陳希林
(1.湖南省有色地質(zhì)勘查局一總隊(duì),湖南郴州 423000;2.湖南湘江工程建設(shè)有限公司郴州分公司,湖南郴州 423000)
高壓噴射注漿法就是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)至土層的預(yù)定位置后,以高壓設(shè)備使?jié){液或水成為20MPa~40MPa的高壓流從噴嘴中噴射出來(lái),沖擊破壞土體,當(dāng)能量大、速度快和呈脈動(dòng)狀的噴射流的動(dòng)壓超過(guò)土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí),土粒便從土體剝落下來(lái),土粒在噴射流的沖擊力、離心力和重力等作用下,與漿液攪拌混合,并按一定的漿土比例和質(zhì)量大小有規(guī)律地重新排列。漿液凝固后,并在土中形成一個(gè)固結(jié)體,固結(jié)體形狀與噴射和移動(dòng)有關(guān),一般分為旋噴和定向噴射兩種注漿方式。按種類分為單管法、二重管法、三重管法、多重管法。本次依據(jù)高壓噴射注漿加固直徑要求、施工場(chǎng)地不同的凈空高度和節(jié)約材料的原則選用二重管法的120°擺噴和旋噴,以達(dá)到增加地基強(qiáng)度、提高地基承載力、提高樁基承載力不足的目的。
某4S店位于郴州市北湖區(qū)萬(wàn)華巖鎮(zhèn)新建萬(wàn)華汽車城內(nèi),坐落于奧迪大道東南側(cè),哈弗4S店西南側(cè),該建筑物為框架或鋼構(gòu)結(jié)構(gòu),安全等級(jí)為二級(jí)。施工場(chǎng)地地面標(biāo)高193.50m。對(duì)差異沉降敏感程度為“不敏感”。該建筑物平面形態(tài)為長(zhǎng)方型,4S店廠房102.15m×91.3m(長(zhǎng)×寬),房高4層,層高4m,凈高約3.5m,中間部分有夾層,主體鋼筋砼框架已澆筑;4S店展廳102.15m×67m(長(zhǎng)×寬),廠展廳高2層,層高4m為鋼構(gòu)結(jié)構(gòu),樁基礎(chǔ)承臺(tái)已澆筑好,上部鋼結(jié)構(gòu)未安裝,該項(xiàng)目廠房已于2014年11月封頂。
根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖,結(jié)合勘察鉆孔揭露情況,擬建場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育,場(chǎng)地構(gòu)造條件屬相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域,勘察查明,場(chǎng)地巖土層結(jié)構(gòu)自上而下可分為填土、粘土和石灰?guī)r。
填土為近期人工堆填而成,較松散,所有鉆孔均有分布,鉆孔揭露該層厚度為0.30~12.40m,平均厚度6.70m,該土層具有結(jié)構(gòu)疏松,力學(xué)強(qiáng)度低,工程特性差等特征,樁周摩擦力為負(fù)值;黏土層為坡積成因,黃褐色,硬可塑狀,整個(gè)場(chǎng)地均有分布,厚度為4.60~8.70m,平均厚度6.80m,力學(xué)強(qiáng)度中等,為工程特性中等的土層;石灰?guī)r為沉積成因,青灰色,巖質(zhì)較堅(jiān)硬,場(chǎng)地內(nèi)均有分布,基巖面埋深為14.86m~19.10m,力學(xué)強(qiáng)度高,工程特性好,巖體基本質(zhì)量等級(jí)屬較硬巖Ⅲ類。場(chǎng)地屬于不均勻地基,復(fù)雜程度等級(jí)為二級(jí)。
