特殊巖土地層注漿加固技術(shù)研究

高 清 海

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快推進，地基處理技術(shù)也有了極大的提高。由于海相沉積，湖相沉積等形成的地層含有腐殖質(zhì)，有機質(zhì)等成分較多，地層厚度大，且具有粘聚力差，不易固結(jié)等特點，在此地基上修建建筑物，需要對地基進行加固，以減少地基的沉降，增加地基土的摩擦力和承載能力，因此，對于松散軟弱地基土的加固技術(shù)研究成為了目前地基處理的一個重要方面。采用注漿技術(shù)加固地層有著廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在地下工程的開挖、松散軟弱地基加固等方面經(jīng)常采用。由于海相沉積的第四系地層的特殊性，采取注漿方式在一定范圍內(nèi)進行地基加固，是一種比較適合的地基處理措施，但經(jīng)驗比較欠缺。另外，注漿材料選取，注漿壓力，漿液的配合比等直接影響加固半徑，效果和地基處理成本。本文以某地區(qū)海相沉積地層特大橋樁基礎(chǔ)工程為例，對注漿加固地基技術(shù)進行研究，為類似地層地基處理提供參考。

1 注漿加固目的及原理

1.1 注漿技術(shù)的概念

注漿技術(shù)，就是將具有充填膠結(jié)性能的材料配成漿液，以泵壓為動力源，用注漿設(shè)備通過注漿管將其注入到地層，漿液以滲透、填充、劈裂和擠密等方式擴散，趕走土顆粒間或巖體裂隙中的水分和空氣后占據(jù)其位置，由于漿液的凝結(jié)，硬化，將原來松散的土?；蛄严赌z結(jié)成一個整體，形成一個結(jié)構(gòu)新，強度大，防水抗?jié)B性能高和化學(xué)穩(wěn)定性良好的“結(jié)石體”，達(dá)到對地層加固或堵水的目的，以達(dá)到改善受注地層的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，使得經(jīng)過注漿改造的區(qū)域具有良好的工程施工條件。

1.2 加固技術(shù)及原理

鉆孔壓密注漿是采用機械鉆孔至需固結(jié)地層內(nèi)，下入注漿導(dǎo)管后，通過髙壓泵將水泥漿液泵送壓入地下，水泥漿在壓力作用下，沿地層孔隙(裂隙)流動，達(dá)到擴散充填和后期固化膠結(jié)，有效提髙地基土的承載力。

有關(guān)研究表明，在注漿壓力的作用下，將粘稠的漿液注入加固對象所形成的漿泡體，會使加固對象中產(chǎn)生極其復(fù)雜的應(yīng)力體系，漿泡面附近雖因受擾動在密度特征方面沒有明顯的增加，但距漿泡體一定范圍內(nèi)均能受到明顯的加固。根據(jù)上述原理，通過采用壓密注漿手段，在被加固體周邊形成漿泡體，能夠使周邊的土體得到有效的加固，不僅能夠有效地使軟弱層得到充填和加固，也使基礎(chǔ)下部地層的承載能力得以增強，進而達(dá)到控制橋面沉降的目的。

2 注漿加固技術(shù)在某特大橋中的應(yīng)用

2.1 工程概況

某工程特大橋位于河流入?？?，前期勘察資料顯示，該處地層特征為：第四系海相沉積層，主要為砂礫石地層，含有大量貝殼，腐殖質(zhì)等有機質(zhì)，少量粘性土，土工試驗揭示，地層孔隙大，孔隙率高，壓縮系數(shù)大，粘聚力小。橋梁大跨主墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用直徑2 m鉆孔灌注樁，摩擦樁，樁長85 m～100 m不等，在鉆孔樁基礎(chǔ)施工過程中，成孔困難，塌孔嚴(yán)重，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)施工無法進行，有可能延誤工期。

根據(jù)現(xiàn)場施工渣樣，地勘鉆孔情況，參考類似工程經(jīng)驗，綜合分析后，認(rèn)為該地層細(xì)顆粒含量少，粘聚力差，孔隙大易漏漿，屬易塌土層，鉆進過程存在較大漏漿及塌孔風(fēng)險，成孔困難，周期長?；A(chǔ)成孔后及灌注前易造成孔底沉渣過厚，樁基夾泥甚至斷樁的質(zhì)量事故，因此樁基礎(chǔ)施工前需采取必要的措施，防止坍孔、斷樁等嚴(yán)重質(zhì)量問題的發(fā)生。

