要求，從而反映出高壓噴射注漿的地基加固方式對該類工程是適宜的。

高壓噴射注漿加固； 深埋軟弱夾層； 配合比試驗； 數(shù)值模擬； 現(xiàn)場試驗

TU472.3+6 A

［定稿日期］2022-01-24

［作者簡介］賈欣媛（1984—），女，碩士，高級工程師，主要從事巖土工程設(shè)計、咨詢、施工等工作。

高壓噴射注漿法是20世紀(jì)70年代初期開發(fā)的一種新型地基加固技術(shù)，即用高壓水泥漿通過鉆桿由水平方向的噴嘴噴出，形成噴射流，以此切割土體并與土拌合形成水泥土加固體的地基處理方法。經(jīng)過不斷實踐與應(yīng)用，目前該方法已經(jīng)形成了成熟的地基加固工法。其中，三重管法是一種水、氣噴射及漿液灌注的方法，即用3層或3根噴射管使高壓水和空氣同時橫向噴射，并切割地基土體，借空氣的上升力把破碎的土由地表排出；與此同時，另一個噴射管將水泥漿以較低壓力噴射注入到被切割、攪拌的地基中，使水泥漿與土混合達(dá)到加固的目的［1］，加固直徑為0.80～2.00 m，加固深度達(dá)20.0～30.0 m，在工程中應(yīng)用十分廣泛。

高壓噴射注漿克服了傳統(tǒng)意義上的靜壓化學(xué)或水泥注漿法加固效果不易控制的缺點（尤其是在沉積的分層地基和夾層多的地基中，注入劑往往沿著層面流動；在細(xì)顆粒的土中，注入劑難以滲透到顆粒的孔隙中），將注入劑形成高壓噴射流，借助高壓噴射流的切削和混合，使硬化劑和土體混合，達(dá)到改良土體的目的［1］。

1 工程概況

1.1 建設(shè)項目基本概況

曹家巷D地塊項目位于成都市金牛區(qū)，由2棟41～43層（高度約188.70～197.60 m）的超高層建筑物組成，設(shè)3層地下室，地基基礎(chǔ)等級設(shè)計等級為甲級。本工程設(shè)計±0.00=501.400 m，框架核心筒結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，塔樓區(qū)域設(shè)計筏板頂標(biāo)高分別為-14.85 m、-15.65 m和-15.50 m，筏板厚度分別為1.30 m、1.40 m、2.70 m和2.90 m。

1.2 工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件

場地地貌屬于岷江水系I階地，基底以下主要由第四系全新統(tǒng)河流沖洪積（Q4al+pl）中砂、卵石及白堊系灌口組泥巖（K2g）組成。

場地地下水屬第四系孔隙潛水類型，砂卵石層為主要含水層，由大氣降水及上游地下水徑流補(bǔ)給。勘察期間處于平水期，穩(wěn)定水位3.20～4.10 m，地下水年變化幅度1.50 m左右，年最高地下水位絕對標(biāo)高498.50 m左右，卵石層滲透系數(shù)K=25.00 m/d。

場地地下水對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。

2 方案比選

2.1 工程特點

本工程為超高層建筑，地基承載力要求高，結(jié)構(gòu)設(shè)計要求：筏板厚度不小于1 300 mm的區(qū)域天然地基承載力特征值fak≥1250 kPa?？辈靾蟾骘@示，基底以下以密實卵石為主，其地基承載力特征值fak=800 kPa，不能滿足設(shè)計要求，為充分利用天然地基，對密實卵石層進(jìn)行載荷試驗。

首先對107個點進(jìn)行超重型動力觸探試驗，并根據(jù)超重型動力觸探試驗結(jié)果選取具有代表性的密實卵石層的10個點進(jìn)行淺層平板載荷試驗。壓板面積0.50 m2，最大試驗荷載2 600 kPa，見圖1。

試驗結(jié)果表明，本場地密實卵石層地基承載力fak可取1 250 kPa。但需對塔樓基底以下分布的軟弱下臥層（中砂、松散卵石或稍密卵石）進(jìn)行處理，處理后要求如表1所示。