地基加固施工前該4S店廠房樁基承臺(tái)、聯(lián)系梁、主體建筑二層框架及平臺(tái)梁板砼已經(jīng)澆筑完畢,分布有滿堂的鋼管腳手架,場(chǎng)地空間高度因樓層層高限制大部分在3.5m以內(nèi),在平面上地基加固處理施工也受到樁基上的房屋框架結(jié)構(gòu)影響和制約。廠房?jī)?nèi)樓梯部位、封閉水池受位置限制,均對(duì)地基加固布置高壓注漿孔施工帶來(lái)一定影響。
樁基地基處治基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì),是在前期場(chǎng)地補(bǔ)勘土洞灌漿充填處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,建筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為人工挖孔擴(kuò)大頭樁基礎(chǔ),持力層為黏土層,樁基驗(yàn)收抽檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分樁基承載力不足,達(dá)不到樁基承載力設(shè)計(jì)值,被要求停工整改采取補(bǔ)救措施,經(jīng)業(yè)主及質(zhì)監(jiān)部門共同邀請(qǐng)長(zhǎng)沙理工大學(xué)專家分析研究解決辦法,最終決定采用高壓噴射注漿法對(duì)樁基地基進(jìn)行加固處理,對(duì)需要提高單樁承載力的樁周土層及持力層進(jìn)行高壓噴射注漿加固,以提高樁基承載力。委托長(zhǎng)沙理工大學(xué)下屬的湖南華罡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司進(jìn)行方案設(shè)計(jì),經(jīng)分析計(jì)算每根樁的承載力,決定對(duì)其中83條承載力不足的挖孔樁進(jìn)行高壓噴射注漿處理,對(duì)其樁周土或樁底一定厚度的持力層進(jìn)行注漿加固處治[1]。
根據(jù)設(shè)計(jì)方案高壓噴射注漿加固分為擺噴和旋噴兩種方法,原則上能用擺噴加固的樁基一定用擺噴方法施工,廠房框架內(nèi)因?qū)痈邇艨?.5m限制不能使用擺噴施工設(shè)備的地方則用旋噴施工方法,采用二重管法即高壓水泥漿加高壓氣流噴射法對(duì)廠房框架部分受限范圍內(nèi)采用雙管旋噴,加固58根樁、鋼構(gòu)展廳部位空間高度允許范圍內(nèi)采用雙管擺噴,加固25根樁。通過(guò)高壓雙管旋噴、擺噴等注漿方法控制漿液運(yùn)移方向,控制漿液固結(jié)土體的范圍,對(duì)樁基承載力不足樁基的樁周土層及持力層進(jìn)行加固處理,以提高樁基承載力至可以滿足設(shè)計(jì)要求。
為了更加有效地對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固,根據(jù)設(shè)計(jì)要求在正式地基基礎(chǔ)加固前,在設(shè)計(jì)院黃生文教授的指導(dǎo)下,與監(jiān)理及業(yè)主代表緊密配合,做一個(gè)旋噴試驗(yàn)孔與一個(gè)擺噴試驗(yàn)孔,并在14d后距擺噴試驗(yàn)孔中心400mm、600mm、800mm施工了3個(gè)檢查孔。
利用前期土洞驗(yàn)證鉆孔的土工試驗(yàn)主要指標(biāo)(即加固前的土工試驗(yàn)主要指標(biāo))與本次擺噴加固試驗(yàn)的檢查鉆孔的土工試驗(yàn)資料進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)擺噴試驗(yàn)的檢查鉆孔資料的整理分析、對(duì)比和統(tǒng)計(jì):加固前后黏土層的平均液性指數(shù)由0.62降低為0.23,平均標(biāo)貫擊數(shù)由11.71擊提高為20.6擊,承載力特征值由200kPa提高為220kPa,樁的極限側(cè)阻力由50kPa提高為120kPa,樁的極限端阻力由1800kPa提高為2500kPa;填土層的平均液性指數(shù)由0.75降低為0.32,平均標(biāo)貫擊數(shù)由6.3擊提高為12.8擊,承載力特征值由-20kPa提高為170kPa,樁的極限側(cè)阻力由負(fù)值提高為90kPa。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比,后來(lái)設(shè)計(jì)院對(duì)高壓注漿參數(shù)作了適當(dāng)調(diào)整[2]。
