地基处理方法：6化学加固法

6 化学加固法

6.1 概 述

在地基加固中,除了用挤密、置换、排水固结、加筋、锚固等物理方法来改善土的性质和土中的应力状态外,也可以使用化学和物理化学方法。化学加固法(chemical stabilization)是指利用水泥浆液、黏土浆液或其他化学浆液,通过压力灌注压入、机械搅拌或高压喷射等方式,使浆液与土颗粒胶结起来,以改善地基土的物理和力学性质的地基处理方法。

1802年,法国工程师Charles beriguy在dieppe采用了黏土和水硬石灰浆灌注方法修复了一座受冲刷的水闸,这标志着灌浆法的创立。此后,这种方法逐步成为地基土加固中的一种广泛使用的方法。由于灌浆法的费用较高,所以只能局限于加固小范围的土体;但也可以用于其他地基加固方法不能解决的一些特殊工程问题。例如,在托换工程中使用灌浆法。

目前,化学加固除了利用静压灌浆法外,还出现了混合搅拌法,包括高压喷射注浆法和水泥土搅拌法。虽然静压灌浆的施工工艺发展较早,应用范围也最为广泛,但是,对于渗透系数较小的细砂、黏土等,仅仅依靠静压力灌浆难以使浆液注入土体的细小孔隙中,因而需要使用特殊的材料和技术。而高压喷射注浆法是利用高压射水切削地基土,通过注浆管喷出浆液,就地将土和浆液进行搅拌混合,形成水泥土的加固体。灌浆法适用于松散土层,不受可灌性的限制,但在颗粒太大、砾石含量过多以及含纤维质的土层中采用该方法灌浆的效果比较差。水泥土深层搅拌法是用特制的深层搅拌机械,在地基深处不断地旋转,同时将水泥或石灰等材料的浆体或粉体喷入,与软土就地强制搅拌混合,使软土硬结成具有整体性、水稳性和足够强度的地基土,这种方法适用于处理软黏土地基。本章将分别介绍灌浆法、高压喷射注浆法和水泥土深层搅拌法。

6.2 灌浆法

6.2.1 概述

1.灌浆法的定义

灌浆法(grouting)是指利用液压、气压或电化学原理,通过注浆管把浆液均匀地注入地层中,浆液通过填充、渗透和挤密等方式,赶走土体颗粒间或岩石裂隙中的水气后占据其原来的位置,经过一定时间的硬化后,将原来松散的土颗粒或裂隙胶结成一个整体,形成一个结构新、强度大、防水性能好和化学稳定性良好的结石体。

2.灌浆法的应用范围

灌浆法已经在土木工程的各个领域得到了广泛而有效的应用,特别是在水电工程和地下工程中得到了非常广泛的应用。

灌浆法的主要应用范围包括以下几个方面:

(1)地下结构的加固及止水。地铁的灌浆加固,用来减少施工时地面的变形,限制地下水的流动和控制施工现场土体的位移和变形等。也可以进行隧洞大塌方的灌浆加固。

(2)坝基的加固及防渗。对砂基、砂砾石地基、喀斯特溶洞、断层、软弱夹层、裂隙岩体以及破碎岩体进行灌浆,可以提高岩土体的密实度和整体性,改善其力学性质,减小透水性,增强抗渗能力。

(3)建筑物地基加固。可以提高建筑物地基的承载力、桩基础承载力,减小建筑物地基的沉降。

(4)土坡稳定性加固。可以提高土体的抗滑动能力。

(5)矿井巷道的加固及止水。在矿井巷道的竖井中灌浆,用以处理流砂和不稳定地层。

(6)建筑物的纠偏加固。

(7)道路地基基础加固。公路、铁路路基和飞机场跑道的加固,桥索支座岩石加固。

(8)动力基础的抗震加固。可以提高地基土的抗液化能力。

(9)对既有结构的加固。对既有结构无缺陷的修补和补强,如混凝土结构裂缝处理、蓄水池及压力管道堵漏等。

(10)其他。后拉锚杆灌浆;在深基坑开挖工程中,用灌浆法进行锚固段施工;对钻孔灌注桩的两侧和底部进行灌浆,以提高桩与土之间的表面摩阻力和桩端土体的力学强度;文物保护中的灌浆加固等。

3.灌浆的作用

归纳以上的灌浆法工程应用范围可知,灌浆的作用有以下几种:

(1)防渗,可以降低岩土体的渗透性,消除或减少地下水的渗流量,增强抗渗能力;

(2)堵漏,截断水流,改善工程的施工和运行条件;

(3)固结,可以提高岩土体的力学强度和变形模量,减小沉降;

(4)防止滑坡,提高岩土体边坡的抗滑能力;

(5)提高地基承载力,提高岩土体的力学强度;

(6)减小地表下沉,降低岩土体的压缩性,提高其变形模量;

(7)回填,充填岩土体或者结构的孔洞、裂隙,防止塌陷;

(8)加固,恢复混凝土结构等的整体性;

(9)纠偏,促使已经发生不均匀沉降的建筑物恢复原位或减小其倾斜度。

6.2.2 灌浆法的分类

1.渗透灌浆

渗透灌浆是指在压力作用下,使浆液克服各种阻力将充填于土颗粒的孔隙和岩石裂隙中的自由水和气体排挤出去,并使颗粒胶结成整体,达到加固岩土体和止水的目的。渗透灌浆基本上不改变原状土的结构和体积,所用灌浆压力相对较小,这类灌浆一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。对砂性土的灌浆处理大都属于这种机理。

2.充填灌浆

充填灌浆是指用于地基土内的大孔隙、大空洞的灌浆,以及构造断裂带、隧道衬砌壁后的灌浆等。由于岩土体中存在较大的空隙,浆液较容易灌入。如卵石、碎石、卵砾层及隧道回填灌浆都属于这类灌浆。

3.挤密灌浆

挤密灌浆是指用较高的压力、灌入浓度较大的水泥浆或水泥砂浆,使黏性土体变形后在灌浆管端部附近形成“浆泡”,由浆泡挤压土体,并向上传递反压力,从而使地层上抬,压密周围土体。硬化的浆液混合物是一个坚固的、压缩性很小的球体。挤密灌浆法可用于非饱和砂土和含有孔隙的松散土。它可用来调整不均匀沉降,进行托换技术施工,以及在大开挖或隧道开挖时对邻近土体进行加固。但是当加固深度小于1～2m时,挤密加固的质量很难保证,除非其上原有建筑物能提供制约。

4.劈裂灌浆

劈裂灌浆是指在灌浆压力作用下,浆液克服地层的初始应力和抗拉强度,引起岩石或土体结构的破坏和扰动,使地层中原有的裂隙和孔隙张开,形成新的裂隙和孔隙,促使浆液的可灌性和扩散距离增大,故所用的灌浆压力较高。劈裂灌浆主要用于土体和裂隙岩体的防渗和补强。

5.电动化学灌浆

在黏土地基中,借助于电渗作用,也可以靠直流电源将浆液注入土体中,或者将浆液依靠灌浆压力注入电渗区,通过电渗使浆液扩散均匀,以提高灌浆加固效果。

6.2.3 浆液材料

灌浆使用的浆液是由主剂(原材料)、溶剂(水或其他溶剂)以及其他各种外加剂混合而形成的浆液。但是,通常所说的浆液材料,是指浆液中所用的主剂。外加剂可根据其在浆液中所起的作用,分为固化剂、催化剂、速凝剂、缓凝剂、流动剂、加气剂和防析水剂,等等。

浆液材料按原材料和浆液特性分类如图6-1所示。

图6-1　灌浆材料的分类

1.粒状浆材

粒状浆材是指由水泥、黏土、沥青以及它们的混合物制成的浆液。常用的粒状浆材是纯水泥浆、水泥黏土浆和水泥砂浆,以上浆液又称水泥基浆液,并可掺入各种外加剂,以改善浆液的性质。

水泥基浆液是以水泥浆为主的浆液。在国内外灌浆工程中,水泥一直是用途最广和用途最大的浆材。采用水泥灌浆可使土体形成高强度的固结体,应用最广的是普通硅酸盐水泥,在地下水无侵蚀性条件下经常使用。这种浆液是一种悬浊液,取材容易,配方简单,价格便宜,不污染环境,成为国内外常用浆液。我国苏州虎丘塔就是采用水泥浆液对塔基进行托换加固的。但是,普通水泥浆因容易沉淀析水而稳定性较差,经常采用以下几种措施解决:

(1)在水泥浆中掺入黏土、砂土和粉煤灰等廉价材料;

(2)用各种方法提高水泥颗粒的细度;

(3)掺入各种外加剂以改善水泥浆液的性质。

在岩土中灌注较大的空隙和裂隙时,常常在水泥浆液中掺入砂(水泥砂浆),可以节约大量水泥,并能更好地充填空隙。当浆液中加入一定数量的黏土(作外加剂)后,由于黏土本身是高分散性的,所以可提高浆液的稳定性,防止浆液沉淀和析水。

由于常用的水泥颗粒较粗,一般只能灌注直径大于0.2mm的孔隙。所以,选择浆液材料时,应该满足对地基土的可灌性。浆材的适用条件可采用可灌比表示

式中:D15为根据土的颗粒分析试验,求得的粒径级配曲线中15%的颗粒直径;D85为根据浆液材料的颗粒分析试验,求得的粒径级配曲线中85%的颗粒直径。

一般情况下,粗砂以下的颗粒难以灌入。针对这个问题,日本首先开发了超细水泥MC-500及其灌浆技术。超细水泥能渗入细砂层(渗透系数为10-3～10-4cm/s)和岩石的细裂隙中,与一般的化学浆材相比,具有较高的强度和较好的耐久性能。

水泥浆的水灰比一般在0.6～2.0之间,常用的水灰比是1∶1。实际使用时,为了调节水泥浆的性能,有时可加入速凝剂或缓凝剂等外加剂,以改善水泥浆的性能。水玻璃和氯化钙就是常用的速凝剂,其用量为水泥质量的1%～2%;常用的缓凝剂有木质素磺酸钙和酒石酸,其用量约为水泥质量的0.2%～0.5%。

粒状浆液的主要性质包括:分散度、沉淀析水性、凝结性、热学性、收缩性、结石强度、渗透性和耐久性。

粒状浆液的分散度是影响可灌性的主要因素,一般分散度越高,可灌性越好。分散度也将影响到浆液和灌浆结石的物理力学性质。普通水泥最大颗粒尺寸约在60～100μm之间,这种颗粒尺寸使水泥浆液难以进入渗透系数小于5×10-2cm/s的砂土孔隙或宽度小于200μm的裂隙中去。

水是粒状浆液的分散介质,又能与水泥颗粒发生水化和水解反应。一般能供饮用的淡水都可以使用,但不应含过量的硫酸盐(不大于0.1%)、氯化钠(不大于0.5%)以及糖类、碱类和悬浮物质等。

制备好的粒状浆液应保持悬液状态,不应产生沉淀析水而使颗粒沉淀分层,堵塞渗浆通道,使灌浆过程过早结束;或者降低灌浆结石的均匀性,在灌浆体中形成空隙,使土体难以被充填密实。黏土由于分散度高和亲水性好,因而加入黏土、膨润土等外加剂于浆液中,可使其稳定性大大提高。但加入黏土后的浆液,灌浆之后形成的结石强度会降低,因此,黏土只能用于防渗,而不能作为加固浆材使用。

浆液的凝结过程分为两个阶段:

第一,浆液的流动性减少到不能泵送时的初期阶段;

第二,凝结后浆液随时间而产生逐渐硬化的阶段。

研究表明,水泥浆的初凝时间一般在2～4h;黏土水泥浆的初凝更慢,所需要的时间更长。浆液的水化热和收缩性也是不容忽视的。而影响结石强度的因素也很多,其中以浆液浓度最为重要。结石的渗透性能与浆液的起始水灰比、水泥含量及养护龄期等一系列因素有关,见表6-1和表6-2。

表6-1　水泥结石的渗透性

表6-2　黏土水泥结石的渗透性

水泥结石在水压力的长期作用下,其耐久性会降低。纯水泥浆的帷幕还存在溶蚀问题,特别是当地下水有侵蚀性时,其溶蚀作用更强。在纯水泥浆中掺加黏土,可以提高其抗溶蚀的能力。有侵蚀性地下水存在时,宜根据工程的具体情况选用矿渣水泥、火山灰水泥、抗硫酸盐水泥或高铝水泥等品种,以延长灌浆体的寿命。此外,结石的密度越大,则透水性越小,灌浆体的寿命也越长。

为了改善水泥浆液的性能,以适应不同的灌浆目的和自然条件,常在水泥浆液中掺入各种外加剂,如表6-3所示。

表6-3　水泥浆的外加剂及掺量

由于膨润土是一种水化能力很强且分散性很高的活性黏土,在国外的灌浆工程中被广泛用作泥浆的外加剂,可以增大水泥浆液的黏度,提高其稳定性,增加结石率。根据研究得知,当膨润土的掺入量不超过水泥重量的3%～5%时,水泥浆液的结石强度不会降低。

2.化学浆材

化学浆液是一种真溶液,其优点是可以进入水泥浆液不能灌注的小孔隙中,其黏度和凝固时间可以在很大的范围内调整,可以用于堵漏、加固等多个领域。化学浆液的主要缺点是造价较高且存在污染环境的问题,因而这类化学浆液的推广应用受到了一定的限制。

目前,化学浆液已经在国内外得到了较广泛的应用,解决了不少工程难题,在理论和实践上都有很大的进步。

化学浆液的品种很多,包括环氧树脂类、聚氨酯类、丙烯酰胺类、甲基丙烯酸酯类、硅酸盐类和木质素类等,以下只介绍几种常用的化学浆材。

(1)环氧树脂类。环氧树脂类浆材是工程中较早采用的高强度化学材料。经过采用活性稀释剂和优选各种外加剂改良其性能后,浆液的黏度虽然大大降低了,但其仍然能保持高强度的特性,使之能灌注和加固混凝土结构中出现的细微裂隙、基岩的细裂隙和断层破碎带等低渗透性的地层,并且解决了水下和低温下的固化问题。改性后的环氧树脂材料为无毒或低毒。有些改性的环氧树脂浆材增加了与黏土颗粒表面的亲和力,具有一定的吸渗能力,可使薄层黏性土和泥化夹层固化。