通過對補(bǔ)勘鉆孔資料的梳理，塔樓基底以下有15個鉆孔共22處軟弱夾層，埋深及厚度如表2所示。

本工程地基處理的難點主要體現(xiàn)在幾個方面：

（1）軟弱下臥層埋置深度差異較大，1.20～8.50 m。

（2）軟弱下臥層平面分布不連續(xù)，多呈透鏡體狀分布，厚度0.50～2.20 m，且有的鉆孔分布有多層軟弱下臥層（如Z6、Z32、Z36）。

（3）軟弱下臥層為非均勻地層，主要為中砂、松散卵石和稍密卵石等。

（4）建筑對差異沉降敏感，且承載力要求提高幅度較大。

針對軟弱下臥層平面分布不連續(xù)、埋深大、厚度不均的特點，考慮因地制宜、局部處理，同時針對埋深大的特點，采用淺層與深層相結(jié)合的處理方式。2號樓鉆孔Z43、Z44、Z47區(qū)域，軟弱下臥層埋深在1.20～1.80 m，采用C15混凝土進(jìn)行換填；其余區(qū)域，軟弱下臥層埋深在3.00～8.50 m，采用深層地基加固方式。

2.2 方案對比

對于深層地基加固方式，在方案比選階段選取了2種處理方式進(jìn)行可行性對比。方案一為大直徑素混凝土樁復(fù)合地基處理方式，方案二為高壓噴射注漿加固方式。經(jīng)比選，方案二在工程造價上可節(jié)約140萬元，經(jīng)濟(jì)性更佳；工期上，按單臺設(shè)備工效預(yù)估，可節(jié)約工期約20天，效率更高。

經(jīng)綜合評定，選擇淺層換填+深層高壓噴射注漿。對于基底以下3.0 m范圍內(nèi)的軟弱下臥層采用C15混凝土換填；對于基底以下3.0 m范圍外的軟弱下臥層采用高壓噴射注漿法進(jìn)行加固。注漿加固設(shè)計如圖2所示。

注漿參數(shù)：

（1）注漿加固擴(kuò)散半徑0.50 m，注漿孔按等邊三角形布置，間距1.00 m。密實卵石層中注漿加固擴(kuò)散半徑可小于0.50 m，根據(jù)現(xiàn)場試驗性施工確定。

（2）注漿孔采用潛孔鉆機(jī)引孔，孔徑150 mm，采用跟管鉆進(jìn)，鉆進(jìn)深度為軟弱下臥層底標(biāo)高以下0.50 m。

（3）注漿采用三重管水泥漿高壓旋噴注漿，注漿體深度為軟弱層頂面上0.50 m到軟弱層底面下0.50 m。

（4）注漿加固體飽和單軸抗壓強(qiáng)度不低于2.50 MPa，參照GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［2］第5.2.6條，折減系數(shù)按0.50取值，fa=Ψr·frk=0.50×2500=1250 kPa。

2.3 優(yōu)勢分析

2.3.1 高壓噴射注漿加固

高壓旋噴注漿加固不僅可以豎向加固，且通過高壓旋噴作用，在徑向也可起到固化效果，該方法受土層、土的粒度、土的密度、硬化劑粘性、硬化劑硬化時間的影響較小，且對地下環(huán)境污染小。

水泥結(jié)石體強(qiáng)度高、使軟弱下臥層的強(qiáng)度特性得以改良，進(jìn)而提高地基承載力。

加固處理后有效降低了土體的壓縮性。主要表現(xiàn)為減少了土體壓縮變形。

2.3.2 平面分區(qū)

平面分區(qū)采用淺層+深層處理相結(jié)合的加固方式，處理方式靈活、經(jīng)濟(jì)。淺層采用混凝土換填處理，施工工藝和施工設(shè)備簡單，施工速度快，施工質(zhì)量易于保證；深層加固采用高壓旋噴注漿加固，僅針對局部軟弱下臥層，有計劃地在預(yù)定的范圍內(nèi)注入水泥漿液，形成連成一片的加固體，加固深度可以自由調(diào)節(jié)，連續(xù)或分段均可，處理方式更為靈活。與樁基礎(chǔ)或高壓旋噴樁等方式相比，充分利用了密實卵石的承載能力，造價低；與常規(guī)化學(xué)或水泥注漿方式相比，加固體質(zhì)量更為可靠。