原設(shè)計(jì)高壓注漿材料為水泥和粉煤灰漿,外加速凝劑氯化鈣,由于粉煤灰露天存放可能導(dǎo)致灰塵彌漫將嚴(yán)重污染環(huán)境,經(jīng)業(yè)主同意向設(shè)計(jì)院提出申請(qǐng)變更為噴射純水泥漿,外加速凝劑氯化鈣。水泥采用嶺東牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,經(jīng)檢驗(yàn)合格。
設(shè)計(jì)水泥漿的漿液配比為水:水泥(水與水泥重量比)=0.8:1~1:1,氯化鈣(CaCl2)摻加量3%(水泥重量)。高壓注漿加固現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后,設(shè)計(jì)單位將原設(shè)計(jì)漿液水灰比變更為0.8:1,氯化鈣(CaCl2)摻加量由3%變更為4%。
設(shè)計(jì)變更前設(shè)計(jì)填土中旋噴直徑為1.2m,擺噴距離0.9m;黏土中旋噴直徑0.8m,擺噴距離0.6m。設(shè)計(jì)變更后粘土中旋噴樁直徑要求為1.2m。
11月20日設(shè)計(jì)變更前漿液初凝時(shí)間為2.5h,灌漿壓力≥25MPa、氣流壓力≥0.7MPa、漿液噴嘴個(gè)數(shù)1個(gè),漿液流量42L/min;擺速6次/min;提升速度15cm/min;旋轉(zhuǎn)速度10r/min。
高壓注漿加固現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后,設(shè)計(jì)單位將原有關(guān)參數(shù)調(diào)整為:灌漿壓力≥30MPa、氣流壓力≥0.7MPa、漿液流量42L/min;擺速6次/min;提升速度10cm/min;旋轉(zhuǎn)速度8r/min。
旋噴漿管外徑Φ50,擺噴漿管外徑Φ89,漿液噴嘴孔徑為2.2mm。
高壓注漿加固深度自樁頂以下1.0m開始,直至設(shè)計(jì)的加固深度,驗(yàn)算每根樁的承載力是否滿足要求,如樁基承載力計(jì)算值大于設(shè)計(jì)值的95%,則無(wú)需進(jìn)行加固處理,否則應(yīng)進(jìn)行加固處治,每根樁加固深度都經(jīng)過(guò)嚴(yán)密計(jì)算確定。在2014年11月20日前按照設(shè)計(jì)院原設(shè)計(jì)施工圖指定的加固深度進(jìn)行加固,此后則按照設(shè)計(jì)變更后的設(shè)計(jì)施工圖指定的加固深度進(jìn)行加固,擺噴加固長(zhǎng)度為5m~13.60m,旋噴加固長(zhǎng)度為5m~9.40m。
高壓注漿鉆孔口徑為110mm,鉆孔的布置則按照設(shè)計(jì)要求由測(cè)量人員用全站儀進(jìn)行測(cè)量放點(diǎn),點(diǎn)位用鋼釘、水泥做定位標(biāo)記。
擺噴加固時(shí)間為2014年10月6日至11月21日前(設(shè)計(jì)變更前)施工,故擺噴高壓注漿鉆孔分布均按變更前的設(shè)計(jì)進(jìn)行布置。旋噴加固開始時(shí)間為2014年11月20日后,故旋噴高壓注漿鉆孔分布均按設(shè)計(jì)變更后的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。
