灌漿技術(shù)在地基加固處理中的應(yīng)用

王志杰 閆繼業(yè) 朱殿明

1.中冶地勘巖土工程有限責(zé)任公司;2.張家口市鴻澤排水有限公司

0 前 言

近年全國各地的建設(shè)項目規(guī)模龐大,由于地基問題,引發(fā)既有建筑物裂縫、傾斜的事故屢見不鮮.究其宏觀原因,一方面是客觀的自然地質(zhì)條件的復(fù)雜性、多樣性和局限性的影響,另一方面是設(shè)計、施工考慮不周或處理欠妥所致.目前,納入國家地基處理規(guī)范的成熟方法有近20種,但是能有效解決既有建筑物地基問題的加固方法并不多.在對既有建筑物(構(gòu)筑物)加固,危房糾偏,基坑支護,滑坡整治,隧道塌陷,大壩斷層等加固處理的長期實踐中,由于灌漿法具有適用范圍廣,設(shè)備專業(yè)化程度高,而且快速有效,造價較低的特點,灌漿法被同行們普遍看好并得到廣泛應(yīng)用.本文結(jié)合我公司應(yīng)用灌漿法成功加固既有建筑物的人工填土地基和濕陷性黃土地基案例,進行如下總結(jié)和探討.

1 灌漿技術(shù)加固人工填土機理探討

灌漿技術(shù)是通過灌漿泵,灌漿管和灌漿嘴,在一定壓力下將事先配置好的漿液(化學(xué)或物理)灌到所要加固的地基或預(yù)定位置,注入的漿液和土體直接發(fā)生一系列化學(xué)或物理方面的填充、膠結(jié)、固化作用,使地基土得以穩(wěn)定、沉降得到有效控制.灌漿形式和漿液材料可以多種多樣,應(yīng)根據(jù)加固目的,被加固的地基土性等條件確定,有單管灌入也有雙管灌入形式,有單液也有雙液或三液以上的漿液材料.目前常采用水泥漿單液注漿法,或在水泥漿液基礎(chǔ)上,添加如水玻璃、減水劑、早強劑等外加劑的雙液注漿法.其中,水泥和水玻璃漿液性能穩(wěn)定,膠結(jié)效果好,價格較低,材料容易取得,且無污染,是處理軟弱地基土理想的雙液型灌漿材料,因此被廣泛采用.

水玻璃模數(shù)一般選擇2.5～3.3之間,使用時應(yīng)用水稀釋至13～15 Be之間,太稀時,凝固時間長,處理過程產(chǎn)生的附加沉降大;太濃時,水玻璃材料消耗多,可灌性差,結(jié)石強度低.

對于由粉土、粘性土等組成的不同回填土,分層夯實質(zhì)量差異明顯,隨機性很大,水平方向和垂直方向的物理力學(xué)性質(zhì)不同,層面與層內(nèi)相比,漿液更容易從層面注入.

灌漿施工時,由于灌漿管(花管)在管側(cè)面設(shè)置多個噴漿出口,形成垂直地層的豎向壓力小,土體豎向不易在壓力下被劈裂;水平向的壓力大,漿液在克服地層的初始壓力和抗剪強度的同時,使土體首先沿水平向產(chǎn)生“液壓開裂”,破壞土體原有結(jié)構(gòu).對于人工分薄層壓實的填土地基而言,層面間更是很好的漿液通道,隨著壓力下的漿液(主要為水平向)對土層的連續(xù)擾動和壓縮,使土體排氣脫水,土粒移動,重新排列,并產(chǎn)生向上傳遞的輻射應(yīng)力,正確誘導(dǎo)這股地應(yīng)力,可使地基土局部膨脹,下沉部位回升,糾正建筑物的不均勻沉降.

