注漿加固處理軟土地基的試驗研究

張長生，陶連金，強小俊，胡榮華，3

(1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022;2.中國鐵道科學(xué)研究院 深圳研究設(shè)計院，廣東 深圳 518034;3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450015)

深港西部通道側(cè)接線與后海濱路交匯處，規(guī)劃的深圳地鐵二號線自側(cè)接線下方通過［1］。按地鐵公司的要求，必須對地鐵隧道穿越地層進(jìn)行注漿加固，否則，地鐵隧道的開挖施工將會擾動軟弱地層，影響到西部通道側(cè)接線的安全［2］。西部通道側(cè)接線沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，設(shè)計還考慮在沿線厚度較小的淤泥質(zhì)亞黏土層及地基形式不同區(qū)域的過渡段，采用注漿工法處理［2-3］。由于針對處理加固的軟弱地層的對象不同，注漿工法和施工參數(shù)不同，設(shè)計方案確定之前，有必要進(jìn)行測接線工程現(xiàn)場原位注漿試驗，驗證注漿處理方法的工程有效性，探索總結(jié)施工工藝和合理的施工參數(shù)。

1 工程概況

1.1 場地現(xiàn)狀

根據(jù)地質(zhì)鉆探揭露，試驗場地地質(zhì)條件如下［4］:

1)人工填土層。層厚約5.0 m，新近填土，成份較雜，不作為本次注漿加固的對象。

2)淤泥層。層厚約4.0 m，飽和流塑狀態(tài)，屬于高壓縮性、低強度的超軟弱土，在側(cè)接線工程中主要考慮換填，但對該土層的注漿加固效果的試驗也會有利于多方案的比選，所以也作為本次注漿加固處理的對象之一。

3)礫砂層(沖洪積成因)。層厚約2.8 m，松散～中密狀態(tài)，不均勻含有有機質(zhì)，也作為注漿加固的對象。

4)淤泥質(zhì)亞黏土層(泥沼相成因)。層厚約4.5 m，飽和，可塑～軟塑狀態(tài)，含有炭化木，有機質(zhì)含量較高(約8%)，該土層為本次重點加固的軟弱地層。

5)淤泥混礫砂層(含有機質(zhì))。層厚約2.0 m，松散～中密狀態(tài)，亦為本次試驗重點加固的對象之一。

1.2 場地處理要求

該處試驗位置鄰近后海濱路和側(cè)接線交接處，同時有淤泥、淤泥質(zhì)土、含淤泥混礫砂等軟弱地層。

根據(jù)設(shè)計提供的現(xiàn)場試驗技術(shù)要求，現(xiàn)場注漿試驗的具體要求可以歸納如下:

1)確定合理的注漿工法，包括注漿配方、工藝和注漿參數(shù)。

2)通過現(xiàn)場原位試驗驗證注漿處理的工程效果。

3)驗證注漿是否受淤泥質(zhì)黏土中有機質(zhì)含量的影響。

2 注漿工法的選擇

根據(jù)擬加固軟弱地層的工程性質(zhì)，結(jié)合設(shè)計的要求，推薦采用分層袖閥式劈裂注漿工法加固淤泥、淤泥質(zhì)亞黏土層和淤泥質(zhì)砂礫層。

分層袖閥式劈裂注漿工法為國家級工法，適用于各類砂土、淤泥質(zhì)黏土和一般填土層［5］。經(jīng)注漿處理后的地層配合盾構(gòu)和頂管推進(jìn)，可以有效控制地面沉降，該工法也可以充填注漿和用于建筑物的基礎(chǔ)加固。

袖閥式劈裂注漿法是在地面上開孔放置袖閥管，利用袖閥管多次注漿工藝，使水泥漿在淤泥、淤泥質(zhì)土層中劈裂、擠壓和滲透形成柱狀、片狀和樹根狀的水泥注漿固結(jié)體，同時在注漿過程中軟弱地層受到水泥漿液的壓密并產(chǎn)生一定水化反應(yīng)，土質(zhì)得到改善。水泥注漿固結(jié)體與原狀土體混在一起形成復(fù)合地基，從而改善了土層的強度和壓縮性，達(dá)到加固和改良軟弱土層的目的。

該工法對于深港西部通道側(cè)接線的地基加固工程而言有以下特點:

1)可以適用于不同的擬加固地層，如淤泥質(zhì)亞黏土層、含有機質(zhì)礫砂層、淤泥層等。

2)施工機具小，可以用于狹窄的場地。

3)分層注漿可以實現(xiàn)不同層位的注漿，按土層的不同和加固要求的不同區(qū)別對待，而且可以實現(xiàn)多次注漿。

3 注漿試驗

3.1 注漿加固技術(shù)要求

根據(jù)設(shè)計的要求，擬定注漿加固的技術(shù)要求如下:

1)淤泥層注漿28 d之后，平均標(biāo)貫擊數(shù) ＞3擊，靜力觸探端阻力增大50%以上，換算承載力標(biāo)準(zhǔn)值＞150 kPa。

2)淤泥質(zhì)亞黏土注漿28 d之后，平均標(biāo)貫擊數(shù)＞5擊，靜力觸探端阻力增大50%以上，換算承載力標(biāo)準(zhǔn)值 ＞150 kPa。

3)淤泥混礫砂層注漿28 d之后，平均標(biāo)貫擊數(shù)＞10擊，換算承載力標(biāo)準(zhǔn)值＞200 kPa。

3.2 試驗注漿布孔設(shè)計

1)注漿孔正方形布置，間距1.5 m×1.5 m;

2)注漿孔深度初步定為 19.0 m，高程 3.0～-16.0 m;

3)有效注漿長度15.0 m，高程-1.0～-16.0 m;4)共布置注漿孔12個。

3.3 注漿工藝與參數(shù)

根據(jù)試驗場地的地質(zhì)條件以及設(shè)計要求，初步確定注漿工藝與參數(shù)如下:

1)注漿鉆孔直徑110 mm，垂直度偏差＜1%。

2)注漿管采用硬質(zhì)塑料管，管外徑50 mm，承壓＞3.0 MPa。

3)注漿管上出漿孔間距330 mm，孔徑5 mm，袖閥為膠套管，覆蓋出漿口。

4)按每米注漿加固長度控制注漿量，12個試驗注漿孔分為兩組，每組6孔，第一組，注漿量按水泥用量150 kg/m控制;第二組，水泥用量200 kg/m。

5)注漿分次進(jìn)行，第一組，注漿3次，第二組注漿4次，每次間隔時間≥24 h。

6)注漿水泥用42.5R普通硅酸鹽水泥。

7)注漿水灰比應(yīng)按注漿的次序有所調(diào)整，依次增大水灰比，控制范圍為1.00～0.45。

8)為增加可灌性和加快試驗進(jìn)度，在注漿中可加入水泥用量0.3%的FDN-5復(fù)合型外加劑。

3.4 注漿工藝流程

根據(jù)現(xiàn)場試驗場地的情況，注漿初步按以下工藝流程實施:

1)根據(jù)要求鉆孔到位，必要的情況采用套管跟進(jìn)鉆進(jìn)。

2)通過鉆桿向鉆孔內(nèi)注入封殼料。

3)插入塑料袖閥管。

4)封殼料凝固之后，自下而上分段注漿，注漿采用雙向密封注漿芯管，分段長度與袖閥管間距相適應(yīng)。

5)分段注漿完成之后，用清水清洗注漿管，以備下次注漿使用。

6)重復(fù)注漿，達(dá)到設(shè)計注漿水泥用量。

3.5 試驗注漿工期

試驗注漿于2004年4月10日進(jìn)場，4月18日注漿工作結(jié)束，5月12日完成各種規(guī)定的測試工作后撤場，共歷時24 d。

注漿施工和原位測試檢驗的時間分別為:

場地準(zhǔn)備及靜力觸探和標(biāo)貫試驗:2004年4月11日。

注漿孔開鉆時間:2004年4月11日—4月12日。

注漿時間:2004年4月12日—4月19日。

靜力觸探和標(biāo)貫檢測試驗:2004年5月11日—5月12日。

4 注漿工藝與參數(shù)的確定

4.1 注漿工藝流程

根據(jù)試驗確定的實際注漿施工工藝流程為:

放點→鉆孔→清孔→下封殼料→下袖閥管→拔套管→補足封殼料→24 h后開始第一遍注漿→第二遍注漿→…→第四遍注漿。

4.2 實際注漿參數(shù)

根據(jù)試驗確定的合理的注漿參數(shù)如下:

1)封殼料配方

水泥和膨潤土比1∶1，水灰比0.6。

2)水泥

水泥品種宜采用42.5R普通硅酸鹽水泥。

3)注漿施工參數(shù)