(2)聚氨酯类。聚氨酯类是采用多异氰酸酯和聚醚树脂等作为主要原材料,再加入各种外加剂配制而成的浆液。将其灌入地层后,遇水即反应生成聚氨酯泡沫体,可起到加固地基和防渗堵漏等作用。

聚氨酯类浆材有水溶性和非水溶性两大类。水溶性的聚氨酯类浆材强度较低,但遇水后体积膨胀,具有良好的防渗性能;非水溶性的则只能溶解于有机溶剂中,是一种良好的防渗材料。

目前在土木工程领域中用得比较广泛的是非水溶性聚氨酯,其中又以“二步法”(该法又称预聚法)所配制的浆液为最好,大大降低了聚氨酯类的毒性。它是把主剂先合成为聚氨酯的低聚物(预聚体),然后再把预聚体和外加剂按照需要配制成浆液。预聚体已由上海、天津和常州等地生产厂家成批生产。

聚氨酯类中的外加剂有以下几种:

1)增塑剂。常用的为邻苯二甲酸二丁酯等,用以降低大分子间的相互作用力,提高材料的韧性。

2)稀释剂。常用的为丙酮和二甲苯等,其中丙酮的稀释效果最好,用以降低预聚体或浆液的浓度,提高浆液的可灌性。

3)表面活性剂。一般采用吐温和硅油等,用以提高泡沫的稳定性和改善泡沫的结构。

4)催化剂。常用三乙醇胺和三乙胺等,用以加速浆液与水的反应速度,并控制发泡时间。

聚氨酯类现已成功地应用于坝基防渗帷幕、有压钢筋混凝土水管堵漏、混凝土坝坝体水下裂隙处理、地下工程防水等工程实践中,并取得了良好的效果。

经过多年的研究和实践,有关部门得出了几种比较有效的浆材配方,见表6-4。

各种配方的聚氨酯浆液性能指标见表6-5,其中的固砂体试件是在0.1MPa的压力条件下成型的。

表6-4　常用的聚氨酯配方

表6-5　聚氨脂浆液性能指标

(3)丙烯酰胺类。这类浆材在国外叫AM-9,国内习惯称之为丙凝,由主剂丙烯酰胺、引发剂过硫酸铵(简称AP)、促进剂-二甲氨基丙腈(简称DAP)和缓凝剂铁氰化钾(简称KFe)等组成,其标准配方见表6-6。

表6-6　丙凝浆液的标准配方

丙凝浆液属于真溶液,其黏度与水相似,浆液的凝结时间可以在瞬间至几个小时内精确地得到调整,且凝结过程中几乎不会受到水和空气的干扰,凝结后几分钟即可达到极限强度。浆液凝固后的耐久性和稳定性良好,且凝胶本身基本上不透水(渗透系数约为1×10-9cm/s),可用于永久性的灌浆工程,在国内外较早得到广泛应用。但是,由于凝胶体的抗压强度低,固结后的干缩性较大,而且,因发生过AM-9中毒事件,在国外曾经一度禁止使用。

国内的研究表明,丙凝单体是有毒的,而聚合后的凝胶体却是无毒的。因此,丙凝单体只要聚合完全就不会污染环境,并且成功研制出AC-MS浆材,其性能与AM-9相当,而毒性仅为AM-9的1%。另外,试验证明了丙凝胶体在细孔隙中可以抵抗数百的水力比降而不被挤出,而在粗孔隙中则很容易被挤出,并且在水压下也极不稳定,从而论证了丙凝防水帷幕的稳定性。

(4)硅酸盐类。硅酸盐(水玻璃)是一种无机胶凝材料,创始于1887年,具有价格低廉,无毒性和可灌性好等优点,目前仍在各种工程中广泛采用。硅酸盐类浆液的主剂是水玻璃,与无机胶凝剂(如氯化钙、磷酸、硫酸铝、盐酸等)或者有机胶凝剂(如乙二醛、醋酸乙酯、甲酰胺等)反应后生成硅胶,可以起到加固作用。

硅酸盐类浆液有很多种,表6-7中介绍了几种性能较好和较有实用价值的浆液。

表6-7　水玻璃类浆液组成、性能及主要用途

(5)水玻璃水泥浆类。该类浆液是由水玻璃溶液与水泥浆混合而制成的,它兼具有两种浆材的优点,凝胶时间可在几秒到几十分钟内准确控制,也是一种用途广泛、使用效果良好的灌浆材料。水玻璃水泥浆类浆液的结石率可高达98%以上,而且结石强度也较高,见表6-8。

表6-8　水玻璃水泥浆类结石强度

表6-8中数据说明,水泥浆的质量分数仍然是决定结石强度大小的关键因素。龄期对结石强度虽有影响,但14d后的结石强度变化已经不明显。

(6)木质素类。木质素类浆液的主剂是纸浆废液,再加入一定量的固化剂。因此,木质素类浆液属于“三废”利用,其来源广,价格低,是一种很有发展前途的灌浆材料。

目前,木质素浆液包括铬木素浆液和硫木素浆液。前者出现的较早,其固化剂是重铬酸钠,该浆液由于含有6价的铬离子,因此是剧毒物质,极有可能污染地下水,因此,木质素浆液的应用受到环境保护要求的限制。国内的有关部门也进行了相关研究,使木质素浆液逐步从有毒到低毒,从低毒到无毒,最后出现了硫木素浆液。东北工学院研究出的铬渣木素浆液,使铬木素浆液的毒性大大降低,成本也大为降低。

将以上介绍的各种浆液的适用范围归纳于表6-9中。

表6-9　各种浆液材料适用范围

6.2.4 浆液材料的选择

不同浆液材料的性能有所不同,应该根据实际工程情况,在施工中具体选择某一种较为合适的灌浆材料。选择的具体要求如下:

(1)浆液应是真溶液而不是悬浊液。浆液黏度低、流动性好,可以进入细小裂隙。

(2)浆液的凝胶时间可随意调节,可以从几秒钟至几个小时,并能准确地控制,浆液一经发生凝胶就在瞬间完成。

(3)浆液的稳定性好。在常温常压下,长期保存不发生任何化学反应,不改变其性质。

(4)浆液无毒无臭。不污染环境,对人体无害,属非易爆物品。

(5)浆液容易清洗,并对注浆设备、管路、混凝土结构物、橡胶制品等无腐蚀性。

(6)浆液固化时无收缩现象,固化后与岩石、混凝土等有一定的黏结性。

(7)浆液结石体有一定的抗拉和抗压强度,抗渗性能和防冲刷性能良好,不龟裂。

(8)结石体耐老化性能好,能长期耐酸、碱、盐、生物细菌等腐蚀,而且不受温度和湿度的影响。

(9)材料来源丰富,价格低廉。

(10)浆液配制方便,操作简单。

按注浆目的的不同选择浆材,见表6-10。

表6-10　按注浆目的不同选择注浆材料

6.2.5 灌浆机理

从灌浆工程的目的来看,可以分为用于提高受灌岩体或土体强度和变形模量的固结灌浆;用以提高防渗性能的防渗帷幕灌浆;用于填充衬砌结构与岩石或混凝土间空隙的回填灌浆;介于固结与防渗灌浆之间,用于改善坝体与坝基接触面条件的铺盖灌浆。所采用的灌浆技术和工艺不同,其所依据的理论和机理也各不相同。在地基处理中,灌浆工艺所依据的机理主要可归纳为以下4种。

1.渗透灌浆

渗透灌浆(premeation grouting)是指在压力作用下,使浆液充填于土孔隙和岩石裂隙中,排挤出孔隙中存在的自由水和气体,而基本上不改变原状土的结构,所用灌浆压力相对较小。大量的灌浆实践是属于这一类型的。这种灌浆只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。影响渗透灌浆效果的主要因素有可灌比值和浆液的黏度等。对于砂砾石,可灌比值应在10～ 15之间[为达到灌浆预期效果,也可按土层渗透系数的大小选择合适的浆液,如:当渗透系数k>(2～3)×10-1cm/s时,可用水泥灌浆;当渗透系数k>(5～6)×10-2cm/s时,可用水泥黏土浆]。浆液的黏度越大,其流动阻力也越大,能灌注的孔隙尺寸也越大,或者需要较高的压力以克服浆液的流动阻力。此外,除了丙凝等少数浆材外,浆液黏度会随着时间的延长而增大,这一特性也会对灌浆的效果产生重大影响。还有,地层的渗透系数、孔隙或裂隙尺寸、浆液的黏度、灌浆压力和灌注时间等,都会影响浆液的扩散范围。

具代表性的渗透灌浆理论有球形扩散理论、柱形扩散理论和袖套管法理论。

(1)球形扩散理论。图6-2为球形扩散理论的简化计算模式,1938年Maag假定:

1)被灌砂土是均质和各向同性的;

2)浆液为牛顿体;

3)浆液从注浆管底端注入地基土内;

4)浆液在地层中呈球形扩散。

图6-2　注浆管底端注浆球形扩散

根据达西定律:

积分后

当r=r0时,h=H;当r=r1时,h=h0,代入上式,并已知

由于,r1>>r0,所以有

由,所以

或者

式中:k为砂土的渗透系数,cm/s;Q为灌浆量,cm3;kq为浆液在地层中的渗透系数,cm/s, ;β为浆液黏度与水的黏度比;A为浆液渗透面积,cm2;r0、r1为浆液的扩散半径,cm; h、h1为灌浆压力的深度,以厘米水头表示;h0为注浆点以上的地下水压力水头的深度,cm;H为地下水头压力与灌浆压力的深度之和,cm;r0为灌浆管半径,cm;t为灌浆时间,s;n为砂土的孔隙率。

(2)柱形扩散理论。柱形扩散理论是另一种渗透理论,图6-3为柱形扩散理论的模型。当牛顿流体作柱形扩散时,

式中的符号意义同前。

2.劈裂灌浆

劈裂灌浆(fracturing grouting)是指在相对较高的灌浆压力下,浆液克服了地层的初始应力和抗拉强度,引起岩石和土体结构的破坏和扰动,引起地层的水力劈裂现象,使地层中原有的裂隙或孔隙张开,形成新的裂隙和孔隙;使原来不可灌的地层能顺利进浆,并增加浆液的扩散距离。在灌浆压力消失后,地层的回弹又进而压缩浆体,使充填更为密实,并使结石处于一定的预压应力状态。这是一种特殊的灌浆机理和技术,能有效地用于处理一些特殊问题。

(1)黏性土地层。在黏性土地层中,水力劈裂将引起土体固结,产生挤出等现象。在土层只有固结作用的条件下,注入浆液的体积V和单位土体所需要灌入的浆液量Q可由下式计算

式中:R为浆液的扩散半径,m;p0为灌浆压力,kPa;p为有效灌浆压力,kPa;u为孔隙水压力,kPa;m为黏土层的体积压缩系数,kPa-1。

当存在多种劈裂现象时,可以用下式确定土层被固结的程度

图6—3　浆液柱状扩散

式中:V为灌入土中的水泥结石的总体积,m3;n0为土的天然孔隙率;n1为灌浆后土的孔隙率。

(2)砂、砂砾石地层。按照有效应力的库仑-摩尔破坏准则计算,有

式中: 分别为有效的大主应力和小主应力,kPa;c'为土的有效黏聚力,kPa,φ'为有效内摩擦角,(°)。

在灌浆压力作用下,砂砾石地层中的有效应力减小。当灌浆压力pe达到下式时,地层就会被破坏。

式中:γ为砂或砂砾石的重度,kN/m3;γw为水的重度, kN/m3;h为灌浆段深度,m;hw为地下水位高度,m;k为主应力比。

式(6-10)所代表的破坏机理如图6-4所示。从图中可见,随着孔隙水压力的增加,有效应力逐渐减小到与破坏包线相切,此时表明砂砾土已开始劈裂。

对于岩石地基,目前常用的高压灌浆压力为8～10MPa,不可能在新鲜岩石内产生新的裂隙,主要是原有隐裂隙或微裂隙的扩张。在有夹泥层或泥质充填洞穴的情况下,可在灌浆压力作用下,产生不规则的水力劈裂裂缝,使浆液得以渗入,从而形成相互切割的脉状水泥浆脉,起骨架作用,达到加固的目的。而且,在灌浆结束后,地层的回弹作用使凝固的浆脉处于预应力状态,增强防渗或加固效果。

3.压密灌浆

压密灌浆(compaction grouting)是通过钻孔向土中灌入浓度极大的浆液,使注浆点附近土体压密,在注浆管端部附近形成“浆泡”(图6-5)。

压密灌浆开始时,灌浆压力基本上沿径向扩散。随着浆泡尺寸的逐渐增大,便会产生较大的上抬力,能使地面上升,或使下沉的建筑物回升,而且位置可以控制得相当精确。

浆泡形状一般为球形或圆柱形。在均匀土中的浆泡形状相当规则,而在非均质土中很不规则。浆泡的最后尺寸取决于很多因素,如土的密度、含水量、力学性质、地表约束条件、灌浆压力和注浆速率等。有时浆泡的横截面直径可达1m或更大。实践证明,离浆泡界面0.3～ 2.0m内的土体都能受到明显的加密。

压密灌浆常用于中砂地基,黏性土地基中如果有适宜的排水条件也可采用。若遇排水困难,就有可能产生高孔隙水压力,这时必须采用很低的注浆速率。这种方法也可用于非饱和土体,以调整其不均匀沉降,以及在大开挖或隧道开挖时对邻近土体进行加固。

图6-4　假想的水力破坏机理

图6-5　压密灌浆原理示意图

4.电动化学灌浆

当地基土的渗透系数k<10-4cm/s,只靠一般的静压力难以使浆液注入到土的孔隙中,这时就需要采用电渗作用使浆液进入土中。

电动化学灌浆(electrochemical iniection)是指在施工时,将带孔的注浆管作为阳极,用滤水管作为阴极,将溶液由阳极压入土中,并通以直流电(阴阳两极之间的电压梯度一般采用0.3～1.0V/cm)。在电渗作用下,孔隙水由阳极流向阴极,促使通电区域中土的含水量减少,并且形成渗浆通道,化学浆液随之流入土的孔隙中,之后在土中硬结。所以,电动化学灌浆是在电渗排水和灌浆法的基础上发展起来的一种加固方法。有一点必须注意,由于电渗排水作用,可能会引起周围邻近建筑物基础的附加沉降和不均匀沉降,导致建筑物开裂。

