擠密注漿加固建筑物砂土地基研究與應(yīng)用

屈艷妮，劉 斌，邢丁家

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，710001，西安）

一、背 景

對于坐落在松散砂層區(qū)建筑物的地基處理常規(guī)方法有振動法、振沖法、沙樁法、強夯法和強夯置換法等。對既成建筑物來說，在有限的施工空間內(nèi)施工，若需要重新對地基進行處理，一般不允許有振動、擾動以及破壞建筑物結(jié)構(gòu)安全的現(xiàn)象發(fā)生。常規(guī)地基處理方法施工時會產(chǎn)生振動及擾動原地基土且施工設(shè)備需要較大的施工空間，常規(guī)地基處理方法難以實現(xiàn)對既有建筑物地基加固的目的。

依靠擠壓效應(yīng)來加固土體，使土體孔隙體積減小，密實度增加，可有效提高地基承載力。由此提出擠密注漿加固地基的“改良”方法：當?shù)鼗鶐r性為松散砂土層時，使用特殊設(shè)備，通過注漿管將低坍落度黏土水泥漿液均勻注入地層中，漿液在壓力作用下形成局部高壓區(qū)，擠走土顆粒間的空氣和水分，漿液與原本松散的土粒膠結(jié)形成圓柱形均質(zhì)土體，以此壓縮強化周邊地基。

砂基上既成建筑物泄洪洞地基加固要求在盡量不改變軟性巖土性質(zhì)且保證結(jié)構(gòu)安全情況下，對砂土地基進行改良以提高承載力，控制基礎(chǔ)沉降變形，可采用擠密注漿方法實現(xiàn)。

二、現(xiàn)場試驗

1.試驗?zāi)康募耙?/h3>

（1）試驗?zāi)康?/p>

①確定符合設(shè)計強度、泵送要求的低坍落度灌注材料的配合比。

②確定地面累計抬動量小于200 μm時的注漿壓力、注漿量。

③確定擠密注漿的施工工藝。

（2）低坍落度黏土水泥基漿液材料性能要求

①漿液黏度低、可灌性好，能夠?qū)Ψ奂毶皩舆M行有效加固。

②漿料凝固時間可隨時調(diào)整控制，凝結(jié)時間可在幾分鐘至幾個小時之間調(diào)整。

③漿液固化時無收縮現(xiàn)象，固化后有一定黏結(jié)性，能牢固地與混凝土及砂層等黏結(jié)。

④漿液結(jié)石率高，結(jié)石體有一定的抗壓強度和抗拉強度，抗?jié)B性好。

⑤3天、7天抗壓強度分別大于5 MPa、10 MPa。

2.試驗原材料

擠密注漿主要原材料有碎石、砂、膨潤土、水泥、水以及外加劑。碎石應(yīng)堅硬、無風化，粒徑小于10 mm；砂應(yīng)經(jīng)10 mm篩網(wǎng)現(xiàn)場篩分；膨潤土為鈉基膨潤土；水泥為PO42.5硅酸鹽水泥；水為取用水庫水；外加劑對低坍落度混凝土起到減少水量、保持坍落度作用。

3.注漿材料配合比試驗

（1）高塑性砂漿

輸送灌注材料前，先輸送潤滑高塑性砂漿，該砂漿可以使初次泵送低坍落度黏土水泥基砂漿過程中不發(fā)生堵管現(xiàn)象，其配合比為：水泥∶砂∶膨潤土∶水=100∶300∶10～20∶70～80。

（2）低坍落度黏土水泥基砂漿

不同摻量配合比試驗所得的材料性能指標見表1。

表1不同摻量配比材料性能指標

（3）試驗結(jié)果分析

在膨潤土摻入少量或不加低坍落度的水泥、砂、細石、黏土漿(1～7號)，所得材料的抗壓強度較高，但材料的結(jié)石體存在一定的收縮，坍落度穩(wěn)定性較差。采用具有一定塑性的5號配比灌漿，材料在灌漿壓力作用下失水，易堵塞管路，因此不適合注漿。采用8、9號配比注漿，也出現(xiàn)堵管的問題。在試驗中，主要采用10號與11號配比進行注漿。經(jīng)過現(xiàn)場試驗，11號配比的可操作性優(yōu)于10號配比，在施工試驗中，不會發(fā)生堵管現(xiàn)象，且水泥相對含量較多，級配合理，因此在生產(chǎn)試驗的注漿過程中，采用11號配比進行注漿，測得3天抽芯抗壓強度大于5.0 MPa，7天的抽芯抗壓強度大于10.0 MPa，滿足要求。