①注漿次數(shù)，根據(jù)本場地地質(zhì)條件，注漿次數(shù)為4次;②注漿液水灰比，通過試驗確定第一次與第二次的注漿水灰比為1∶1，第三次與第四次的注漿水灰比為0.75∶1;③ 注漿壓力，第一次為0.1 MPa。

根據(jù)試驗確定的不同注漿次序、注漿液配方及注漿壓力，如表1所示。

表1 注漿水灰比及注漿壓力

5 試驗注漿的檢測結(jié)果與分析

試驗段完成注漿28 d之后，進(jìn)行現(xiàn)場鉆孔取樣、靜力觸探和標(biāo)貫等原位試驗。共進(jìn)行了4孔58組標(biāo)貫試驗，4孔靜力觸探試驗，2個取樣孔。標(biāo)貫試驗結(jié)果見表2。有關(guān)取樣觀察和標(biāo)貫試驗、靜力觸探試驗的結(jié)果分析如下。

5.1 取樣觀察和土工試驗

在注漿加固土層所取出的試樣有明顯的脈狀、片狀水泥漿固結(jié)體，但該種固結(jié)體分布不均勻。由于注漿之后所取出的土樣具不均勻性，試驗室關(guān)于土樣的含水量試驗指標(biāo)、強度指標(biāo)等不具代表性，不具備統(tǒng)計規(guī)律。

5.2 標(biāo)貫試驗

要求的標(biāo)貫試驗頻率為在注漿加固的地層1次/m。

從試驗結(jié)果可以看出，注漿處理28 d之后，淤泥、淤泥質(zhì)亞黏土和淤泥混礫砂等地層的標(biāo)貫原位測試指標(biāo)有較大幅度的增加，其中淤泥質(zhì)亞黏土和淤泥混礫砂層標(biāo)貫擊數(shù)增大顯著。礫砂層注漿前后標(biāo)貫擊數(shù)變化不顯著。

比照有關(guān)規(guī)范，對應(yīng)黏性土、砂土的指標(biāo)，可以對注漿前后不同土層的地基承載力作大致的對比。比較結(jié)果如表3所示。

5.3 靜力觸探試驗

靜力觸探試驗在注漿之前做了2孔，注漿之后做了4孔，其中試驗前后各有一個觸探孔遇到障礙未能取得有效數(shù)值。靜力觸探試驗和數(shù)據(jù)的處理參照了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。靜力觸探的布點參見平面圖(略)。注漿加固前后不同土層的靜力觸探端阻力的平均值統(tǒng)計于表4。

靜力觸探試驗的結(jié)果表明，注漿處理前后地基的靜力觸探平均端阻力有明顯的提高，但是靜力觸探反映的阻力曲線具有不規(guī)則性。在實際可操作性方面不如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗。

表2 標(biāo)貫試驗結(jié)果

表3 不同地層加固前后的承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk對比

表4 靜力觸探試驗平均端阻力值 MPa

根據(jù)上述試驗結(jié)果可以看出，經(jīng)過注漿處理之后，各土層的原位測試指標(biāo)均有所提高，其中標(biāo)貫試驗的擊數(shù)增大明顯，而且現(xiàn)場試驗具有較好的可操作性。標(biāo)貫試驗可以作為注漿加固工程效果的質(zhì)量檢驗方法。比照有關(guān)規(guī)范，對應(yīng)黏性土、砂土的指標(biāo)，可以對注漿前后不同土層的地基承載力作大致的對比。比較結(jié)果如表5所示。

壓縮模量，建議按經(jīng)驗公式計算

由于經(jīng)過注漿處理之后地層有脈狀、片狀的水泥注漿固結(jié)體，標(biāo)貫試驗紀(jì)錄的標(biāo)貫擊數(shù)有較大的離散性。根據(jù)本次試驗的結(jié)果，評價注漿加固的工程效果宜采用平均值和最小值結(jié)合考慮的評價方法。具體注漿質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)建議如表6所示。

表5 不同地層加固前后的承載力fk對比

表6 注漿加固質(zhì)量檢驗指標(biāo)推薦值 擊

6 注漿加固的質(zhì)量檢測方法和指標(biāo)