灌浆法的加固机理主要包括化学胶结作用、惰性填充作用和离子交换作用。

根据灌浆工程实践的经验和室内试验可知,灌浆加固后的强度增长是一种复杂的物理化学过程,受多种因素的影响和制约。除了采用的灌浆材料外,浆液与界面的结合形式、浆液饱和度以及时间效应是3种重要的影响因素。浆液与介质接触面具有良好的接触条件,无疑会使介质的强度增长。裂隙和孔隙被浆液填满的程度称为浆液的饱和度,一般而言,浆液的饱和度越大,被灌介质的强度也越高。当然,控制好浆液的搅拌时间和灌注时间等也是灌浆法很重要的工作内容。

6.2.6 灌浆的设计与计算

1.灌浆设计程序和内容

(1)灌浆的设计程序。一般情况下,地基的灌浆设计应遵照下面程序进行。

1)工程调查。在进行岩土体的灌浆设计前,应该进行详细的工程调查:工程类别及主要特点,灌浆的原因和基本要求,施工现场的地形和地质条件,地下水的水质和水力特性,周围环境及原地下结构物的情况,浆液的产地和价格。

2)选择灌浆方案。根据地质条件、工程性质和类型、地基处理的目的和要求等,初步选择灌浆方案,包括处理范围、灌浆材料、灌浆方法等。一般应优先考虑水泥系浆材,在特殊情况下才考虑化学浆材。在选择灌浆方案时,必须把技术上的可行性和经济上的合理性综合起来考虑。

3)灌浆试验。在初步选择了灌浆方案之后,除了要进行室内的灌浆试验外,对较为重要的工程,还应选择有代表性的地段进行现场灌浆试验,以便为确定灌浆技术参数及灌浆施工方法提供依据。

4)设计和计算。确定各项灌浆参数和技术措施。

5)补充和修改设计。在灌浆施工期间和竣工后的使用过程中,根据观测所得的异常情况,对原设计进行必要的修改。

(2)灌浆工程的设计内容。灌浆工程的设计内容主要包括以下几个方面:

1)灌浆标准。灌浆标准是指岩土体或者结构经过灌浆处理后应该达到的质量标准。灌浆标准的高低,直接关系到灌浆工程的工程量、进度、造价和建(构)筑物的安全。因此,应根据灌浆工程要求达到的效果和质量指标来确定灌浆标准。

2)施工范围。灌浆的施工范围就是指灌浆的深度、长宽和宽度。

3)灌浆材料。灌浆所使用的浆材种类、浆液配方等。

4)灌浆影响半径。灌浆影响半径是指浆液在灌浆设计压力下,所能够达到的有效扩散距离。

5)钻孔布置。根据灌浆影响半径和灌浆体的设计厚度,确定灌浆孔的布置形式、孔距、排距、孔数和排数。

6)灌浆压力。灌浆施工中采用的灌浆压力是根据不同地区和不同灌浆深度确定的允许最大灌浆压力。

7)灌浆效果评价。在灌浆施工和竣工以后,均需要采用各种检验手段和方法来检测灌浆的加固效果。

2.灌浆方案的选择原则

灌浆方案的选择一般应遵循下述原则:

(1)如果是以提高地基强度和变形模量为目的,一般可选用水泥系浆材,如水泥浆、水泥砂浆和水泥水玻璃浆等,或者环氧树脂、聚氨酯等高强度的化学浆材。

(2)如果是以防渗堵漏为目的,可采用黏土水泥浆、黏土水玻璃浆、水泥粉煤灰混合物、丙凝和铬木素等浆材。

(3)在裂隙岩层中灌浆,一般采用纯水泥浆、水泥浆或水泥砂浆中加入少量膨润土;在砂砾石地层中或溶洞中,宜采用黏土水泥浆;在砂层中一般只采用化学灌浆;在黄土中则采用碱液法或单液硅化法。

(4)渗入灌浆一般在砂砾石地层或岩石裂隙中采用,水力劈裂灌浆用于砂层,黏性土层中采用水力劈裂法或电动硅化法,纠正建筑物不均匀沉降则采用压密灌浆法。

另外,选用浆材还应考虑其对人体的危害或对环境的污染问题。这些问题已经越来越引起工程界的重视,尤其是在国外,往往成为灌浆方案取舍的决定因素。

灌浆方法的选择可参考表6-11。

3.灌浆标准

灌浆的目的不同,其灌浆标准也有所不同。

(1)防渗标准。防渗标准是指对地层或结构经过灌浆处理后应该达到的渗透性要求,是工程中为了减少地基的渗透流量,避免渗透破坏而对地层的渗透性要求。应根据工程的特点,通过技术、经济以及工期的对比,确定一个相对合理的防渗标准。防渗标准越高,表明地基灌浆后的渗透性越低,灌浆质量也越好。

对重要的防渗工程,要求灌浆后地基土的渗透系数减小到10-4～10-5cm/s以下。

表6-11　根据不同对象和目的选择灌浆方法

但是,防渗标准越高,灌浆技术的难度也越大,因此,灌浆的工程量和造价也就越高。原则上,对比较重要的建筑物、对渗透破坏比较敏感的地基、对地基渗漏量必须严格控制的工程,都需要采用较高的防渗标准。

(2)强度和变形标准。强度和变形标准是指对地层或结构经过灌浆处理后应该达到的强度和变形标准,是在工程中为提高地基或结构的承载能力、物理力学性能,改善其变形能力,对抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、变形模量、蠕变特性等方面指标的要求。

强度和变形标准随着工程要求的不同而不同,例如,为了减少坝基基础的不均匀变形,应在坝下游基础受压部位进行固结灌浆,以提高地基土的变形模量;为了减小挡土墙上的土压力,应该在挡土墙墙背至滑动面附近的土体中灌浆,以提高地基土的重度和抗滑面的抗剪强度。

(3)施工控制标准。工程应用中,防渗标准、强度和变形指标往往难以确定。同时,灌浆质量指标的检验在施工结束后才能进行,有时又受各种条件的限制甚至不能进行检验。为了保证工程的质量,灌浆工程经常采用施工控制标准。

制定施工控制标准,可以保证获得最佳的灌浆效果。

1)灌浆量控制标准。灌浆量控制标准常用于各种地基土的渗透灌浆。

正常情况下,理论灌浆量Q为

式中:V为设计的灌浆体积,m3;n为土的孔隙率;m为无效注浆量,m3。

由于灌浆是按照逐步加密的原则进行的,孔段灌浆量应随着加密次序孔的增加而逐渐减少。因此,应按灌浆量降低率进行控制。如果起始孔距布置正确,则第二次序孔的灌浆量将比第一次序孔大为减小,这是灌浆取得成功的标志。

2)灌浆压力控制标准。根据工程需要,参考灌浆试验或者经验,可以设计出一定的灌浆压力作为控制标准。实施灌浆施工时,采用给出的灌浆压力和灌浆结束条件进行控制。在《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL62—94)中的灌浆压力控制标准是:在规定的压力下,当灌入率不大于0.4L/min时,继续灌注60(30)min;或当灌入率不大于1L/min时,继续灌注90 (60)min,灌浆结束。

3)灌浆强度值(GIN)控制标准。隆巴迪指出,一定的灌浆压力和灌入量的乘积,就是所谓的能量消耗程度(GIN值),可作为灌浆的控制标准。

4.浆材的选择

根据土质不同和灌浆目的不同,应选择合适的浆材,详见表6-12和表6-13。

表6-12　按土质不同选择注浆材料

表6-13　按注浆目的的不同选择注浆材料

5.扩散半径的确定

浆液的扩散半径r是一个很重要的参数,它对灌浆工程量以及工程造价的影响很大。浆液的扩散半径可以按理论公式进行估算,最好通过现场灌浆试验来确定。

现场灌浆试验时,常采用等边三角形(图6-6)和矩形(图6-7)的布孔方法。

灌浆试验结束后,应对浆液的扩散半径进行评价。为此,需要进行以下工作:

(1)进行钻孔注水或压水试验,求出灌浆体的渗透性;

(2)钻孔取样,检查孔隙充浆情况;

(3)人工开挖竖井或施工大口径钻井,用肉眼检查地层充浆情况,采样进行室内试验。

图6-6　三角形布孔
(a)简单等边三角形布孔;(b)复杂等边三角形布孔
1.灌浆孔:2.检查孔;3.第Ⅰ次序孔;
4.第Ⅱ次序孔;5.第Ⅲ次序孔;6.检查孔

图6-7　矩形或方形布孔
(a)方形布孔;(b)矩形布孔
1.灌浆孔:2.试井;3.检查孔;4～7.第Ⅰ次
序孔;8.第Ⅱ次序孔;9.检查孔

6.孔位布置

注浆孔布置是根据浆液注浆的有效范围能相互重叠,使被加固的土体在平面和深度范围内连接成一个整体的原则决定的。

(1)单排孔布置。如图6-8所示,假定浆液的扩散半径r为已知,则灌浆体的厚度b为

式中:l为灌浆孔孔距。

当l=2r时,b=0。

如果灌浆体的设计厚度为T,则灌浆孔孔距为

按上述公式设计孔距时,可能会出现下列情况:

1)当l值接近于零时,b值仍不满足设计厚度,这时可作多排孔布置;

2)虽然单排孔能满足设计要求,但如果孔距太小,则灌浆孔数量过多,因此,应该与两排孔方案进行比较,以择其优;

3)当l值较大且设计的T值也较大时,对减少钻孔数量是有利的。但因l值越大,可能造成的浆液浪费也很大。

如图6-9所示,每个灌浆孔的无效面积为

图6-8　单排孔的布置

图6-9　无效面积计算图

式中:L为弓长,m,L=l;h为弓形高,m,h=r-(T/2);T为设计帷幕厚度,m。

设土的孔隙率为n,且浆液填满整个孔隙,则浪费的浆液量为

图6-10　孔排向的最优搭接

这说明在某些情况下,并不是浆液的扩散半径r值越大越好。所以,应该进行钻孔费用和浆液费用的优化选择,使综合费用最小为宜。

(2)多排孔布置。若单排孔厚度不能满足设计要求,就要采用两排以上的多排孔,图6-10为两排孔正好紧密搭接的最优化设计布孔方案,并可以推导出最优排距Rm和最大灌浆有效厚度Bm的计算公式。

奇数排孔:

偶数排孔:

式中:n为灌浆排数。

在设计工作中,经常遇到n排孔厚度不够,但(n+1)排孔厚度又偏大的情况。此时,可以按照上述方法,对钻孔费用和浆材费用进行比较,以便确定合理的孔距。如果有必要,可以采用加大孔距的办法来调整。

当排距时,两排孔正好紧密搭接,最大限度地发挥了各个灌浆孔的作用,是一种最优的设计。

灌浆孔位以三角形布置效率最高。

7.允许灌浆压力的确定

允许灌浆压力是指不会使地面产生变形和邻近建(构)筑物不会受到影响的前提下可能采用的最大灌浆压力。

灌浆压力值与所要灌注的地层土的密度、强度、初始应力、钻孔深度、位置及灌浆次序等因素有关,而这些因素又难以准确预知,所以,宜采用现场灌浆试验来确定允许灌浆压力。

进行灌浆试验时,一般是采用逐步提高灌浆压力的方法,求得灌浆压力与灌浆量的关系曲线。当灌浆压力升高到某一数值时,灌浆量突然增大,表明地层结构发生破坏或者孔隙尺寸已经被扩大,因此,可将此时的灌浆压力值作为确定的允许灌浆压力。

灌浆压力与灌浆机理关系密切,《上海市地基处理技术规范》中规定:“对压密注浆,注浆压力主要取决于浆液材料的稠度。如采用水泥-砂浆的浆液,坍落度一般在25～75mm,注浆压力应选在1～7MPa范围内,坍落度较小时,注浆压力可取上限值,如采用水泥-水玻璃双液快凝液,则注浆压力应小于1MPa。”

当缺乏试验资料时,或在进行现场灌浆试验前需要预定一个试验压力,可用理论公式或经验数值确定允许灌浆压力,其后在实际灌浆过程中根据具体情况再进行调整。

8.其他

(1)灌浆量。灌浆过程中,由于浆液不可能完全充满于土的孔隙体积中,而土中水分也占据了孔隙的部分体积,所以,灌浆量的体积不可能等于土的孔隙体积,通常乘以小于1的灌注系数,并考虑浆液的损失,故灌注的浆液总量Q可参照下式计算

式中:Q为浆液总用量,L;V为被灌注的土体积,m3;n为土的孔隙率;K为经验系数,软土、黏性土和细砂,取K=0.3～0.5,中砂和粗砂,取K=0.5～0.7,砾砂取K=0.7～1.0,湿陷性黄土,取K=0.5～0.8。

一般情况下,黏性土地基中的浆液注入率为15%～20%。

(2)注浆顺序。注浆顺序是以能提高对浆液的约束力为原则而确定的。注浆顺序必须适合于地基条件、现场环境及注浆目的,一般不宜采用从注浆地带某一端开始,单向推进的压注方式,而应该按照跳孔间隔注浆的方式进行,可防止注浆孔之间串浆,提高注浆孔内浆液的强度和逐渐增加的约束性。当存在地下水流动的情况时,应考虑浆液的迁移效应,需从地下水水头高的一端开始注浆。若加固渗透系数相同的土层,可以首先进行最上层的封顶注浆,然后再按照由上而下的原则进行注浆,以防止浆液上冒。如果土层的渗透系数随土层深度的增加而增大,则应自下而上地进行注浆。

注浆时,宜采用先外后内的注浆顺序。若注浆范围以外有边界约束条件可以阻挡浆液的流动,也可以采用自内向外的注浆顺次。

(3)凝结时间。一般情况下,凝结时间是指从浆液拌和配制至浆液失去塑性的时间。由于各种浆液的成分各异,其凝结时间的变化幅度也比较大。例如,化学浆液的凝结时间可在几分钟至几个小时内进行调整,水泥浆的凝结时间则为数小时,而黏土水泥浆的凝结时间则更长。