2 灌漿技術(shù)在回填土地基處理中的應(yīng)用實例

張家口市郵政局陵園南路住宅樓15～18單元地基加固工程

2.1 工程概況

該住宅樓東西走向,長63.20 m,寬11.90 m,為4單元住宅樓,設(shè)計地上7層,地下1層,建筑面積約6176 m2.該建筑采用磚混結(jié)構(gòu),混凝土條形基礎(chǔ).室內(nèi)設(shè)計地面的±0.000為絕對標高804.64 m,基底為-4.75 m.于1997年竣工并交付使用.從交付使用至2004年底間該建筑使用正常,在2005年3月南北外墻及室內(nèi)多處墻體突然產(chǎn)生裂縫,縫寬0.5～3 mm,北外縱墻下4～5軸間基礎(chǔ)出現(xiàn)橫向裂縫,寬度1 mm.經(jīng)觀測,裂縫仍呈持續(xù)發(fā)展事態(tài).

2.2 事故原因分析

根據(jù)鑒定報告和《關(guān)于市郵政局(陵園路)住宅樓墻體裂縫的情況說明》,建議對該樓進行整體加固. 2005年8月,我分公司應(yīng)張家口市郵電局的委托,對該樓進行了補充勘察.根據(jù)補勘結(jié)果并結(jié)合已有的相關(guān)資料分析,樓房墻體產(chǎn)生裂縫的原因歸納為以下幾點:

(1)原地基碎石層層面坡度較大,呈東高西低狀,特別是中西部最低,基槽開挖后將中部及西部雜填土挖除,用東部碎石回填至中西部,這樣在基坑范圍平面內(nèi)形成人工地基和天然地基并存的現(xiàn)象,因人工地基與天然地基在密度方面存在差異,導(dǎo)致基底下主要受力層不均勻.

(2)在基槽開挖時,中部局部雜填土未能全部挖除,留有約厚0.70～0.85 m,形成局部軟弱下臥層,造成地基的局部不均勻.

(3)基底下三七灰土墊層厚度不均,灰、土拌和不勻,壓實系數(shù)不高,未起到調(diào)整下伏碎石層不均勻和避水的目的.

(4)在基底下5.00 m(主要受力層內(nèi))深度內(nèi),中西部分布有0.90～1.20 m厚濕陷性粉土,壓縮性高,承載力遠低于同標高碎石層,造成地基的不均勻.

(5)由于長期草坪大量澆灌用水和降水滲入的外部因素作用,通過基底上、墻體外未壓密回填層滲入地基,這種滲水具有不定量、不定向、范圍不定的無規(guī)律性,且具長期性,可導(dǎo)致土層含水量增高,濕陷變形,最終導(dǎo)致建筑物沉降開裂.

從上述五點可看出造成地基不均勻沉降、墻體開裂的主要原因,之所以交付使用9年后才發(fā)生墻體開裂,是因為9年來地基變形一直處于量變過程,未達到造成結(jié)構(gòu)體破壞所需能量,突然發(fā)生墻體開裂是量變到質(zhì)變的結(jié)果.

3 基礎(chǔ)加固方案設(shè)計

根據(jù)本建筑地質(zhì)情況及墻體裂縫原因,經(jīng)反復(fù)論證,決定采用雙液注漿法,其加固機理和技術(shù)方案如下:

針對本場地存在灰土墊層,碎石層和角礫層及濕陷性土層的情況,設(shè)計采用水泥-硅酸納作為注漿材料,其加固機理為:在較大壓力作用下,將水泥漿壓入或擠入回填土的裂隙和空隙中,一方面排除土層部分空隙中的水分,另一方面將土層中大于0.20 mm以上的空隙進行有效的充填,從而達到膠結(jié)固化和充填地基土的作用;硅酸納(水玻璃)漿液注入土層后,促使土的顆粒表面相互溶合膠結(jié),并在土中鈣、鎂離子的化學(xué)反應(yīng)作用下,使這種膠結(jié)得以固化,從而增強土的結(jié)構(gòu)強度,降低土的壓縮性,消除土的濕陷性;水泥-水玻璃漿液相互作用,大大縮短初凝時間,最大限度減小其加固施工過程中產(chǎn)生的附加沉降.