由于經(jīng)過注漿處理之后地層中有脈狀、片狀的水泥注漿固結(jié)體，鉆孔取樣之后土樣具有不均勻性，所以用鉆探取樣并進(jìn)行室內(nèi)化驗的方法評價并檢驗注漿加固效果的方法不合理［6-7］。靜力觸探試驗對于軟土且較均勻的地層，具有檢測靈敏度較高，數(shù)據(jù)連續(xù)等特點，但是本試驗段靜力觸探的試驗結(jié)果表明，同樣由于注漿固結(jié)體在土層中以脈狀和片狀不均勻分布，靜力觸探的阻力曲線波動顯著，較難用于綜合分析軟弱地層加固后的性質(zhì)。相對而言，對于不同地層，加固前后標(biāo)貫試驗紀(jì)錄的標(biāo)貫擊數(shù)的平均數(shù)值較為穩(wěn)定，能夠?qū)Ρ溶浫醯貙蛹庸糖昂蟮墓こ绦再|(zhì)。所以建議在工程實際中采用試驗前后標(biāo)貫試驗測定的標(biāo)貫擊數(shù)評價注漿加固的工程效果以及施工質(zhì)量。

根據(jù)本次試驗的結(jié)果，評價注漿加固的工程效果宜采用平均值和最小值結(jié)合考慮的評價方法。

7 結(jié)論

總結(jié)試驗段注漿施工和檢測試驗結(jié)果，認(rèn)為注漿試驗段達(dá)到了設(shè)計目的，主要結(jié)論有:

1)采用劈裂注漿法可以有效加固深港西部通道側(cè)接線擬建場地的淤泥層、淤泥質(zhì)亞黏土層和淤泥質(zhì)礫砂層，未見淤泥質(zhì)亞黏土層的有機質(zhì)含量對注漿效果有不利的影響。

2)可以根據(jù)原位測試的結(jié)果，通過有關(guān)規(guī)范和手冊對照類似土質(zhì)，取用注漿加固后地層的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值指標(biāo)，以及壓縮模量計算經(jīng)驗公式。

3)經(jīng)過試驗對比，不同的水泥用量，加固的效果略有差別，但原位測試的結(jié)果表明差別不是很大，對于本工程推薦采用150 kg/m注漿水泥用量，即可滿足設(shè)計要求。

4)劈裂注漿應(yīng)分層、分次進(jìn)行，根據(jù)試驗結(jié)果，分三次注漿比較合適，每次注漿間隔時間不小于24 h。

5)建議注漿施工采用以下參數(shù)(見表7)。

表7 建議的注漿施工參數(shù)

6)建議采用鉆機取樣及標(biāo)貫試驗的方法，檢驗注漿加固工程效果和施工質(zhì)量。在標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗鉆機鉆孔的過程中取土樣觀察檢驗注漿加固后土層中的漿液分布情況和固結(jié)體的外觀強度等。量化質(zhì)量檢驗方法主要采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法，質(zhì)量檢測指標(biāo)見表5。

7)注漿施工過程中的施工質(zhì)量檢驗方法還應(yīng)包括水泥檢驗、水泥漿液配方檢驗和水泥漿試塊的抗壓試驗等。

8)要求施工中記錄注漿施工的主要工藝參數(shù)和施工時間等重要數(shù)據(jù)。

9)本文采取的試驗方法正確合理，所得結(jié)論對深圳地區(qū)類似工程的設(shè)計施工有借鑒意義。

［1］劉國楠.深港西部通道深圳側(cè)接線工程—深基坑的設(shè)計、施工技術(shù)和安全性評價研究［R］.深圳:中國鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計院，2008.

［2］中交規(guī)劃公路規(guī)劃設(shè)計院，深圳市城市規(guī)劃設(shè)計研究院.深港西部通道可行性研究報告［R］.深圳:深圳市深港西部通道工程建設(shè)辦公室，2001.

［3］香港路政署.深圳西部通道勘察及策劃［R］.香港:香港路政署，2002.

［4］深圳市勘察研究院有限公司.深圳西部通道巖土工程詳細(xì)勘察報告［R］.深圳:深圳市勘察研究院有限公司，2005.

［5］蔡希杰，李世忠.袖閥式劈裂注漿在深港西部通道工程中的應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)與應(yīng)用，2007(5):33-34.

［6］鄭偉鋒，王明羿，鄭先昌，等.靜力觸探在南廣高速鐵道工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2009(4):82-84.

［7］童建軍，張強鋒.原位測試技術(shù)在地基處理效果檢測中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2006(4):46-48.