为了达到预期的加固效果,浆液的凝结时间应该足够长,以便使计划注浆量能渗入到土层预定的影响半径范围内。在地下水中灌浆时,除了要控制注浆速率,以防浆液被过分稀释或被冲走外,还应使浆液能在灌浆过程中凝结。可见,对浆液的凝结时间进行控制是完全必要的。目前,由于各行业测定各类浆液的凝结时间没有规定的统一标准,故难以对凝结时间作出严格定义。

以水泥浆为例,可将其凝结时间分为初凝时间和终凝时间。由加水拌和到水泥浆开始失去塑性的时间(此时水泥中的胶体开始凝结)称为初凝时间。由加水拌和到水泥浆完全失去塑性并开始产生强度的时间称为终凝时间。在工程实践中,不管采用何种浆液,都需要根据被灌浆土层的体积、渗透性、孔隙尺寸和孔隙率、浆液的流变性以及地下水的流速等实际情况对凝结时间进行控制。

在进行浆液配方和灌浆设计时,还可根据灌浆的特点和需要,把浆液的凝结时间分为以下4种:

1)极限灌浆时间。达到极限灌浆时间后,浆液已经具有相当的结构强度,其阻力已达到使注浆速率极慢或等于零的程度。

2)零变位时间。在这个时间内,浆液已经具有足够的结构强度,以便在停止灌浆后,能够有效地抵抗地下水的冲蚀和推移作用。

3)初凝时间。由于浆液的成分和性能各异,需规定出适用于不同浆液的标准试验方法,以测出相应的初凝时间,供研究配方时参考。

4)终凝时间。终凝时间代表浆液已经达到最终强度。对各类浆液而言,仍需要按照标准方法测定。在终凝时间内,浆液材料的化学反应实际上已经终止了。

前两种凝结时间对一般防渗灌浆工程特别重要。但在某些特殊条件下,如在粉细砂层中开挖隧道或基坑时,为了缩短工程和确保安全,终凝时间就成了重要的控制指标。

6.2.7 注浆施工工艺

1.注浆施工方法的分类

一般注浆施工方法可分为两种:按注浆管设置方法分类和按注浆材料混合方法或灌注方法分类,如表6-14所示。

表6-14　注浆施工方法分类表

(1)按注浆管设置方法分类。

1)钻孔方法。与其他方法比较,钻孔方法具有不扰动原地基土和可以使用填塞器等优点,但一般工程费用比较高。此法主要用于基岩、砂砾层及已经压实过的地基的灌浆施工。

2)打入方法。在注浆管顶部安装柱塞,将注浆管或有效注浆管用打桩锤或振动机打入地层中。前者打进后拉起注浆管以便拆卸柱塞,所以不能从上向下灌注;后者在打入过程中,注浆管的孔眼易堵塞,洗净注浆管则耗时较多。当灌浆深度较小时可采用此法。

3)喷注方法。利用泥浆泵,设置用水喷射的注浆管,但容易扰动地基土。在比较均质的砂层或注浆管难以打入的地方可采用此方法。

(2)按灌注方法分类。

1)一种溶液一个系统:所有材料在一起预先混合均匀,然后再注浆,适用于凝胶时间较长的情况。

2)两种溶液一个系统:溶液A和溶液B分别在不同的容器中制备,再分别用泵输送至注浆管的顶部汇合。这种混合灌注方法适用于凝胶时间较短的情况。

3)两种溶液两个系统:将溶液A和溶液B分置于不同的容器中,用不同的泵输送,在注浆管(并列管、双层管)顶端流出的瞬间,两者汇合而注浆。此法适用于凝胶时间是瞬时的情况。

(3)按注浆方法分类。

1)钻杆注浆法。首先通过钻孔作业,使注浆用的钻杆(单管)达到设计深度后,把浆液通过钻杆送入地层中。注浆材料在进入钻孔之前,先把溶液A和溶液B混合,随着化学反应的进行,浆液的黏度逐渐升高,并在地基内凝胶(图6-11)。

图6-11　钻杆注浆施工方法
(a)安装机械,开始钻孔;(b)打钻完毕,注浆开始;(c)阶段注浆;(d)注浆结束,水洗,移动

钻杆注浆法与其他注浆法比较,具有操作容易、施工费用较低的优点。但是,浆液易沿着钻杆与钻孔的间隙往地面喷浆,或沿着垂直单一的方向喷射,造成浆液的较大浪费,并且使加固效果降低。

2)单过滤管注浆法。将过滤管设置于钻好的地层中并将砂填入管内下半段,用填充物(黏性土或注浆材料)封闭注浆范围以上的过滤管与地层之间的空隙,不使浆液溢出地表。一般从上向下依次注浆。每注完一段,用水将过滤管内的砂冲洗出来后反复上述操作(图6-12)。这种方法比钻杆注浆方法的可靠性要高。

如果有许多注浆孔,注完各个孔的第一段以后,依次采用下行的方式进行第二段、第三段等各段的注浆,直至注浆完成。

3)双层管双栓塞注浆法(又称袖阀管法)。在注浆管下端不同高度处设有两个栓塞,使注浆材料从栓塞中间向外渗出的方法,此法为法国Soleanche公司首创,故又称Soleanche法。20世纪50年代末,Soleanche法在国际土木工程界得到了广泛的应用。国内20世纪80年代末逐渐开始将该法应用于砂砾层的渗透灌浆、软土层的劈裂灌浆和深层土体的劈裂灌浆。目前有代表性的方法还有双层过滤管法和套筒注浆法。

双层管双栓塞注浆法最为先进,其施工方法分为以下4个步骤:

第一,钻孔。孔径一般为80～100mm,钻孔垂直度误差应小于1%。常用优质泥浆(如膨润土浆)进行护壁,很少用套管护壁。

第二,插入袖阀管。袖阀管一般为内径50～60mm的塑料管,其厚度均匀,每隔33～ 50cm,在塑料管上钻一组射浆孔,外包橡皮套,应设法使袖阀管位于钻孔的中心。

第三,孔内浇注套壳料。其作用是封闭单向袖阀管与钻孔壁之间的空隙。用套壳料置换孔内泥浆,浇注时应避免套壳料进入袖阀管内,并严防孔内泥浆混入套壳料中。

图6-12 单过滤管注浆法施工顺序
(a)利用岩芯管等钻孔;(b)插入过滤管;(c)管内外填砂及黏土;(d)第一阶段注浆;(e)第二阶段注浆,第一阶段砂洗出;(f)反复(d)、(e)直至注浆完毕;(g)提升过滤管;(h)过滤管孔回填或注浆

第四,灌浆。在封闭泥浆(套壳料)达到一定强度后,在单向袖阀管内放入带双塞的密封注浆管进行分段灌浆。每段灌浆时,首先加大灌浆压力使浆液顶开橡皮套,挤破套壳料,然后将浆液注入地层。

图6-13为袖阀管法的施工顺序图。

图6-13　双层管双栓塞注浆法施工顺序
(a)钻孔后插入套管;(b)插入外管;(c)注入封填材料,提升套管;(d)插入带双止浆塞的注浆管,开始注浆

4)双层管钻杆注浆法。双层管钻杆注浆法是将A溶液和B溶液分别输送到钻杆的端头,浆液在端头所安装的喷枪里混合,或者从喷枪中喷出并混合后再注入到地基中。

双层管钻杆注浆与钻杆法注浆的注浆设备、施工原理基本相同,注浆顺序等也相同,不同的是双层管钻杆注浆法的钻杆在注浆时为旋转注浆,同时在端头增加了喷枪,而且注浆段长度较短,注浆密实,且浆液集中,不会向其他部位扩散,所以原则上可采用定量注浆方式。

2.注浆施工的机械设备

注浆施工机械及性能如表6-15所示。在城市房屋建筑中的注浆深度通常在40m以内,所以使用小孔径的钻机和主轴回转式的油压钻机性能较好。机具就位后应将其固定好,以保证安全及施工质量。

表6-15　注浆机械设备的种类和性能

3.灌浆

(1)注浆孔的钻孔直径一般为70～110mm,垂直偏差应小于1%。注浆孔有设计倾角时,应该预先调节钻杆的角度,倾角偏差不得大于20″。

(2)当钻孔钻至设计深度后,必须通过钻杆注入封闭泥浆,直至孔口溢出泥浆后再提钻杆。当钻杆提升至设计深度的一半时,应再次注入封闭泥浆,最后完全提出钻杆。封闭泥浆浆液的黏度为80～90Pa·s,其7d的无侧限抗压强度宜为0.3～0.5MPa。

(3)灌浆压力一般与加固深度的覆盖压力、建(构)筑物的荷载、浆液黏度、灌浆速度和灌浆量等因素有关。注浆过程中的压力是变化的,初始压力小,最终压力高。在一般情况下,每增加1m深度,注浆压力增加20～50kPa。

(4)若进行第二次注浆,化学浆液的黏度应较小,宜采用两端用水加压的膨胀密封型注浆芯管。

(5)灌浆完毕后应及时用拔管机拔管,否则,浆液会把注浆管凝固住而增加拔管的困难。拔出注浆管后,还应及时刷洗注浆管等设备,以保注浆管畅通。拔管后留下的孔洞,应用水泥砂浆或土料填塞。

(6)灌浆的流量一般为7～10L/min。对充填型灌浆,流量可适当加快,但也不宜大于20L/min。

(7)在满足强度的前提下,可用磨细的粉煤灰或粗灰代替部分水泥,掺入量应通过试验确定,一般掺入量约为水泥质量的20%～50%。

(8)为了使浆液的性能得到改善,可以在制备水泥浆液时加入下列外掺剂:

1)水玻璃。可加速浆体凝固,其模数应为3.0～3.3。水玻璃的掺入量应通过试验确定,一般为0.5%～3%。

2)三乙醇胺等。可以提高浆液的扩散能力和可泵性,其掺入量为水泥用量的0.3%～ 0.5%。

3)膨润土。可以提高浆液的均匀性和稳定性,防止浆液中固体颗粒的离析和沉淀,其掺入量不得大于水泥用量的5%。

浆体必须经过搅拌机充分搅拌均匀后,才能开始灌注,并应在灌注过程中不停地缓慢搅拌,在泵送前还应通过筛网过滤。

(9)冒浆处理。由于土层的下部压力高于上部,在灌浆过程中,浆液就会向上部抬起。当灌注深度不大时,浆液上抬较多,甚至会溢出地表面,此时应将一定数量的浆液注入上层孔隙大的土中后,间歇一定时间,让浆液凝固,反复几次,可以把上抬的通道堵死(即间歇灌注法);或者加速浆液凝固速度,使浆液冒出注浆管就很快凝固。工程实践表明,需加固的土层区段以上应有不小于1m厚的封闭土层,否则要采取措施以防止冒浆。

(10)灌浆顺序。必须采用适合于地基条件、现场环境以及灌浆目的的灌浆顺序。一般不宜采用自灌浆地带某一端单向推进的灌浆方法,应该按照间隔跳孔的方式灌浆,可以保证先灌浆的孔内浆液强度增加到一定值,防止串浆,提高灌浆的效率。对有地下水流动的特殊情况,应该考虑浆液在动水流作用下的迁移效应,可以从水头高的一端开始灌浆。如果浆液范围内的土层渗透系数不同,首先应该完成最上层土的封顶灌浆,然后,再按照从上而下的原则进行灌浆,以防止浆液上串。若土层的渗透系数随深度而增大,则应自下而上进行灌浆。灌浆时应采用先外围后内部的灌浆顺序。若灌浆范围以外有边界约束条件(可以阻挡浆液流动的障碍物)时,也可以采用自内侧开始往外的灌浆顺序。

灌浆法调查、设计和施工流程见图6-14。

6.2.8 灌浆法质量检验

灌浆质量检验一般指检验灌浆施工是否合乎设计要求和施工规范,如灌浆材料的品种规格、浆液配比和性能、钻孔位置和角度、灌浆压力等都要求符合规范的要求,否则应根据具体情况采取适当的补救措施。

灌浆效果是指灌浆后地基土的物理力学性质提高的程度。灌浆质量高并不等于灌浆效果好。因此,在设计和施工中,除了明确某些质量指标外,还应该规定所要达到的灌浆效果及其检查方法。

灌浆效果的检验,通常在注浆结束后28d方可进行,检验方法如下。

1.统计计算灌浆量

可利用灌浆过程中的浆液流量和灌浆压力自动曲线进行分析,从而判断灌浆加固的效果。

图6-14　灌浆法调查、设计和施工流程图

2.现场抽水试验等

在灌浆体内的薄弱部位,如地质条件不好、灌浆质量有问题或者灌浆孔之间的搭接部位等处,进行现场钻孔的压水、注水或抽水试验,测定地层灌浆前后的渗透性变化,不合格者需要补充灌浆。对防渗灌浆而言,这是基本的和直接的检查手段。对加固灌浆而言,这是反映被灌地层的充填密实程度及力学性质是否改善的重要参考指标。

3.室内土工试验

在被灌体内钻孔或开挖,取原状试样做室内土工试验,以此对灌浆效果作出确切的评价。

4.静载荷试验

测定灌浆加固土体的承载力和变形模量。

5.标准贯入试验等

采用标准贯入试验或者轻便触探等动力触探方法,测定被灌体的力学性能,进行加固前后的对比。

6.钻孔弹性波试验

在被灌体内钻孔,进行声波速度、动弹性模量、剪切模量试验,并将试验结果与灌浆之前作对比,以评价灌浆的加固效果。

7.其他方法

可以采用地球物理勘测方法,如试验电阻率法、γ射线密度计法,对灌浆前后的土体电阻率和土的密度进行比较,用以说明灌浆效果,也可以对加固体进行开挖,进行原型观测。

上述方法中的动力触探和静力触探试验最简便实用。检查孔数约为灌浆孔总数的5%～ 10%。如果检验点的不合格率等于或大于20%,或者虽然小于20%但检验点的平均值达不到设计要求,应该在确认设计原则正确后,对不合格的灌浆区进行重复灌浆。

6.3 高压喷射注浆法

6.3.1 概述

高压喷射注浆法(high pressure jet grouting)一般是利用钻机钻至设计处理深度形成导孔,再将带有特殊喷嘴的喷射管插入至设计的土层深度,用高压设备使浆液或水和气达到20MPa左右甚至更高的高压流从喷嘴中喷射出来,冲击破坏土体,同时钻杆以一定的速度渐渐向上提升,将浆液与土粒强制搅拌混合,经过凝结固化,便在土中形成一定形状的固结体。高压喷射固结体的形状与喷射流的作用方向、移动的轨迹和持续喷射的时间有关,一般分为旋转喷射(简称旋喷)、定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)3种注浆形式(图6-15)。