經(jīng)方案比選，決定對該地層采取注漿固結(jié)處理后，再進行基礎(chǔ)樁基施工的總體方案。注漿原材料采用水泥、水玻璃和水。

2.2 注漿加固配合比設(shè)計和優(yōu)化

設(shè)計稠度按實做配比確定，根據(jù)設(shè)計方案，施工工藝等進行配合比設(shè)計，保證工作性能等滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場施工要求，且經(jīng)濟合理(注漿效果進行現(xiàn)場驗證，達(dá)到地層基本固結(jié)，能防止鉆孔樁施工時坍孔即可)。

1)根據(jù)設(shè)計方案及規(guī)范對凈漿配合比強度，水膠比，工作性能進行配合比設(shè)計。

a.水灰比。

根據(jù)經(jīng)驗及試拌確定，水膠比選擇0.7，單漿液理論容重為1 660 kg/m3。

計算每立方米單漿液的材料用量：

W∶C=0.7；W=683 kg/m3；C=976 kg/m3；ρ=1 660 kg/m3。

b.確定水玻璃用量。

經(jīng)測定，該水玻璃為36 Be′,密度1.40 g/cm3，由多次試拌得出，水泥漿(單漿液)水玻璃體積為水泥漿(單漿液)0.64%時,膠凝時間最長，而且強度最佳，此時水玻璃質(zhì)量為90 kg/m3。

c.確定凈漿(雙漿液)所用材料重量比。

通過以上計算，重量配合比為：

mco∶mwo∶mSo=976∶683∶90=1∶0.70∶0.09。

2)參數(shù)調(diào)整優(yōu)化。

a.多種配合比對照。

根據(jù)經(jīng)驗及試拌確定，以W/C=0.7水膠比為基準(zhǔn)配合比，調(diào)整水膠比，增加或減少梯度為0.1，用水及水玻璃量與基準(zhǔn)配合比相同，得出另外兩個配合比W/C=0.6，W/C=0.8。多種配合比對照情況如表1所示。

表1 多種配合比對照表

b.調(diào)整后配合比試拌材料用量(2 L)。

多種配合比試拌材料用料對照情況如表2所示。

表2 多種配合比試拌材料用量對照表 kg

c.水泥漿體配合比性能測試。

下面分別從配合比稠度試驗，配合比自由泌水率試驗，配合比的力學(xué)性能檢測三個方面對水泥漿體配合比的性能進行測試。

配合比稠度試驗：

配合比稠度試驗結(jié)果如表3所示。

表3 稠度試驗統(tǒng)計表 s

配合比自由泌水率試驗:

配合比自由泌水率統(tǒng)計表如表4所示。

表4 自由泌水率統(tǒng)計表

配合比的力學(xué)性能檢測匯總表：

配合比的力學(xué)性能檢測表和體能檢測表如表5，表6所示。

表5 配合比的力學(xué)性能檢測匯總表

根據(jù)表1～表4的測試結(jié)果統(tǒng)計可以看出，編號No.3的稠度(14 s～18 s)，泌水率(0)均不符合規(guī)范要求。根據(jù)表5，表6中的拌合物性能及力學(xué)性能檢測結(jié)果分析，考慮漿體的稠度，泌水率，工程使用條件以及經(jīng)濟性，編號No.2的拌合物最為理想，因此選擇編號No.2的理論配合比，用于此地層的注漿加固施工。