4.注漿工藝

（1）以注漿量為控制條件的試驗

以注漿量為控制條件的試驗中，以0.3 m作為注漿段長，主要試驗了0.06 m3/段、0.09 m3/段、0.12 m3/段、0.16 m3/段的注漿量，分別對應(yīng)成樁直徑500 mm、600 mm、700 mm、800 mm。 在1～4 MPa壓力條件下，通過改變每段的注漿量，可以形成不同直徑的樁。在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)每段注漿量越多，對地面的抬動影響越大。

（2）以壓力為控制條件的試驗

試驗要求控制抬動量不超過200 μm。在注漿過程中，注漿壓力是影響注漿效果的主要因素。試驗按孔距1.6 m×2 m、樁長8 m對樁徑600 mm（1號孔）以及樁徑 700 mm（2、3 號孔）分別按 0.06 m3/段、0.12 m3/段定量注漿。抬動量—深度關(guān)系曲線見圖1。根據(jù)注漿壓力、抬動量觀測統(tǒng)計結(jié)果與圖1可知，相同的注漿深度，注漿樁直徑越大，需要的注漿量和注漿壓力越大，引起地面抬動量越大；反之注漿樁直徑、注漿量、注漿壓力越小，引起地面抬動量越小。試驗中距地面4 m開始出現(xiàn)抬動和裂縫。

試驗分析結(jié)論：為了控制地面抬動量不超過200 μm，注漿時在距地面約4 m時控制注漿壓力不超過2 MPa，同時控制注漿量約按 0.06 m3/段進行，實現(xiàn)注漿樁直徑可達600 mm。

5.施工工藝

（1）工藝流程

鉆孔→下注漿管→拌制低坍落度黏土水泥基砂漿→安裝管路及拔管裝置→送漿→擠密注漿 （抬動觀測）→提升注漿管→注入→重復(fù)提升、注入→注漿結(jié)束。

（2）施工工藝

①使用直徑75 mm金剛石鉆頭在混凝土表面鉆孔。

②鉆孔深度8 m，打入直徑50 mm的帶有犧牲鉆頭的鋼管，然后在注漿孔中安裝注漿管，使用小型混凝土泵沖開注漿孔，從最低點開始注漿。

③開始注漿時，注漿壓力可采用3～4 MPa，當注漿壓力降到 0.6～2 MPa后，持續(xù)注漿3～5 min后結(jié)束，開始對下一個孔注漿。

④密封注漿孔，密封材料應(yīng)與原混凝土粘結(jié)成一整體，其強度不小于C30。

⑤水灰比越大,黏土水泥基砂漿的坍落度和滲透性越大，凝結(jié)時間越長，強度越低，故滿足施工要求的前提下應(yīng)盡量減少用水。

6.開挖檢測

施工完成后檢測樁身的完整性。結(jié)果顯示，樁身連續(xù)、完整，鉆取芯樣獲得率達86.3%，滿足工程要求。

7.試驗結(jié)論

①通過試驗證明，砂基內(nèi)注入低坍落度的黏土水泥基砂漿，其注漿量會影響建筑物基礎(chǔ)的變形，基礎(chǔ)會抬動。為控制抬動對建筑物的影響，施工時應(yīng)嚴格進行觀測，確保抬動不超過200 μm；要求在離建筑物基礎(chǔ)面4 m時控制注漿樁量不超過0.06 m3/段（0.3 m），控制注漿壓力不超過2 MPa，形成直徑600 mm左右連續(xù)、完整樁體。

②通過與原狀砂樣對比測試、標準貫入實驗、鉆孔取芯等多種方法試驗，結(jié)果表明，擠密漿能起到對建筑物基礎(chǔ)擠壓密實作用，砂基相對密度能達到0.75的設(shè)計標準。