擺噴加固設(shè)計(jì)23根樁,其擺噴高壓注漿鉆孔布置如下。
(1)對(duì)承臺(tái)邊長(zhǎng)1.3m、擴(kuò)底直徑1.4m的3根WKZ4型樁布置4個(gè)注漿孔,其孔位分別位于承臺(tái)每個(gè)角點(diǎn),鉆孔中心距角點(diǎn)100mm,擺噴角度為120°,加固面積為半徑90cm的扇形,各鉆孔垂直布置。(2)對(duì)承臺(tái)邊長(zhǎng)1.1m的13根WKZ2型樁和7根WKZ3型樁,布置3個(gè)擺噴高壓注漿孔,每?jī)蓚€(gè)鉆孔中心與樁中心的夾角為為120°,鉆孔中心距承臺(tái)邊緣約100mm,距承臺(tái)角點(diǎn)808mm,擺噴角度度為180°,加固面積為半徑90cm的半圓形。擺噴注漿孔布置如圖1(a)、(b)和(c)所示。
圖1 擺噴注漿孔布置圖
(1)旋噴加固的6根WKZ3型樁布置4個(gè)高壓注漿鉆孔,各鉆孔的中心分別位于承臺(tái)(避開地梁)邊緣60mm~70mm。距兩角點(diǎn)分別為290mm和810mm。鉆孔傾角均為 90°直孔。
(2)旋噴加固的35根WKZ4型樁,布置4個(gè)高壓注漿鉆孔:鉆孔的中心位置布置在距承臺(tái)邊緣150mm,距兩角點(diǎn)分別為400mm和900mm。鉆孔傾角均為90°。
(3)旋噴加固的19根WKZ5型樁,布置4個(gè)高壓注漿鉆孔:鉆孔的中心位置布置在距承臺(tái)邊緣150mm,距兩角點(diǎn)分別為400mm和900mm。當(dāng)僅需要加固樁周土?xí)r,各旋噴鉆孔采用垂直方式布孔,需要加固樁底地基土?xí)r,各旋噴鉆孔均向樁中心傾斜,鉆孔傾角均為89°,以保證既不破壞樁底又能使地基土得到更多的加固。旋噴注漿孔布置如圖2(a)、(b)和(c)所示。
圖2 旋噴注漿孔布置圖
二重管擺噴臺(tái)車(GP1800-2)1臺(tái)、旋噴鉆機(jī)(MGJ-50鉆深50m)1臺(tái)、注漿泵(ZB1流量250L/min)2臺(tái)、高壓泵(XPB-90額定壓力38MPa)1臺(tái)、空壓機(jī)(0.7Mpa排量6m3/min)1臺(tái)、攪拌機(jī)(800L)2臺(tái)及其相應(yīng)壓力表高壓管等配套設(shè)施,主要機(jī)械設(shè)備配置齊全,性能可靠、參數(shù)準(zhǔn)確。
(1)鉆機(jī)就位后,先進(jìn)行水平和垂直校正,鉆桿與樁位一致,偏差≤10mm,以保證與樁的垂直度。(2)在旋噴過(guò)程中有一部分漿液沿注漿管壁冒出地面,冒漿量小于注漿量20%,為正常情況。若不正常則立即采取措施處理,如調(diào)整壓力、漿液密度、提升速度等。(3)在插管擺噴過(guò)程中,氣、漿壓力和流量均符合設(shè)計(jì)值。若發(fā)現(xiàn)不正常則立即進(jìn)行調(diào)整,使其均符合設(shè)計(jì)要求。(4)鉆桿的旋轉(zhuǎn)和提升做到連續(xù)進(jìn)行,無(wú)中斷現(xiàn)象;拆卸鉆桿時(shí)保持鉆桿往下有100mm以上的搭接長(zhǎng)度,以防斷樁確保提高樁的承載力,在樁底部及樁頂1m范圍內(nèi)做到適當(dāng)增加旋噴時(shí)間。
對(duì)樁頂和基樁底界面等處,因高壓注漿漿液凝固析水而產(chǎn)生的凹陷部位,在漿液凝固前派專人將冒出的漿液進(jìn)行回灌、搗實(shí)的方法處理,對(duì)第1次未完全灌滿的凹陷部位再進(jìn)行第2次回灌,直至填滿為止。
通過(guò)每班1次水泥漿密度的觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì),設(shè)計(jì)變更前水灰比為1:1,其水泥漿密度觀測(cè)范圍值為1.51~1.56;平均值為1.53;設(shè)計(jì)變更后水灰比為0.8:1,其水泥漿密度觀測(cè)范圍值為1.62~1.69;平均值為1.647。