图6-15　高压喷射注浆的3种形式

旋喷法施工时,若喷嘴一边喷射一边旋转和提升,则固结体呈圆柱状,该法主要用于加固地基,提高地基土的抗剪强度,改善地基土的变形性质;也可以组成封闭的帷幕,用于阻截地下水流和治理流砂。旋喷法施工在地基中形成的圆柱体称为旋喷桩。

定喷法施工时,喷射方向固定不变,喷嘴一边喷射一边提升,固结体形状如壁状或板状。

摆喷法施工时,喷射方向呈较小的角度来回摆动,喷嘴一边喷射一边提升,固结体形状如较厚的墙状。

定喷和摆喷两种方法通常用于基坑防渗、改善地基土的渗流性质和稳定边坡、保护邻近建筑物等工程。

高压喷射注浆法创始于20世纪60年代后期的日本,它是在静压灌浆的基础上,应用高压喷射技术而创立起来的。静压灌浆是化学加固法的一种,对于细砂类土和含泥量大的黏性土等软弱地基,由于浆液不能均匀渗透,加固效果较差。随着科学技术的发展,现代工业提供了高压泵、硬质合金喷嘴等先进的技术装备,水力采煤的应用和高压水喷射流切割技术的发展,为新注浆法的诞生创造了物质基础和理论条件。于是,别具一格的新型高压喷射注浆法便应运而生。高压喷射注浆法当时定名为CCP工法,在1973年莫斯科举行的第八届国际土力学会议上,这一发明得到各国岩土工程专家的称赞和重视。

我国是在日本之后研究开发高压喷射注浆法较早和应用范围较广的国家。铁道部科学研究院于1972年率先开发高压喷射注浆法,并于1973年8月进行高压喷射注浆法的试验研究, 1974年开始用于工程实践中。1975年,我国冶金、水电、煤炭、建工等部门以及部分高等院校也相继进行了试验和研究。目前,我国对高压水射流在空气中的几何特性、运动特性和动力特性、射流对岩土的破坏机理和针对不同射流的不同喷嘴结构的研制以及射流喷嘴参数的影响规律等一系列问题的研究都有了很大的突破。至今,高压喷射注浆法已经成功应用于有建筑物和新建工程的地基处理、深基坑地下工程的支挡和防护及地下防渗帷幕等工程中,且已经成为我国常用的施工方法之一。

经过多年的工程实践和发展,高压喷射注浆法已经列入《地基与基础工程施工及验收规范》(GBJ50202—2002)和《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)中。其他国家,如法国、德国、美国、意大利、瑞典、前苏联等使用高压喷射注浆技术起步于20世纪80年代,虽然起步较晚,但机械设备的效率较高。

6.3.2 高压喷射注浆法工艺类型

目前,高压喷射注浆法的基本工艺类型有:单管旋喷注浆法(简称单管法)、二重管法、三重管法和多重管法4种。

1.单管旋喷注浆法

单管旋喷注浆法是利用钻机把安装在注浆管(单管)底部侧面的特殊喷嘴,放置入土层设计深度后,用高压泥浆泵的高压发生装置,以20MPa左右的压力,把浆液从喷嘴中喷射出去冲击破坏土体,同时借助注浆管的旋转和提升运动,使浆液与从土体上崩落下来的土搅拌混合,经过一定时间的凝固,便在土中形成了圆柱状的固结体,直径为0.4～1.0m,如图6-16所示。这种方法日本称为CCP工法。

2.二重管法

使用双通道的二重注浆管。当二重注浆管钻进到土层设计深度后,在管底部侧面的一个同轴双重喷嘴中,同时喷射出高压浆液和空气两种介质的喷射流冲击破坏土体,即以高压泥浆泵等高压发生装置从内喷嘴中喷出20MPa左右压力的浆液,并用0.7MPa左右的压力,把压缩空气从外喷嘴中喷出。在高压浆液和外圈环绕气流的共同作用下,破坏土体的能量显著增加,喷嘴边喷射边旋转提升,最后在土体中形成圆柱状加固体,固结体的直径约为0.6～1.5m(图6-17)。这种方法日本称为JSG工法。

图6-16　单管旋喷注浆示意图

图6-17　二重管旋喷注浆示意图

3.三重管法

分别使用输送水、气、浆3种介质的三重管。在以高压泵产生的20～30MPa的高压水喷射流的周围,环绕一股0.5～0.7MPa的圆筒状气流,进行高压水喷射流和气流同轴喷射冲切土体,形成较大的空隙,再另外用泥浆泵注入压力为l～5MPa的浆液填充空隙,喷嘴作旋转和提升运动,最后在土体中凝固成为直径较大的圆柱状固结体,直径约为0.8～2m(图6-18)。这种方法日本称CJP工法。

4.多重管法

首先在地面钻一个导向孔,然后放置多重管,用逐渐向下运动的旋转超高压水射流(压力约40MPa)切削破坏四周土体,经高压水冲击下来的土、砂和砾石成为泥浆后,立即用真空泵从多重管中抽出。如此反复地冲击和抽吸,便在地层中形成一个较大的空洞。安装在喷嘴附近的超声波传感器可及时测出空洞的直径和形状,最后根据工程要求,选用浆液、砂浆、砾石等材料充填空洞,于是在地层中形成一个大直径的柱状固结体,在砂性土中最大直径可达4m(图6-19)。这种方法日本称为SSS-MAN工法。

图6-18　三重管旋喷注浆示意图

图6-19　多重管旋喷示意图

6.3.3 高压喷射注浆法的优点

1.适用范围较广

高压喷射注浆法既可用于工程新建之前,又可用于工程竣工后的托换工程,可以保证不损害建(构)筑物的上部结构,而且能保证施工时已有建(构)筑物的正常使用。

2.施工简便

施工时只需在土层中钻一个直径为50mm或300mm的小孔,便可在土体中喷射形成较大直径(0.4～4.0m)的固结体,因而可贴近已有建(构)筑物施工,成型灵活。

3.可控制固结体形状

通过施工中旋喷速度、提升速度、喷射压力或喷嘴直径的调整,可以使固结体形成工程设计所需要的形状。

4.可垂直、水平和倾斜喷射

在地面上常进行垂直喷射,在隧道、矿山井巷工程、地下铁道工程等施工中,可采用水平和倾斜喷射,处理深度已经达到30m以上。

5.耐久性较好

由于能得到稳定的加固效果和较好的耐久性,故可用于永久性工程。

6.广阔的材料

以水泥为主体的浆液,在地下水流速较大或含有腐蚀性元素、土的含水量较高或固结体强度要求高等情况下,可在水泥浆液中掺加适量外掺剂,以达到速凝、高强度、抗冻、耐腐蚀和浆液不沉淀离析等效果。

7.设备简便

高压喷射注浆法的全套设备结构紧凑,体积小占地少,移动方便,可以在狭窄和低矮的空间施工。

6.3.4 高压喷射注浆法的适用范围

1.土质适用条件

主要适用于软弱土层,如淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、黄土、砂土、人工填土、碎石土和残积层等地基。

当土中含有较多的大粒径块石、坚硬黏性土、大量植物根茎或大量有机质时,应根据现场试验结果确定其适用程度。

若地下水流速过大及浆液无法在注浆管周围凝固时,在无填充物的岩溶地段、永冻土及对水泥有严重腐蚀性的地基中,均不宜采用高压喷射注浆法。

2.工程适用范围

高压喷射注浆法采用不同的施工工艺和浆液配方,可以使固结体的直径、强度和渗透系数适应多种不同的工程目的和要求。例如:

(1)提高地基强度。提高地基承载力,加固地基,减少建筑物的沉降和不均匀沉降。

(2)挡土围堰及地下工程建设。如保护邻近建筑物(图6-20),保护地下工程(图6-21),防止基坑底部隆起(图6-22)。

(3)增大土的黏聚力和摩擦力,防止小型坍方滑坡(图6-23)。

图6-20　保护邻近建筑物

图6-21 地下管道或涵洞护拱

图6-22　防止基坑底部隆起

图6-23　防止小型坍方滑坡

图6-24　坝基防渗

(4)防渗帷幕工程(图6-24至图6-26)。

(5)防止地基土液化,增强设备基础下地基土的抗振动性能。

(6)降低土的含水量,防止路基翻浆冒泥和地基冻胀。

(7)其他,如防止地下管道漏水、漏气等。

6.3.5 高压喷射注浆法的加固机理

图6-25　地下连续墙补缺(www.xing528.com)

图6-26　防止涌砂冒水

1.高压水喷射流性质

高压水喷射流是通过高压发生设备,使高压喷射流获得巨大能量后,从一定形状的喷嘴中以很高的速度连续喷射出来,形成能量高度集中的一股液流。在高压高速条件下,喷射流具有很大的功率,即在单位时间内从喷嘴中喷射出的喷射流具有很大的能量。

2.高压喷射流结构

高压水连续喷射流在空气中喷出时由3个区域组成(图6-27),即保持出口压力p0的初期区域A、紊流发达的主要区域B和喷射水流变成不连续喷流的终期区域C三部分。

在初期区域A中,喷射出口处速度分布是均匀的,轴向动压是常数,保持均匀速度的部分向前面逐渐减小,当到达某一位置后,断面上的流速度分布不再均匀。速度分布保持均匀的部分称为喷射核(即E区段);喷射核末端扩散宽度稍有增加,轴向动压力有所减小的过渡部分称为迁移区(即D区段)。

主要区域B在初期区域之后,在此区域内,轴向动压力衰减很大,喷射扩散宽度与喷射距离的平方根成正比,扩散率为常数,喷射流的混合搅拌在这一部分进行。

在主要区域后为终期区域C,喷射流到达此处时,喷射流的能量衰减很大,其末端呈雾化状态,该区域喷射能量较小。

喷射加固的有效长度为初期区域长度和主要区域长度之和。如果有效喷射长度愈长,则搅拌土的距离愈大,喷射加固体的直径也愈大。

3.高压喷射流的压力衰减

根据理论计算,高压喷射流在空气中和水中喷射,得到的压力与距离的关系曲线如图6-28所示。

高压喷射流在空气中喷射水时

高压喷射流在水中喷射水时

式中:xc为初期区域A的长度,m;x为喷射流中心轴到喷嘴的距离,m;p0为喷嘴出口处的压力,kPa;pm为喷射流中心轴上距喷嘴x距离处的压力,kPa。

图6-27　高压喷射流结构

图6-28　喷射流在中心轴上的压力与
距离的关系分布曲线

根据试验结果可知:

高压喷射流在空气中喷射时

xc=(70～100)d0

高压喷射流在水中喷射时

xc=(6～6.5)d0

式中:d0为喷嘴的直径,mm。

当压力高达10～40MPa时的喷射流在介质中喷射时,其压力的衰减规律也可以近似地用以下经验公式表达

式中:K、n为经验系数[适用于x=(50～300)d0]。

4.水(浆)、气同轴喷射流的结构

单管喷射流是单一的高压水泥浆液喷射流。

二重管旋喷的浆,气同轴喷射流和三重管的水、气同轴喷射流都是在射流的外围同轴喷射的圆筒状气流,组成复合式高压旋喷流,其基本结构相同。以后者为例加以分析。

在初期区域A内,高压水喷射流的速度保持喷嘴出口处的速度,但因水喷射与空气流相撞以及喷嘴内部表面不够光滑,所以,从喷嘴中喷射出的水流较紊乱,在高压喷射水流中形成气泡,在本区域的末端,气泡与喷射水流的宽度相同。

在迁移区域D内,高压喷射水流与空气开始混合,出现了较多的气泡。

在主要区域B内,高压喷射水流开始衰减,内部含有大量气泡,气泡逐渐分裂破坏,成为不连续的细水滴状,同轴喷射流的宽度迅速扩大。

水(浆)、气同轴喷射流的初期区域长度可由下面经验公式表示

式中:v0为初期流速,m/s。

5.高压喷射流对土体的破坏作用

破坏土体结构强度的最主要因素是喷射动压力。根据动量定律,高压喷射流在空气中喷射时对土的破坏力为

式中:F为高压喷射流的破坏力,kg·m/s2;ρ为喷射流介质的密度,kg/m3;Q为流量,m3/s, Q=vm·A;vm为喷射流的平均速度,m/s;A为喷嘴断面面积,m2。

即

可见,对一定密度的液体而言,其喷射流的破坏力与平均流速的平方成正比。所以,在喷嘴面积一定的条件下,为了得到更大的破坏力,需要增加喷射流的平均流速,也就是需要增加旋喷压力。一般要求高压脉冲泵的工作压力在20MPa以上,这样可使射流像刚体一样,冲击破坏土体,使土与浆液搅拌混合,凝固成圆柱状的固结体。

6.水(浆)、气同轴喷射流对土的破坏作用

单射流虽然具有巨大的能量,但由于其压力在土中急剧衰减,因此破坏主体的有效射程较小,导致固结体的直径较小。

在喷嘴出口的高压水喷射流的周围加上圆筒状空气射流,进行水(浆)、气同轴喷射时,空气流使水或者浆液的高压喷射流从土体上将土颗粒迅速吹散,使高压喷射流的喷射破坏条件得到改善,阻力大大减小,能量的消耗降低,因此增大了高压喷射流的喷射破坏能力,形成的旋喷固结体直径较大。

图6-29为不同类型喷射流中动水压力与距离的关系,表明高速空气具有防止高速水射流动压力急剧衰减的作用。因此,水(浆)、气同轴喷射流对土的破坏作用增大,故而使固结体的直径变大。

高压喷射流在地基中的加固范围,就是喷射距离加上渗透部分或者压缩部分的长度为半径的圆柱体。地基中的一部分细小土颗粒被喷射的浆液所置换,随着浆液流被带到地面上(俗称冒浆),其余的土颗粒则与浆液混合搅拌。在喷射动压力、离心力和重力的共同作用下,在固结体的断面上,土颗粒按照质量的大小有规律地排列起来,大的土颗粒多数在固结体的外侧或边缘,而小的土颗粒多数在固结体的中部,形成了浆液主体搅拌混合、压缩和渗透等几个部分。经过一定时间后,混合搅拌物便凝固成强度高且渗透性小的固结体结构,如图6-30所示。