2.3.3 豎向分段

根據(jù)軟弱夾層的位置在深度方向作了豎向分段，即僅在軟弱層上下0.50 m范圍內(nèi)進(jìn)行高壓噴射注漿，其余部分僅進(jìn)行常規(guī)注漿。

分區(qū)、分段后僅針對軟弱層進(jìn)行局部處理，不僅可充分利用原狀地基土的強(qiáng)度，且大幅度縮減水泥用量，節(jié)能減排，提高了施工效率，節(jié)約了成本及工期。

3 高壓噴射注漿加固漿液配比確定

根據(jù)JGJ 79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》［3］ 8.1.2條，注漿加固設(shè)計前應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)漿液配合比試驗和現(xiàn)場注漿試驗，確定設(shè)計參數(shù)。

為了解噴射注漿固結(jié)體的性質(zhì)和漿液的配比，取現(xiàn)場各層土樣，在室內(nèi)按不同含水量和配合比進(jìn)行試驗，選出最合理的漿液配方［4］?，F(xiàn)場采取擾動土樣，在采樣后24 h內(nèi)摻入P.O 42.5水泥制作標(biāo)準(zhǔn)試件并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，配合比及試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，加固體單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)3.40～9.10 MPa，滿足設(shè)計不低于2.50 MPa的要求。當(dāng)水灰比不變時，單軸抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而提高；水泥摻量不變時，水灰比為1∶1.50時為較優(yōu)配比。此結(jié)果可供施工參考。

4 地基加固效果數(shù)值分析

Midas-GTS-NX作為一種通用有限元分析軟件，可有效的模擬砂土、黏土、泥巖等常見的巖土工程材料的彈塑性變形特征，具有可視化界面及強(qiáng)大的建模功能，廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域。為了解加固方案的實施效果，采用MIDAS-GTS-NX軟件對加固前、后地基變形進(jìn)行了三維建模分析。

4.1 模型建立

根據(jù)注漿加固平面布置圖及地勘報告剖面圖，分別建立密實卵石層及軟弱夾層模型，見圖3。

4.2 參數(shù)選取

模型建立考慮2種工況，工況1為天然地基沉降計算，工況2為換填后復(fù)合地基沉降計算。

4.3 加固效果對比分析

加固前、后的沉降量如圖4所示，天然工況下（軟弱下臥層不加固），沉降變形值為43.8 mm；加固后，變形值僅為18.2 mm。由計算結(jié)果可知，通過對軟弱下臥層的注漿加固后，可有效控制建筑物的工后沉降變形，滿足后期正常使用要求。

5 施工工藝及技術(shù)參數(shù)

5.1 試驗性施工

在正式施工前進(jìn)行現(xiàn)場試驗，查明噴射固結(jié)體的直徑和強(qiáng)度，驗證設(shè)計的可靠性和安全性。

高壓噴射注漿完畢，待固結(jié)體具有一定強(qiáng)度后，對加固體進(jìn)行開挖驗證。經(jīng)實際測量及室內(nèi)試驗驗證，加固體滲透半徑可滿足設(shè)計要求，加固后松散卵石膠結(jié)效果良好，且在平面上搭接成片狀、深度上連成一體，滿足地基土的強(qiáng)度和變形要求，設(shè)計參數(shù)取值合理。

5.2 技術(shù)參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場試驗性施工結(jié)果并結(jié)合軟弱下臥層的土質(zhì)、密實度等具體條件，選用噴射技術(shù)參數(shù)見表4。

5.3 機(jī)械設(shè)備

施工機(jī)械設(shè)備主要包括潛孔鉆機(jī)、旋噴鉆機(jī)、三重噴射管、泥漿泵、空壓機(jī)、攪拌機(jī)等。

5.4 關(guān)鍵工序

高壓噴射注漿加固工藝流程（圖5）：安裝機(jī)具、引孔—鉆孔完成、準(zhǔn)備注漿—噴射注漿—普通注漿—注漿完成、移機(jī)。

5.4.1 引孔

首先對孔位進(jìn)行放線、標(biāo)識，孔位偏差小于50 mm，鉆孔垂直度小于1%。

為了提高施工速度，防止孔壁塌孔和縮頸，保證施工質(zhì)量，本工程采用了潛孔鉆機(jī)引孔，跟管鉆進(jìn)成孔后，放入110 mm PVC管，然后將套管拔出一段。