③樁身抗壓強度滿足要求。

三、工程應(yīng)用實例

1.工程地質(zhì)條件

陜北某水庫工程庫區(qū)，兩岸為寬闊的沙漠地貌，高出河床70～120 m。大壩為碾壓式砂壩，高33.8 m，壩總長668 m，沿大壩建基面右岸埋設(shè)的泄洪洞長167 m，泄洪洞地基砂層厚度約30 m，其中第一層2～3 m為細砂，結(jié)構(gòu)松散，承載力120 kPa；第二層為細砂，結(jié)構(gòu)稍密，厚度 4.5～10.5 m，承載力160 kPa；第三層為沖積(Q41al)細砂，厚度 4.5～11.0 m，承載力 180 kPa；第四層為細砂，厚度 14～18.6 m，密實，承載力220 kPa；下伏砂泥巖互層，承載力520 kPa。

圖1抬動量—深度關(guān)系曲線圖

2.存在問題

工程運行初期發(fā)現(xiàn)泄洪洞底部和側(cè)墻外存在較多疏松區(qū)域、伸縮縫處漏水及漏水帶沙、洞壁出現(xiàn)環(huán)向裂縫等問題，泄洪洞與進水塔之間出現(xiàn)不均勻沉降，沉降量約20 mm，壩軸線下游5.77 m處最大沉降量達到160 mm。

3.洞基擠密注漿設(shè)計

為在不改變泄洪洞軟性巖土性質(zhì)且保證其結(jié)構(gòu)安全的前提下，對其砂基進行改良，提高地基承載力，控制基礎(chǔ)沉降變形，采用擠密注漿加固泄洪洞地基。處理后洞基砂層的相對密實度不小于0.75，注漿樁7天的抗壓強度不小于10 MPa。

泄洪洞寬×高=2.8×4.2 m，每段洞底分兩排布置10個孔，橫向孔間距1.6 m，距兩側(cè)壁0.6 m；縱向孔間距2 m均布，洞基礎(chǔ)處理深8 m。見圖2。

圖2 注漿樁示意圖

4.施工要點

①要求灌注的低坍落度黏土水泥基漿液在注漿時由地基底自下而上形成球節(jié)狀圓柱體樁體，形成復(fù)合地基。

②施工時對防滲黏土層和土工膜不能造成擾動或擾動很小，對洞身結(jié)構(gòu)、鋼筋不能造成次生損害或破壞。

③在放水塔塔頂設(shè)一激光監(jiān)測儀進行觀測，確保洞體、放水塔等建筑物在施工中的安全。

④采用生產(chǎn)試驗施工工藝，注漿壓力在0.6～2 MPa之間，注漿量0.06 m3/段(0.3 m)，孔深距地面 4 m 時，可控制抬動量不超過200 μm，成樁直徑約600 mm左右。

⑤泵送速度6～8次/min。

⑥施工擠密注漿樁時，應(yīng)分序、分排施工。

⑦施工完成后，采用物探方法檢測基礎(chǔ)的均勻性，在兩孔中間鉆孔取樣檢測相對密實度不小于0.75，確?；A(chǔ)砂層密實。

5.施工后檢測

（1）砂樣干密度

對擠密注漿樁試驗前后砂樣進行了干密度的檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 擠密注漿樁施工前后砂樣相對密度

（2）樁身強度檢測

擠密灌注樁完成7天后，選取部分芯樣進行室內(nèi)抗壓強度試驗，以檢測其樁身強度。結(jié)果顯示，所抽取的3組芯樣抗壓強度均大于10 MPa，樁身強度滿足設(shè)計要求。

四、結(jié) 語

擠密注漿方法可以加固建筑物砂性地基土，并可保證地基內(nèi)形成有效的擠密注漿樁，不會對原地基土形成大的擾動，同時提高地基內(nèi)砂層的承載力，解決了基礎(chǔ)沉降問題。通過工程實例證明該方法對處理砂土地基安全有效，為既有建筑物砂土地基處理提供一定的借鑒作用。