图6-29　喷射流轴上动水压力与距离的关系
1.高压喷射流在空气中单独喷射;2.水、气同轴喷射流在水中喷射;3.高压喷射流在水中单独喷射

图6-30　喷射最终固结状况示意图

随着土质的不同,固结体的横断面结构也有所不同。由于旋喷固结体不是等颗粒的单体结构,固结质量也不均匀,通常是旋喷固结体中心部分的强度低,边缘部分的强度高。

7.水泥与土的水化和水解反应

水泥与土颗粒拌和后,首先产生氢氧化钙和铝酸三钙水化物。这些化合物可以溶解于水,但其溶解度不大,很快使溶液达到饱和。由于化学反应的不断进行,会析出一种胶质物,经过长时间反应后会产生硬化。

6.3.6 高压喷射注浆法的设计计算

1.旋喷直径的确定

由于单管、二重管和三重管等的喷射方法不同,所形成的固结体的直径大小也不相同。通常,根据估计直径来选用喷射注浆的种类和喷射方式。对于大型的或重要的工程,估计直径应该在现场通过试验确定。在无试验资料的情况下,对小型或不太重要的工程,可参考表6-16所列数值。

表6-16　旋喷桩特性指标

注:N63.5为标准贯入击数。

2.固结体的形状

按照喷嘴运动规律的不同,固结体的形状可以是均匀圆柱状、不均匀圆柱状、圆盘状、板墙状和扇形壁状等,同时因土质和施工工艺的不同而有所差别。在均质土中,固结体的形状是比较均匀的圆柱状;在不均匀的土或有裂隙的土中,旋喷的圆柱体不对称。由于喷射流的脉动和提升速度的不均匀,导致固结体的表面不平整,如三重管喷射形成的旋喷体受气流影响,在粉质砂土中的外表面非常粗糙。在加固深度较大时,如果不采取相应的措施,旋喷固结体可能出现上粗下细的“胡萝卜”形状。

3.布置方式

旋喷桩可采用矩形或梅花形的布桩方式。

4.地基承载力计算

经过竖向旋喷桩加固的地基,一般按照复合地基进行地基承载力设计。竖向承载的旋喷桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基静载荷试验确定。初步设计时,也可按下式估算或结合当地经验确定

式中:fsp,k为复合地基承载力特征值,kPa;fs,k为桩间天然地基土承载力特征值,kPa;Ap为单桩的平均截面积,m2;Ac为每根桩承担的处理面积,m2;β为桩间天然地基土承载力折减系数,根据试验或类似土质条件的工程经验确定,当无试验资料或经验时,可取0.2～0.6,承载力较低时取小值,当不考虑桩间软土的作用时可取0;Rdk为单桩竖向承载力特征值,kN,通过单桩的现场静荷载试验确定,或按下面的公式计算,取其中的较小值

式中:fcu,k为与旋喷桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块(边长为70.7mm的立方体)在标准养护条件下28d龄期的立方体抗压强度平均值,kPa;η为桩身强度折减系数,取0.35～ 0.50;hi为桩周第i层土的厚度,m;୻d为桩的平均直径,m;n为桩长范围内的土层数;qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值,kPa,可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)有关规定或地区经验确定;qp为桩端天然地基土的承载力特征值,kPa,可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)有关规定或地区经验确定。

5.地基变形计算

旋喷桩复合地基的沉降计算,应视为桩长范围内的复合地基和下卧层地基土的变形之和。计算时应该按照国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)有关规定进行。其中,复合地基土层的压缩模量由下式确定

式中:Esp为旋喷桩复合地基的压缩模量,kPa;Es为桩间土的压缩模量,可用天然地基的压缩模量代替,kPa;Ep为桩体的压缩模量,可采用确定混凝土割线弹性模量的方法确定,kPa;其他符号意义同前。

由于旋喷桩复合地基的沉降观测和分析资料很少,因此,复合地基变形计算均以土力学和混凝土材料性质的有关理论为基础。

6.浆量计算

旋喷桩的浆液用量有两种计算方法,即按体积法和喷量法计算,并取其中的大值作为设计的喷射浆量。

(1)体积法。按旋喷固结体的体积计算浆量。

式中:Q为旋喷固结体的浆液用量,m3;Dc、D0分别为旋喷体直径和注浆管直径,m;K1、K2为填充率(0.75～0.9)和未旋喷范围内土的填充率(0.5～0.75);h1、h2为旋喷长度和未旋喷长度,m;β为损失系数(0.1～0.2)。

(2)喷量法。可用下式按照单位时间喷射的浆液量及喷射持续时间计算所用的浆液量。

式中:Q为旋喷浆液用量,m3;q为单位时间喷浆量,m3/min;H为旋喷长度,m;v为注浆管的提升速度,m/min;β为损失系数(0.1～0.2)。

根据计算所需要的喷浆量和设计的水灰比,即可以确定水泥的使用量。

7.防渗堵水设计

对于防渗堵水工程,设计时最好按照双排或者三排布孔的方式布置旋喷桩孔位,可以使旋喷桩相互搭接形成防渗帷幕(图6-31)。

图6-31　布孔孔距和旋喷注浆固结体搭接图

选用双排孔时,当孔距为1.73R0(R0为旋喷桩的设计半径)、排距为15R0时最为经济。

如果要增加每排旋喷桩的搭接厚度,则可以适当缩小孔距,按下式计算搭接厚度

式中:e为旋喷桩的搭接厚度,m;R0为旋喷桩的设计半径,m;L为旋喷桩的孔距,m。

定喷和摆喷是一种常用的防渗堵水方法。这是因为喷射出的板墙厚度薄且长,不但降低了成本,而且提高了整体的连续性。

8.浆液材料与配方

目前,国内基本上采用水泥基浆,掺入少量外加剂。水泥是最便宜且取材容易的浆液材料,是喷射注浆的基本浆材,水灰比一般采用(1∶1)～(1.5∶1),就能够保证较好的喷射效果。国内只有少数工程使用过丙凝和尿醛树脂等浆材。

本节只讨论水泥浆液,并按其注浆目的分为以下几种类型。

(1)普通型。一般采用32.5级或42.5级硅酸盐水泥浆,不掺加任何外加剂,水灰比为(1∶1)～(1.5∶1),喷射固结体在28d时的抗压强度最大可达1.0～2.0MPa。对一般无特殊要求的工程,可以采用此型浆液。

(2)速凝早强型。对地下水发达或要求早期承重的工程,需要在水泥浆液中掺入氯化钙、三乙醇胺和水玻璃等速凝早强剂。这些速凝早强剂的用量为水泥用量的2%～4%,就可以使固结体的早期强度有较大幅度的提高。

(3)高强型。喷射固结体的平均抗压强度在20MPa以上的称为高强型。提高固结体强度的方法有:采用高级别的水泥或选用高效能的扩散剂和无机盐组成的复合配方等。此种类型的配方扩大了旋喷桩的适用范围。表6-17为各种外加剂对喷射固结体抗压强度的影响。

表6-17　外加剂对喷射固结体抗压强度的影响

(4)抗渗型。在水泥浆中掺入2%～4%的水玻璃,可以明显提高浆液的抗渗性能,使用的水玻璃模数为2.4～3.4,质量分数要求在30～40Be(波美度)。

对以抗渗为目的的工程,最好使用“柔性材料”,可在水泥浆中掺入10%～50%的膨润土(与水泥的质量分数)。矿渣水泥不能用于抗渗工程中。

(5)填充剂型。将粉煤灰等材料作为填充剂加入到水泥浆液中,可以大幅度地降低工程造价。而且,浆液的早期强度虽然较低,但后期强度增长率高,水化热低。

(6)抗冻型。在浆液中加入抗冻剂,在土未结冻之前进行喷射注浆,可以达到防治土体冻胀的作用。使用的抗冻剂一般有:

1)水泥-沸石粉浆液(沸石粉掺入量为水泥用量的10%～20%);

2)水泥-扩散剂NNO浆液(NNO的掺入量为0.5%)等。

根据高压喷射注浆法的工艺要求,浆液应该具备的特性为:良好的可喷性,足够的稳定性,气泡少,浆液的凝结时间可以调整,良好的力学性能,无毒无臭,结石率高。

国内目前用得较多的外加剂及配方如表6-18所示。

表6-18　国内较常用的外加剂的旋喷浆液配方

续表6-18

6.3.7 高压喷射注浆法的施工工艺

1.施工机具

高压喷射注浆的施工机具,主要由钻机和高压发生设备两部分组成。由于喷射的方式不同,所使用的机器设备和数量也不相同,如表6-19所示。

根据不同的工程要求,可按图6-32选择不同的注浆喷头形式。

表6-19　各种高压喷射注浆法主要施工机器及设备

注:①1kg/cm2≈9.8×104Pa,下同。表中“√”为该施工方法所具备的机具。

图6-32　不同形式的注浆喷头形式
(a)水平;(b)下倾;(c)夹角;(d)90°夹角;(e)四喷嘴

2.施工顺序

(1)钻机就位。将钻机安放在设计的孔位上并保持垂直。施工时,旋喷管的允许倾斜度不得大于1.5%。

(2)钻孔。单管旋喷常用76型旋转振动钻机,钻进深度可达30m以上,适用于标准贯入击数小于40的砂土和黏性土层。当遇到比较坚硬的地层时宜采用地质钻机。一般在二重管法和三重管法的旋喷施工中,都采用地质钻机钻孔。钻孔位置与设计位置的偏差不得大于50mm。

(3)插管。插管就是将喷射管插入地层预定的深度。使用76型振动钻机钻孔时,插管与钻孔两道工序合二为一,即钻孔完成时,插管作业同时完成。使用地质钻机钻孔完毕,必须拔出岩芯管,再换上旋喷管插入到预定的深度。在插管过程中,可以边射水边插管,水压力一般不超过1MPa,以防止泥砂堵塞喷嘴。若射水压力过高,如大于1MPa,则容易将孔壁射塌。

(4)喷射作业。当喷管插入预定深度后,立即按照设计的配合比搅拌浆液,开始由下而上进行喷射作业,值班的技术人员必须时刻检查浆液的初凝时间,注浆流量、风量、压力,旋转提升速度等参数是否符合设计要求,随时做好记录,并绘制作业过程曲线。

当浆液的初凝时间大于20h,应及时停止使用该水泥浆液(正常的水灰比为1∶1,初凝时间为15h左右)。

(5)冲洗。高压喷射施工完毕后,应把注浆管等机具设备冲洗干净,水泥浆不得残存在注浆管内和机具内。通常是把浆液换成清水,在地面上喷射,以便把泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排除掉。

(6)移动机具。将钻机等机具设备移动到新的孔位上,进行新孔的施工。

国内当前使用的高压喷射注浆参数见表6-20。

6.3.8 高压喷射注浆法的质量检验

1.检验内容

高压喷射注浆法质量检验的内容包括以下几个方面:

(1)固结体的整体性和均匀性;

(2)固结体的有效直径;

(3)固结体的垂直度;

(4)固结体的强度特性(包括旋喷桩的轴向抗压强度、抗剪强度,水平承载力,抗渗性,抗冻性和抗酸碱性等);

(5)固结体的溶蚀和耐久性能。

表6-20　常用高压喷射注浆参数

2.检验方法

高压喷射注浆法的质量检验方法可以根据工程要求和当地经验,采用开挖检验、钻孔取芯、渗透试验、标准贯入试验以及静载荷试验等方法进行,并结合工程测试、观测资料和实际效果,综合评价其加固效果。

(1)开挖检验。待浆液凝固具有一定的强度后(不少于28d),即可开挖检查固结体的垂直度和固结体的形状。

(2)钻孔取芯。在已旋喷好的固结体中钻取岩芯,并将岩芯做成标准试件,进行室内物理、力学性能试验,鉴定其是否符合设计要求。

(3)渗透试验。根据工程需要进行现场渗透试验,测定其抗渗能力,一般采用钻孔压力注水和钻孔抽水两种渗透试验方法。

(4)标准贯入试验。在旋喷固结体的中部(一般距离旋喷注浆孔中心0.15～0.20m)进行标准贯入试验。

(5)静载荷试验。静载荷试验分为垂直载荷试验和水平载荷试验两种。在对旋喷固结体进行静载荷试验之前,对固结体的加载部分应进行加强处理,以防其受力不均匀而损坏。

(6)检验点的布置和数量。高压喷射注浆法质量检验的检验点应布置在下列部位:

1)有代表性的旋喷桩;

2)施工中出现异常情况的部位;

3)地基情况复杂,可能对高压喷射注浆的质量产生影响的部位。

检验点的数量为施工孔数的1%,并应不少于3个。检验应该在高压喷射注浆结束28d后进行。

高压喷射注浆法形成的复合地基,其复合地基的承载力特征值由复合地基的静载荷试验确定,具体内容见现行的国家规范。

6.3.9 工程实例

1.宝钢初轧厂一号铁皮坑地基加固工程

上海宝钢厂厂址位于东海之滨的长江南岸,属于长江三角洲滨相沉积。厂址地质条件如下:

①层:黄褐色可塑—软塑状粉质黏土,厚约2.5m;

②层:灰色软塑—流塑状态的淤泥质粉质黏土,夹有层理状薄层粉砂,厚度约8.5m;

③层:灰色流塑状淤泥质黏土,夹有层理状薄层粉砂,厚约11.3m;

④层:灰色—褐灰色软塑—可塑状粉质黏土,厚度为28.32m;

⑤层:粉质砂土、粉砂及粉质黏土层。

地下水位在-3.1～-3.2m处。

宝钢初轧厂一号铁皮坑坑底平面尺寸为45.3m×18.3m,原先设计基坑为先顺坡挖至-9.8m高程,然后在基坑四周打入总长度为21m的钢板桩。在钢板桩四周,再用三级降水(最低水位可降至-30.8m)的方法。在钢板桩保护下掏挖坑内土体,边开挖边支撑。后来考虑到基坑开挖的深度较大,基坑底部的土体又为粉质黏土层,承载能力不高(c=11kPa,φ=20°),土体可能有滑动和挤出的危险,而且,钢板桩也可能产生很大的侧向内移,影响到邻近建筑物的安全。因此,设计时决定,在板桩基坑开挖之前,先在坑内-22.5～-27.0m高程上预先旋喷4.5m厚的连续旋喷桩底板。该旋喷桩底板既可作为固定钢板桩底部的支撑以防止坑底土体上挤,又可作为永久性基础的一部分,如图6-33所示。