設(shè)計(jì)變更前漿液的水灰比為1:1,設(shè)計(jì)變更后的水灰比為0.8:1。施工時(shí)定期檢查漿液密度、調(diào)整漿液的濃度和注漿材料的比例,漿液初凝時(shí)間為2.5h左右,符合設(shè)計(jì)要求。
將水泥漿制作成70.7×70.7×70.7的試塊檢查漿液的結(jié)實(shí)率、測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等參數(shù)。用稱將水泥和水按0.8:1的比例配制水泥漿。試塊制作后經(jīng)7d、28d養(yǎng)護(hù),送試驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試,其水泥漿拌和物的抗壓強(qiáng)度7d為13.3MPa、28天達(dá)27.6MPa,平均為20.45MPa。
地基加固擺噴加固23根樁,施工擺噴注漿孔72個(gè),擺噴加固總長(zhǎng)度為556.30m,擺噴加固水泥用量126.3T,擺噴加固CaCL用量4245kg,擺噴試驗(yàn)孔1個(gè),擺噴試驗(yàn)施工檢查孔3個(gè),擺噴加固樁抽檢2根,施工檢查孔4個(gè);旋噴地基加固60根樁,施工旋噴注漿加固孔240個(gè),旋噴加固總長(zhǎng)度為2302m,旋噴加固水泥用量216.65t,旋噴試驗(yàn)孔1個(gè),旋噴加固樁抽檢4根樁,施工檢查孔8個(gè);共計(jì)高壓注漿加固處治83根樁。由于場(chǎng)地多邊同時(shí)施工等原因,經(jīng)設(shè)計(jì)院同意旋噴試驗(yàn)未進(jìn)行鉆孔抽芯檢查,只對(duì)擺噴試驗(yàn)進(jìn)行了鉆孔抽芯檢查。項(xiàng)目各項(xiàng)資料做到及時(shí)收集、及時(shí)整理,內(nèi)容齊全、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
依據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)單位意見,在監(jiān)理、業(yè)主代表和施工技術(shù)人員的共同研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,決定選擇2根擺噴(ZK93、ZK121)加固樁、4根旋噴(ZK95、ZK108、ZK110、ZK111)加固樁,分別對(duì)擺噴和旋噴的高壓注漿質(zhì)量進(jìn)行檢查。每條樁布置2個(gè)檢查鉆孔,距離分別為距高壓噴漿鉆孔300mm和600mm,共計(jì)施工12個(gè)取芯孔,取土樣12件,取水泥芯樣5件,標(biāo)貫93次,檢查孔施工在噴漿28d后進(jìn)行。
加固質(zhì)量的檢查方法采用了多種檢驗(yàn)方法,施工檢查孔鉆取巖土芯,對(duì)鉆孔巖土芯進(jìn)行觀察和分析,標(biāo)貫試驗(yàn),取土芯樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn),依據(jù)各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果判斷漿液對(duì)地基土層的混合固結(jié)程度;采取的固結(jié)水泥土芯做巖石室內(nèi)試驗(yàn),結(jié)石體做抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。檢查孔終孔孔徑為110mm,回次巖芯采取率均≥95%。