5.4.2 分段注漿

接通高壓管、水泥漿管、空壓管、開動高壓泵、泥漿泵、空壓機(jī)和鉆機(jī)，插入旋噴管，將旋噴管插至孔底，并用儀表控制壓力、流量和風(fēng)量，分別達(dá)到設(shè)計的數(shù)值時開始提升旋轉(zhuǎn)噴射對軟弱層進(jìn)行加固。提升旋噴管自下而上旋噴施工，直至軟弱層頂面以上0.50 m，再將噴射管下至孔底進(jìn)行復(fù)噴。

復(fù)噴完成后，在非加固區(qū)，向上邊噴漿邊提升鉆桿直至孔口。

6 檢測、監(jiān)測

6.1 檢測

施工完成后，通過載荷試驗、超重型動力觸探、鉆芯、混凝土試塊抗壓試驗，對1 267個加固點（其中1#樓加固點數(shù)量為1 102個，2#樓加固點數(shù)量為165個）進(jìn)行檢測，所測22個動力觸探孔在注漿加固處理深度范圍內(nèi)測試值N120=12～78 擊/10 cm，密實程度為密實—很密；鉆芯所測22個孔注漿加固處理深度范圍內(nèi)芯樣膠結(jié)較好，芯樣總體呈柱狀；鉆芯所取11組注漿加固處理深度范圍內(nèi)完整芯樣飽和單軸抗壓強(qiáng)度不低于2.50 MPa，所取9組注漿返出的完整水泥土芯樣飽和單軸抗壓強(qiáng)度不低于2.50 MPa，載荷試驗所測3個點地基承載力特征值不低于1 250 kPa，均滿足設(shè)計要求。

6.2 監(jiān)測

根據(jù)2020年3月《建筑物主體沉降監(jiān)測報告》，累計沉降量最小值在11.80～13.20 mm，累計沉降最大值在15.30～16.50 mm，各觀測點均勻沉降，累計沉降量滿足規(guī)范要求，未見異常，且與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。主體封頂后最大沉降速率小于穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)0.02 mm/d，沉降已基本穩(wěn)定。

7 結(jié)束語

本工程為超高層建筑，地基承載力要求較高，建筑物差異沉降變形敏感，常規(guī)的地基處理方式很難滿足工程需求。

通過方案比選，綜合采用換填+高壓旋噴注漿加固方式，地基加固設(shè)計因地制宜，首先根據(jù)軟弱下臥層的埋深進(jìn)行分區(qū)，采用深層加固結(jié)合淺層換填方式，后又在豎向上進(jìn)行分段，對軟弱下臥層段采用高壓旋噴注漿，非加固段采用普通注漿，既能有效地提高地基承載能力，同時控制了軟弱下臥層的變形沉降，滿足建筑使用要求。

換填+高壓噴射注漿加固方案，工藝成熟、施工設(shè)備簡單，可有效的縮短施工工期；同時，僅針對局部存在的軟弱下臥層進(jìn)行高壓旋噴注漿加固處理，最大限度利用原狀地基土的強(qiáng)度，減少了對地基土的擾動，大大減少混凝土使用以及現(xiàn)場鉆渣的排放，緩解了注漿漿液注入地下后對地下水資源的污染，達(dá)到節(jié)能減排的綜合效果，至少能節(jié)約整個加固工程造價的30%，符合當(dāng)今倡導(dǎo)的節(jié)材、環(huán)保、綠色施工理念。

通過室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了驗證，對正式施工具有良好的指導(dǎo)作用；施工后通過檢測和監(jiān)測結(jié)果反饋，承載力和變形滿足建筑設(shè)計要求。所積累的一整套加固設(shè)計及施工經(jīng)驗，既是對規(guī)范的驗證，也是對規(guī)范的豐富，對今后類似項目具有一定的指導(dǎo)意義。

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