图6-33　宝钢一号铁皮坑基坑剖面(单位:m)

具体的施工工艺参数为:采用三重管法,旋喷桩的直径可达1.2～1.5m。基坑内旋喷桩横向孔距1.2m,纵向孔距1.0m,全部基坑设计布置了695个旋喷孔。

施工时采用32.5级硅酸盐水泥,水灰比1∶1。为防止纯水泥浆产生离析,在其中掺入了水泥用量30%的陶土和陶土用量3%的纯碱,以改善水泥浆的保水性和可喷性,由此减少了对泥浆泵和管道的堵塞。旋喷时采用20MPa工作压力的高压泵,流量70L/min。泥浆泵压力4MPa,流量120～200L/min。使用的喷嘴直径为:高压水喷嘴ϕ2.5mm,水泥浆喷嘴ϕ9. 5mm,空气喷嘴有ϕ13mm、ϕ15mm和ϕ17mm三种型号。

施工后进行质量检验,基坑开挖到旋喷固结体平面后的检查结果显示,在旋喷面上没有发现由于旋喷固结体搭接不良而出现的孔洞,基坑内干燥,小型挖土机及一些小型运输车辆在固结体表面运行自如。旋喷体直径达到1.66m,大于设计要求。旋喷固结体试块72d的抗压强度为1.35MPa,也大于设计要求的0.1MPa。在-22.5m标高处,钢板桩脚处的位移实测值为10.5cm,小于12cm的设计要求,故可认为该工程采用旋喷加固方案获得了成功。

2.威海卫大厦地基加固工程

(1)工程概况。威海卫大厦位于山东省威海市,距离海边约200m,地上17层,地下1层, 共18层,建筑物高度60m,平面呈正三角形,底部为箱形基础,现浇筑钢筋混凝土剪力墙结构。占地面积1100m2,建筑物总重24100t。

威海卫大厦地处海滨滩涂,天然地基承载力仅有110～130kPa,预估沉降量达700mm,超过设计规范允许值。经分析研究,考虑到高层建筑地基承载力要求高的特点,决定采用高压喷射注浆法进行地基加固。

(2)地质条件。威海卫大厦坐落在地质复杂、基岩埋深很大的软土层上,场地地层大致可分为4层。

1)人工填土层:由粉质黏土、粗砂、碎石、砖瓦和炉碴组成,松散,不均匀,层厚0.6～1.4m;

2)近期的滨海相沉积层:上部为中密砂、砂砾和碎石透水层;下部为中等压缩性黏土,厚度约10m;

3)第四系冲积层:由粉质黏土、细砂及碎石组成,上部黏土的压缩性较高,呈软塑—可塑状态,该层厚约5.4m;

4)基岩:片麻岩,深度30m以上,属于全风化带,其间有一层夹有白色高压缩性的高岭土,风化层层面由西向东倾斜,倾角6°。

场地各层土的物理力学性质指标如表6-21所示。

表6-21　场地各层土的物理力学性质指标

地下水埋深为0.6～1.1m,pH值为6.9,水力坡度为0.30%～0.35%。

设计要求指标:加固后,大厦地基的承载力达到250kPa;差异沉降≤0.5%;垂直荷载通过箱形基础均匀传至基底,不考虑弯矩,不考虑水平推力。

(3)旋喷桩设计。旋喷桩加固体的强度大,压缩模量高,可以有效地防止地基产生的不均匀沉降。

1)设计要点。①根据场地的工程地质条件,对Ⅱ2-1和Ⅱ2-2粉质黏土层,应该提高其地基承载力;对其余土层而言,应以控制沉降量为主,达到规范规定的沉降量不得大于200mm的要求。②根据基础形式,将旋喷桩满堂布设,设计桩距2m。③箱形基础底面至-7m的中砂层可以不予加固,当作是应力调整层,地基的加固深度从-7～-24.5m。④因-14～-24.5m处天然地基的承载力已满足设计要求,因此,该段加固的目的只是控制沉降。所以,在该深度内可以适当减少旋喷桩的桩数,并采用长短桩相结合的布桩方式。⑤在建筑物的基础边缘和承重量大的部位,可以适当增加旋喷桩的长桩。⑥旋喷桩的长桩要穿过压缩性大的高岭土,短桩穿过Ⅱ2-2粉质黏土层。⑦作为复合地基,旋喷桩不与箱形基础直接联系。⑧旋喷桩的加固范围大于建筑物的基础平面。

2)计算参数。经设计计算,得出相应的计算参数如下:

设计荷载p0=250kPa;

旋喷桩直径D=0.8m,面积Ap=0.5m2;

旋喷桩长度L1=6.5～7.5m,L2=18.5～19.5m;

旋喷桩的单桩承载力685kN;

旋喷桩的桩数n=439根(计算值为421根);

旋喷桩的面积置换率m1=0.1444(长短桩部分),m2=0.0822(长桩部分);

复合地基的压缩模量Esp1=157.7MPa(长短桩部分),Esp2=64.2MPa(长桩部分)。

图6-34　复合地基沉降计算示意图

3)复合地基沉降量。对旋喷桩复合地基进行沉降量计算,可以按照桩长范围内的复合土层以及下卧层地基变形值计算(图6-34)。

由于在旋喷桩的施工过程中出现了一些问题,所以,对旋喷桩复合地基的设计进行了修改和补充。主要是取消了箱形基础底部的中砂应力调节层,对中砂加喷补强桩,并增加了以保证旋喷桩质量为目的的中心桩和静压注浆。

(4)旋喷桩的施工。旋喷桩采用单管法旋喷施工。具体的旋喷参数是:旋喷压力20MPa,喷射流量100L/min,旋转速度20r/min,提升速度0.2～0.8m/min,使用42.5级普通硅酸盐水泥,水泥浆浆液的相对密度为1.5。

在施工的第一阶段,完成了一部分长短桩的旋喷施工;在第二阶段,完成了全部长短桩的旋喷、中心桩旋喷和静压注浆,并进行了部分质量检验工作;在第三阶段,完成了260根补强桩及其补强后的质量检验工作。

(5)质量检验。在施工初期、中期和竣工后,进行了数次多种方法的质量检验。主要情况如下:

1)旁压试验结果表明,旋喷桩桩间土得到了一定程度的加固。

2)浅层开挖出的旋喷桩直径在0.6～0.8m之间。

3)钻探取芯结合标准贯入试验结果表明,旋喷桩桩体连续,强度较高。旋喷桩的平均无侧限抗压强度,在黏性土中为9.4MPa,砂性土中达到14.79MPa。动力触探表明,局部旋喷桩桩头有空穴,为补强旋喷提供了资料。

4)根据建筑物上布设的近50个沉降观测点提供的沉降资料,建筑物实际下沉量仅为8～ 13mm。因此,经过讨论决定,将上部建筑物原设计的地上15层改为17层,大大提高了经济效益。

此例开创了旋喷法用于高层建筑地基处理的新局面。

6.4 水泥土深层搅拌法

6.4.1 概述

水泥土深层搅拌法是利用水泥(或石灰)等材料作为固化剂,通过特制的深层搅拌施工机械,在地基深处将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌,由固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应,使软土硬化后形成具有整体性、水稳定和一定强度的水泥加固土,从而提高地基土强度,增大其变形模量的地基处理方法。

根据施工方法的不同,水泥土深层搅拌法可分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种。水泥浆搅拌是用水泥浆和地基土搅拌,称为湿法;粉体喷射搅拌是用水泥粉或者石灰粉和地基土搅拌,称为干法,亦简称DJM法。

水泥浆搅拌法是在第二次世界大战后由美国研制成功的,称之为就地搅拌桩(简称MIP 法)。1953年,日本清水建筑株式会社从美国引进此法。1974年,日本港湾技术研究所等单位合作开发研制成功水泥土搅拌固化法(CMC),用于加固钢铁厂矿石堆场地基。之后,日本各大施工企业研制并开发出了各种深层搅拌机械的方法,如DCM法、DMIC法、DCCM法。

我国于1977年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院联合进行了水泥浆搅拌法室内试验和施工机械的研制工作,在1978年底制造出我国第一台SJB-1型双搅拌轴、中心管输浆的深层搅拌机。1980年初,首次在上海宝山钢铁总厂的软土地基加固工程中应用并取得了成功。同年11月,由冶金部主持并通过了“饱和软黏土深层搅拌加固技术”。1984年开始,国内已经可以批量生产SJB型成套深层搅拌机械,并且组建了专门的施工公司。

粉体喷射搅拌法(dryjetmixingmethod,简称DJM法)是由瑞典人KjeldPaus提出的。1967年,KjeldPaus提出使用石灰搅拌桩加固15m深度范围内的软土地基的设想,并于1971年在现场制成第一根用生石灰和软土搅拌制成的桩。瑞典的Linden-Alinlak公司还生产出专门的粉体喷射搅拌施工机械,制成的桩直径可达500mm,最大加固深度10～15m。而且,瑞典所施工的石灰搅拌桩已逾数百万延米。

日本在同一时期也开展了这项研究,于1967年由运输部港湾技术研究所开始研制石灰搅拌施工机械,1974年开始在软土地基的加固工程中应用。以后陆续应用于多个实际工程中,并形成了两类施工方法:一类为使用颗粒状生石灰的深层石灰搅拌法(DLM法);另一类为使用生石灰粉末的粉体喷射搅拌法(DJM法)。

由于粉体喷射搅拌法采用粉体作为固化剂,不再向地基中注入附加水分,因而能充分吸收周围软土中的水分。所以,加固后地基的初期强度高,对含水量高的软土加固效果尤为显著。该技术在国外得到了广泛的应用。

我国是从20世纪80年代开始进行试验研究的。铁道部第四勘测设计院于1983年开始进行粉体喷射搅拌法加固软土的试验研究,并于1984年在广东省云浮硫铁矿铁路专用线箱涵软土地基加固工程中使用,并取得了成功。后来,该方法又相继在武汉和连云港用于下水道沟槽的挡土墙和铁路涵洞的软基加固,均取得了良好的效果。它为软土地基加固技术开拓了一种新方法。目前,水泥土深层搅拌法已经在铁路、公路、市政工程、港口码头、工业与民用建筑等软土地基的加固中得到了广泛的推广和使用。

1.水泥土搅拌法的适用范围

水泥土搅拌法的适用范围在国内外有所不同,新吹填的超软土、泥炭土和淤泥质土等饱和软土已在国外使用水泥土深层搅拌法加固,深度达五六十米,从陆地到海底软土都有。

目前在国内,水泥土搅拌法适用于处理的土质范围有:正常固结的淤泥与淤泥质土、饱和黄土、素填土、含水量较高且地基承载力不大于120kPa的黏性土和粉土黏性土,以及无流动地下水的饱和松散砂土。当地基的天然含水量小于30%(黄土天然含水量小于25%)、大于70%或者地下水的pH值小于4时,不宜采用干法。另外,在冬季施工时,还应该注意低温对处理效果的影响。

经过工程实践证实,有些软土的加固效果较好,而有些则不够理想。一般认为,对含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等黏土矿物的软土加固效果较好,而对含有伊利石、氯化物和水铝石英等矿物的黏性土以及有机物含量高、酸碱度(pH值)较低的黏性土加固效果较差。

2.水泥土深层搅拌法加固软土的优点

水泥土深层搅拌法加固软土地基,具有下列优点:

1)由于将固化剂与原软土地基就地搅拌混合,因而最大限度地利用了原地基土;

2)由于搅拌时不会使地基土产生侧向挤出,所以对原有建筑物及地下沟管的影响很小;

3)根据地基土的不同性质和工程要求,可以合理选择固化剂的类型及其配方,设计灵话;

4)施工过程中无振动,无污染,无噪音,可在城市市区内和密集建筑群中进行施工;

5)加固后水泥土的重度与原土比较基本不变,软弱下卧层不会产生附加沉降;

6)与钢筋混凝土桩基相比,可以大量节约钢材,降低成本的幅度较大;

7)可根据上部结构的需要,灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式。

水泥土搅拌桩的加固作用表现在提高软土地基的承载力、减少沉降量和提高边坡的稳定性等方面。

以下,分别对水泥土搅拌法的加固机理、水泥土强度、设计计算方法、施工工艺等进行阐述。

6.4.2 水泥土深层搅拌法的加固机理

水泥(或水泥浆)与软土采用机械搅拌加固的基本原理,是基于水泥加固土的物理化学反应过程,有别于混凝土的硬化机理。在水泥加固土中,水泥掺入量很少,仅占被加固土重量的7%～15%,水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质———土的围绕下进行的,所以水泥土的强度增长比混凝土缓慢。

1.水泥的水解和水化反应

普通硅酸盐水泥的主要成分为氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝和三氧化二铁,它们通常占95%以上,其余5%以下的成分是氧化镁、氧化硫等。

普通硅酸盐水泥遇到水后,其颗粒表面的矿物很快与水发生水解和水化反应,生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。其中的氢氧化钙和含水硅酸钙两种化合物溶解于水,使水泥颗粒表面重新暴露出来,再与水发生反应,逐渐使周围的水溶液达到饱和,新的生成物便以分散状态的细粒胶体析出,悬浮于溶液中,并形成凝胶体。

2.离子交换和团粒化作用

黏土与水结合即表现出胶体特征,如土中含量最多的二氧化硅遇水后,与水形成硅酸胶体微粒,其表面带有钠离子(Na+)或钾离子(K+),它们形成较厚的扩散层,土颗粒的距离也比较大,能和水泥水化生成的氢氧化钙中的钙离子(Ca2+)进行当量吸附交换,使土颗粒表面吸附的钙离子所形成的扩散层变薄,大量较小的土颗粒形成较大的土团粒。由于其产生了很大的比表面能,可以使较大的土粒进一步联合,形成水泥土团粒结构,并封闭各土团粒间的空隙,形成坚固的连结,从而使土体强度提高。