(1)漿液比和注漿壓力.本次施工水泥采用的是張家口宣化黃羊山水泥有限公司生產(chǎn)的PO·32.5普通硅酸鹽水泥,水泥漿液按灰水質(zhì)量比1∶0.8的比例進行攪拌,漿液比重控制在1.6～1.7,攪拌均勻后,通過壓力泵經(jīng)導(dǎo)管注入孔內(nèi),注漿壓力控制在0.80～1.20 MPa;水玻璃原液濃度,Be=40～42,相對體積質(zhì)量1.39,依據(jù)規(guī)范及本次設(shè)計要求,將硅酸納原液按1∶2(體積比)用水進行稀釋成相對體積質(zhì)量為1.14～1.15的漿液,并用專用比重計進行控制.

(2)鉆孔的布置及工作量.根據(jù)漿液的有效擴散半徑及建筑場地的客觀施工條件,本工程在15-18單元的室內(nèi)、室外均設(shè)計了鉆孔,總數(shù)為484個,鉆孔深度5～8 m,孔間距1.50～2.00 m,斜孔鉆進角度10～15°,以保證最大程度地對基礎(chǔ)下的地基土進行加固,總工作量為2960.4 m.

(3)施工順序及方法.本次施工采用隔孔注漿方法,先打外排孔后打內(nèi)排孔,先打室外孔后打室內(nèi)孔,以控制瞬間附加沉降量.

(4)施工工藝流程.按設(shè)計點位放孔→鉆機就位→成孔→下入注漿管→注漿前封孔→漿液攪拌→注漿→注漿完畢停泵→起拔注漿管→注漿后封孔.

4 施工中異常情況處理及注意事項

(1)異常情況及處理措施.當注雙液漿壓力突然升高時,應(yīng)先分析管路是否堵塞,并停止注漿.若確定為管路堵塞,則用木棒或鐵錘敲打以疏通注漿管,確實無法疏通時,則需要換管;若不是管路堵塞,則關(guān)掉水玻璃漿,往導(dǎo)管中注入少量清水,待泵壓正常時,再進行雙液注漿.施工過程中,漿液從其他孔位向外流出,這種現(xiàn)象叫竄漿,而且經(jīng)常發(fā)生,當發(fā)生竄漿時應(yīng)停止注漿,待漿液初凝后繼續(xù)注漿,達到設(shè)計壓力或注漿量后,停止注漿.

(2)地下管溝的保護.應(yīng)事先調(diào)查清楚地下管溝位置及深度,注漿施工時首先在探明的管溝外側(cè)灌注一道水泥土防護帷幕(或稱屏蔽層),然后實施注漿.注漿過程中,一旦發(fā)現(xiàn)對地坪面或地下管溝產(chǎn)生破壞性影響時,應(yīng)立即停止施工.等待數(shù)十分鐘后,再次在原孔實施灌注并達到規(guī)定的壓力.總之,做好環(huán)境保護,及時監(jiān)測,對地面的上抬觀測值宜控制在10 mm左右.

5 結(jié) 語

通過此項工程的實踐,我們在以下幾方面取得了成果和經(jīng)驗:

(1)合理的設(shè)計方案,正確的施工方法,有效地克服了壓力注漿時給建筑物本身帶來的新的附加沉降問題,在施工過程中和施工后,未見已有裂縫有擴大的現(xiàn)象.

(2)在后期施工的鉆孔中,3∶7灰土墊層頂、底面處,全部發(fā)現(xiàn)有3-15 mm厚的水泥層,并在層間發(fā)現(xiàn)有2-3條細薄層狀水泥脈.在場地碎石層和角礫層中,大部分鉆孔發(fā)現(xiàn)10-100 mm直徑的團狀水泥膠結(jié)體和少量的細薄層水泥脈.在黃土狀粉土的中下部,可見水泥脈完全充填在原垂直裂隙中.

(3)施工結(jié)束28天后,通過3個驗證孔的標準貫入試驗及圓錐動力觸探試驗,地基土密實度明顯得到提高,達到加固預(yù)期效果.

(4)該地基加固竣工使用已兩年多,經(jīng)沉降觀測,地基變形穩(wěn)定,未發(fā)生新的沉降,證明該方法的應(yīng)用是成功的,值得推廣.

[1]曾國熙主編.地基處理手冊.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998

[2]建筑地基處理技術(shù)規(guī)范.JGJ79-2002

[3]閆明禮主編.地基處理手冊.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998

[4]陳希哲主編.土力學(xué)地基基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社,2004