高壓注漿鉆孔冒漿情況的檢測(cè):在監(jiān)理、業(yè)主代表和施工技術(shù)人員的配合下,對(duì)冒漿量進(jìn)行了檢測(cè),檢測(cè)方法采用斗車容積計(jì)量法,即計(jì)算出斗車容積,再由冒出的漿液的車數(shù)來(lái)計(jì)算冒漿量和冒漿比例。檢測(cè)結(jié)果表明:冒漿比例在2.04%~20.07%,平均值9.36%,均屬于加固噴漿的設(shè)計(jì)的規(guī)定范圍以內(nèi)。
選擇6根樁12個(gè)檢查鉆孔分別對(duì)地基加固的擺噴和旋噴加固樁進(jìn)行了加固試驗(yàn)質(zhì)量檢查。檢查是在高壓注漿加固施工28d后進(jìn)行。在鉆孔注漿噴射范圍內(nèi)鉆取巖土芯,鉆孔孔徑為110mm,每回次巖芯采取率均≥95%。
通過(guò)對(duì)檢查鉆孔取樣土工試驗(yàn)資料的整理分析、對(duì)比和統(tǒng)計(jì),對(duì)比數(shù)據(jù)如下。
(1)黏土層加固前后狀態(tài)由硬可塑變?yōu)橛菜?;液性指?shù)平均值由0.62降低為0.20,降低67.74%;標(biāo)貫擊數(shù)平均值由11.71擊提高為26.75擊,提高56.22%;承載力特征值由200kPa提高為250kPa,提高25%;樁的極限側(cè)阻力由50kPa提高為140kPa,提高180%;樁的極限端阻力由1800kPa提高為2800kPa,提高55%;其中JC-XZK108孔8.0m~8.60m取水泥土芯,測(cè)試其抗壓強(qiáng)度為1.8MPa。(2)填土層的液性指數(shù)平均值由0.75降低為0.21,降低72%;標(biāo)貫擊數(shù)平均值由6.3擊提高為25.5擊,提高75.29%、承載力特征值由0 kPa提高為210kPa、樁的極限側(cè)阻力由-20kPa提高為130kPa;其中JC-BZK121-2孔5.8m~6.4m,JCXZK95-1孔6.4m~7.0m,JC-XZK111-1孔6.3m~7.0m,測(cè)試水泥土芯樣其平均抗壓強(qiáng)度為2.6MPa。
通過(guò)2組檢查鉆孔(分別為距離噴漿孔300mm、600mm)對(duì)高壓注漿加固的檢查結(jié)果表明:
在填土層中距離600mm的檢查鉆孔的平均標(biāo)貫擊數(shù)從4擊提高到21.4擊;距離300mm的檢查鉆孔的平均標(biāo)貫擊數(shù)從4擊提高到29.6擊,出現(xiàn)一次反彈。
黏土層中距離600mm的平均標(biāo)貫擊數(shù)從13擊提高到20.4擊。距離300mm的平均標(biāo)貫擊數(shù)從13擊提高到33.1擊,其中出現(xiàn)一次反彈,判斷為遇水泥結(jié)石體。
通過(guò)檢查孔提取水泥土芯的觀察和巖性描述、檢查鉆孔的標(biāo)貫試驗(yàn)平均擊數(shù)和固結(jié)后混合水泥土芯的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)充分說(shuō)明了本次地基基礎(chǔ)加固效果顯著,加固地基土層強(qiáng)度大幅提高,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,加固的樁基礎(chǔ)經(jīng)設(shè)計(jì)院計(jì)算都達(dá)到或超過(guò)了樁的承載力設(shè)計(jì)值。
樁基地基處治基礎(chǔ)加固采用擺噴和旋噴高壓注漿加固方法,加固效果十分明顯,大幅提高了加固樁基樁周土及持力層礎(chǔ)的承載力,尤其是對(duì)填土層提高的幅度比粘土層提高的幅度更大效果更好,加固的83根樁基礎(chǔ)全部達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),圓滿解決了承載力不足的問(wèn)題,也說(shuō)明了高壓噴射注漿法對(duì)于地基基礎(chǔ)加固是一種很好很有效的方法。經(jīng)追蹤回訪調(diào)查目前該建筑物經(jīng)樁基加固后已使用7年多時(shí)間了,一直很好用,未見地基基礎(chǔ)及建筑物有任何異常情況。