表6 水泥漿體性能測試匯總表

2.3 注漿加固效果現(xiàn)場驗證比選

2.3.1 注漿壓力的優(yōu)化比選

注漿采用XY-1型地質(zhì)鉆機，SGB6-10注漿泵，根據(jù)地質(zhì)實際情況和注漿驗證。注漿壓力小于3 MPa時，注漿壓力較小，注漿速度慢，注漿影響半徑較小，根據(jù)實際驗證效果，影響半徑在0.5 m～1 m，鉆孔布置較密，鉆孔工程量較大，達(dá)不到預(yù)期的注漿效果；當(dāng)注漿壓力3 MPa～3.5 MPa時，壓力適中，注漿影響半徑約2 m，注漿速度合適，注漿效果較好(詳見后續(xù)取芯驗證)；因該土層孔隙率較大，漿液相對容易流失，實際注漿壓力達(dá)到或超過3.5 MPa，大量漿液會通過圓礫土層縫隙流失，造成浪費。因此，實際注漿時，注漿壓力達(dá)到3.5 MPa是結(jié)束注漿的標(biāo)識。

2.3.2 驗證不同擴散半徑下注漿效果

為了驗證實際注漿效果，確定加固范圍，達(dá)到預(yù)期加固效果，在3 MPa～3.5 MPa注漿壓力下進行注漿，取芯驗證不同擴散半徑下的注漿效果，進而確定注漿孔位布置和鉆孔數(shù)量。

1)擴散半徑1 m處。

在距離注漿孔位1 m位置進行鉆孔取芯，取芯過程鉆進困難，取芯渣樣強度過強，按照此擴散半徑注漿，注漿孔整體布置密度大，數(shù)量多，注漿材料用量大，總體費用大。

2)擴散半徑1.5 m處。

在距離注漿孔位1.5 m位置進行鉆孔取芯，取芯過程鉆進相對容易，取芯渣樣強度偏好，按照此擴散半徑注漿，注漿孔整體布置密度大，數(shù)量較多，材料用量較大，總體費用較大。

3)擴散半徑2 m處。

在距離注漿孔位2 m位置進行鉆孔取芯，取芯過程鉆進容易，渣樣基本呈現(xiàn)結(jié)塊狀態(tài)，強度較低，但是滿足鉆孔護壁需要，能達(dá)到防止坍孔的效果，按照此擴散半徑注漿，注漿孔整體布置合理，材料用量較少，總體費用較低。

4)擴散半徑2.5 m處。

在距離注漿孔2.5 m位置進行鉆孔取芯，取芯過程鉆進容易，從渣樣可以看出漿液擴散半徑較大，漿液流失嚴(yán)重，注漿影響范圍達(dá)不到，部分渣樣沒有結(jié)塊，未達(dá)到預(yù)期注漿效果，不能滿足鉆孔護壁需要，不能達(dá)到防止坍孔的效果。

綜上，通過實際鉆孔取芯效果驗證比選，可以判斷出按照2 m注漿擴散半徑考慮注漿孔密度，渣樣強度雖然較低，但是呈現(xiàn)出基本結(jié)塊，可以滿足鉆孔樁施工護壁需要，能達(dá)到防止坍孔的效果，按照此擴散半徑注漿，注漿孔布置合理，材料用量較少，總體費用較低，經(jīng)濟合理。

2.3.3 注漿效果現(xiàn)場驗證

地層加固結(jié)束后，現(xiàn)場開始進行鉆孔樁基施工，在鉆孔樁施工過程中，未再出現(xiàn)樁基鉆孔坍塌現(xiàn)象，采取低應(yīng)變動測法進行樁身檢測，發(fā)現(xiàn)樁基完整性好，同時，根據(jù)現(xiàn)場實時檢測結(jié)果，樁基未發(fā)生沉降異?，F(xiàn)象。

3 結(jié)語

海相沉積第四系巨厚地層承載能力差，地層巖土體特殊，普通的地基處理措施無法同時滿足沉降和承載能力需求，采取注漿加固技術(shù)，是一個較適用的地基加固措施。在注漿加固技術(shù)中，注漿加固配比，注漿壓力，擴散半徑三者數(shù)值的設(shè)定極為重要。本文通過試驗對比法，從參數(shù)選取過程和結(jié)果驗證表明，在注漿材料配比和注漿壓力選取上，綜合考慮樁基礎(chǔ)半徑，漿體的稠度，泌水率，注漿壓力，工程使用條件以及經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，選定編號No.2為理論配合比，注漿壓力3 MPa～3.5 MPa，擴散半徑2 m的注漿加固方案，最為科學(xué)合理。