3.硬凝反应

水泥的硬凝反应是指水泥的硬化与凝结,是同一个反应的不同阶段。凝结标志着水泥浆失去流动性而具有了一定的塑性强度,硬化则表示水泥浆固化所产生的一定机械强度的过程。

随着水泥水化反应的深入,溶液中析出大量的钙离子(Ca2+)。当钙离子(Ca2+)的数量超过离子交换的需要量后,在碱性环境中,钙离子(Ca2+)能与组成黏土矿物的二氧化硅和三氧化二铝的一部分或大部分进行化学反应,其化学反应为

SiO2+Ca(OH)2+nH2O→CaO·SiO2·(n+1)H2O

Al2O3+Ca(OH)2+nH2O→[CaO·Al2O3·(n+1)H2O]

逐渐生成了不溶于水的稳定结晶化合物,并且在水中和空气中逐渐硬化,增大了水泥土的强度,而且,该结晶化合物的结构比较致密,水分不易侵入,使水泥土具有足够的水稳定性。

4.碳酸化作用

水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收软土中的水和空气中的二氧化碳,发生碳酸化反应,生成不溶于水的碳酸钙,反应式为

Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O

碳酸化作用能使水泥土的强度增长,但强度增长的速度较慢,幅度也比较小。

水泥和软土搅拌越充分,混合越均匀,则水泥土强度的离散性越小,宏观的总体强度也越高。

6.4.3 水泥土强度

水泥土(cementsoil)就是水泥浆或水泥与化学浆液与土体形成的固结体。可以采用灌浆法、深层搅拌法、高压旋喷法等将浆液注入土中形成水泥土。

水泥土的强度受到很多因素的影响,主要的因素有以下几个。

1.水泥

水泥作为一种常用的固化剂,是提高软土强度的主要因素。制备水泥土的水泥可以用不同的品种(普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥以及其他特种水泥)和不同等级的水泥。

普通硅酸盐水泥的活性高,其早期和后期强度均比较高,因而其加固效果优于其他水泥品种。根据试验研究表明,水泥加固土的强度随水泥掺入比的增加而增大(图6-35)。当aw为3%～5%时,水泥和土的反应过于微弱,固化强度较低,一般选用aw为7%～15%。

目前水泥掺入量一般采用180～250kg/m3。

2.外掺剂

在深层搅拌法施工工艺中,使用的水泥浆需要用灰浆泵输送,要求水泥浆的水灰比值在0. 5～0.6。由于软土的含水量高,因而对水泥加固土的强度增长很不利。为了改善水泥土的性能和提高强度,可以用木质素磺酸钙、石膏、三乙醇胺、氯化钠等作为外掺剂。结合工业废料的处理,还可掺入不同比例的粉煤灰,即可以提高水泥土的强度,又可以变废为宝。

3.被加固土体中含水量对强度的影响

被加固土体中的含水量对水泥浆起稀释作用,使加固体的强度下降。此外,土中有机质和可溶盐使土具有过大的水容量和塑性、较大的膨胀性、低渗透性及一定的酸性,这些都阻碍了水泥水化反应的正常进行,因而影响了加固体强度的增长。

4.不同龄期对强度增长的影响

混凝土的强度在28d龄期基本上达到峰值,以后随龄期的增加,其强度的提高可作为强度的安全储备。但水泥土的强度在28d龄期后仍有明显增长(图6-36)。

图6-35　水泥土的fcu与aw和t的关系曲线

图6-36　水泥土掺入比、龄期与强度的关系曲线

根据电子显微镜观察,水泥加固土硬凝反应的充分完成,约需100d,此后强度继续增长,但增长速度较为缓慢。因此,水泥土选用3个月龄期的强度作为其标准强度较为适宜。

5.水泥土的强度

水泥土的强度随着水泥等级的提高而增加,水泥每提高一个等级,水泥土的无侧限抗压强度约增长20%～30%。

6.4.4 水泥土搅拌桩的设计计算

在选择地基处理方案前,应收集拟处理区域内详尽的岩土工程资料。设计前还应进行拟处理土的室内配比试验,选择合理的固化剂、外掺剂和掺入量,等等。

1.水泥土搅拌桩的设计

(1)对岩土工程勘察的要求。岩土工程勘察应查明填土层的厚度和组成,软土层的分布范围、分层情况,含水量和有机质含量以及地下水的侵蚀性,等等。

除了一般的岩土工程勘察规范中的常规要求外,还应该包括土质分析和地下水水质分析。

1)土质分析:有机质和可溶盐的含量、总烧失量等。

2)地下水水质分析:地下水的酸碱度(pH值)、硫酸盐含量等。

(2)加固形式。水泥土搅拌桩可布置成柱状、壁状和块状三类形式。

1)柱状:由单独桩体组成的桩群,适用于单层工业厂房的独立柱基础和多层房屋条形基础下的地基加固。

2)壁状:由许多搅拌桩相互搭接而组成的壁状加固体,适用于深基坑开挖时软土边坡的加固和条形基础下软土地基的加固等。

3)块状:为纵横两个方向许多桩体相互搭接而形成的加固体,适用于荷载较大、对不均匀沉降控制严格的建筑物以及深基坑封底等场合。

(3)加固范围。水泥土搅拌桩的强度和刚度介于刚性桩(钢混凝桩、钢桩、木桩等)和柔性桩(砂桩、碎石桩、土桩等)之间,但其承载性能却与刚性桩比较接近。因此,水泥土搅拌桩的加固范围可以仅在上部结构的基础范围之内。竖向承载的搅拌桩布置,可以根据上部结构的特点及对地基承载力和变形的要求,采用柱状、壁状和块状或格栅状等加固形式。在基础平面面积内布桩,而不必像柔性桩那样,在基础范围以外设置保护桩。独立基础下的桩数不宜少于3根。

2.水泥土搅拌桩的设计计算

水泥土搅拌桩的设计计算,主要是确定桩长、选择水泥掺入比以及确定桩数等,且计算与加固的形式有关。在此,仅介绍柱状加固地基的计算方法。

(1)水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值的确定。

水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值Rdk应通过现场单桩载荷试验确定。初步设计时,也可以根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)规定,按下两式估算,并取小值。

式中:fcu,k为与搅拌桩桩身加固土水泥配合比相同的室内加固土试块(边长70.7mm的立方体)在标准养护条件下90d龄期的无侧限抗压强度平均值,kPa;Ap为搅拌桩单桩的截面面积,m2;Up为搅拌桩的周长,m;l为搅拌桩桩长,m;୶qs为桩周土的平均摩擦力,对淤泥可取5 ～8kPa,对淤泥质土可取8～12kPa,对软塑状态的黏性土可取10～15kPa,对可塑状态的黏性土可取12～18kPa;qp为桩端天然地基土未经过修正的承载力特征值,kPa,可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)的有关规定确定;η为强度折减系数,取0.35～ 0.5;α为桩端天然地基土的承载力折减系数,可取0.4～0.6。

应用式(6-32)和式(6-33)进行设计时,一般有以下3种情况:

1)当搅拌加固深度受到限制时,可以先确定桩长,然后计算出单桩竖向承载力特征值

和水泥土的立方体无侧限抗压强度fcu,k,再参照水泥土的室内配合比试验资料,选择所需要的水泥掺入比aw。

2)当搅拌加固的深度不受限制时,可以先由水泥土的室内配合比试验资料选定水泥掺入比aw,求得其立方体无侧限抗压强度fcu,k,并据此计算出单桩竖向承载力特征值Rdk和桩长l。

3)根据上部结构作用于地基的荷载选定单桩竖向承载力特征值Rdk,再据此计算桩的无侧限抗压强度fcu,k和桩长l,并选定掺入比aw。

(2)水泥土搅拌桩复合地基的设计计算。

1)水泥土搅拌复合地基承载力特征值的确定。竖向承载的水泥土搅拌复合地基承载力特征值的确定应通过现场单桩或多桩复合地基载荷试验确定。初步设计时,也可根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)的规定,按下式估算

式中:fsp,k为复合地基承载力特征值,kPa;fs,k为桩间天然地基土的承载力特征值,kPa;Rdk为单桩竖向承载力特征值,kPa;Ap为搅拌桩单桩的截面面积,m2;m为搅拌桩的面积置换率;β为桩间土承载力折减系数,当桩端为软土时取0.5～1.0,当桩端为硬土时取0.1～0.4,当不考虑桩间软土作用时可取0。

根据设计要求的搅拌桩单桩竖向承载力特征值Rdk和复合地基承载力特征值fsp,k,可计算出搅拌桩的面积置换率m以及总的桩数n。

式中:A为加固地基的总面积,m2。

根据已经求得的水泥土搅拌桩的总桩数n,在加固总面积内即可进行搅拌桩的平面布置,具体应视工程实际情况,可布置为柱状、壁状和块状等多种形式,同时,还应考虑充分发挥水泥土搅拌桩侧摩阻力和便于施工等因素。

2)水泥土搅拌桩的沉降验算。水泥土搅拌桩复合地基变形s,包括搅拌桩桩群与地基土形成的复合土层的压缩变形s1和搅拌桩桩端以下未加固土层的压缩变形s2,即

其中,复合土层的压缩变形s1可按下式计算

式中:p为复合土层顶面的附加压力值,kPa;p0为复合土层底面土的附加压力值,kPa;Esp为水泥土搅拌桩复合土层的压缩模量,kPa;Ep为水泥土搅拌桩的压缩模量,可以取(100～200) fcu,k,kPa,对较短的桩或桩身强度较低的桩,可取低值;Es为桩间土的压缩模量,kPa;A1为假想实体基础的底面面积,m2;l为搅拌桩桩长,m;γp为搅拌桩桩群底面以上复合土层的加权平均重度,kN/m3;f'为假想实体基础的底面压力,kPa。

3)下卧层地基验算。当设计的搅拌桩为摩擦型、桩的置换率较大(一般m>20%),而且是非单行竖向排列时,由于每根搅拌桩不能充分发挥单桩的承载力作用,所以,应该按照群桩的作用原理,将搅拌桩和桩间土看作是一个假想的实体基础,考虑假想的实体基础侧面与土的摩擦力,验算假想实体基础底面(下卧层地基)的承载力(图6-37)。

式中:f'为假想实体基础底面处经过修正后的地基承载力,kPa;As为假想实体基础的侧表面面积,m2;G为假想实体基础的自重,kN;୶qs为作用在假想实体基础侧壁上的平均允许摩阻力,kPa;fs,k为假想实体基础边缘软土的承载力,kPa。

当式(6-42)的验算不满足要求时,必须重新设计搅拌桩,直到满足要求为止。

4)壁状加固地基。如果将水泥土搅拌桩作为挡土墙使用,除了要进行水泥土搅拌桩挡土墙的抗滑动、抗倾覆、抗渗、抗隆起和抗整体滑动计算外,还必须验算挡土墙的墙身应力,使其在允许范围以内。具体的计算公式如下

式中:σ为水泥土搅拌桩挡土墙墙身所验算截面处的法向应力,kPa;τ为水泥土搅拌桩挡土墙墙身所验算截面处的剪应力,kPa;EAi为水泥土搅拌桩挡土墙的变形模量,kPa;W1为水泥土搅拌桩挡土墙所验算截面以上的挡土墙自重,kN;b为水泥土搅拌桩挡土墙所验算截面处墙身的半宽,m;fcu,k为水泥土的无侧限抗压强度,kPa;c为水泥土的黏聚力,kPa;φ为水泥土的内摩擦角,(°);K为水泥土的强度安全系数;μ为水泥土的基底摩擦系数。

壁状加固体在平面上就是将搅拌桩布置成为纵横相交的格栅形状(图6-38)。壁状加固体的优点是:限制了格栅中软土的变形,因而大大减少了软土的竖向沉降;增加了支护的整体刚度,保证复合地基在水平力作用下的共同工作。

图6-37　搅拌桩下卧层强度验算

图6-38　水泥土搅拌桩形成格栅形作侧向支护(单位:mm)

水泥土搅拌桩也可以用作基坑支护。现有的发明专利———水泥加筋土桩锚支护就是应用比较广的一种技术,并且还有相应的标准化协会标准《水泥加筋土桩锚支护技术规程》(CECS147:2004)。

水泥加筋土桩锚支护是一种有效的土体支护与加固技术,其特点是钻孔、注浆、搅拌和加筋一次完成,适用于砂土、黏性土、粉土、杂填土、黄土、淤泥、淤泥质土等土层中的基坑支护与土体加固。

水泥加筋土就是插入加筋体的水泥土。加筋体可以采用金属或非金属的。水泥加筋土桩锚支护是由加筋水泥土桩体和锚体(总称桩锚体)构成的对土体的支护体系。它采用专门机具施工,直径20～100cm,可做成水平向、斜向或竖向的等截面或有扩大头的桩锚体,可用于土体加固。

有关水泥加筋土桩锚支护的具体要求,可以参见《水泥加筋土桩锚支护技术规程》(CECS147:2004)。

6.4.5 水泥土搅拌桩的施工工艺

1.水泥土搅拌桩湿法施工

(1)搅拌机械。在国外,水泥土深层搅拌机械于20世纪70年代中期才正式应用于工程实践。机械种类比较多,有陆上和水上专用的,也有深层和浅层搅拌的,有多轴和单轴的,还有单轴叶片喷浆和双轴中心管喷浆等各种形式。国内目前的搅拌机有中心管喷浆和叶片喷浆方式。我国第一台专用的SJB-1型深层搅拌机是双搅拌头、中心管输浆方式的中型机械,它包括电动机、减速器、搅拌轴、搅拌头、中心管、输浆管等部件(图6-39)。提供动力的是两台30kW的潜水电动机。固化剂是通过灰浆泵从中心管下端管口压开单向球阀而注入到被加固土层中的。搅拌机与吊装机由导向系统配合使用。这种搅拌头直接影响到水泥浆和软土的拌和均匀程度,决定着地基土的加固效果。

另外,该种搅拌机还需有配套设备,如图6-40所示。

(2)施工工艺。在施工之前,应该平整施工场地,必须清除地上和地下的障碍物。遇到有池塘、洼地时应抽水和清淤,回填黏性土并加以压实。

水泥土搅拌桩施工前应根据设计要求,进行工艺性试桩,且试桩数量不少于两根。当桩周为多层土时,应该对相应的软土层增加搅拌次数,或者增加水泥的掺入量。

水泥浆搅拌法的施工工艺流程如图6-41所示。

水泥浆搅拌法施工的步骤如下:

1)定位。用起重机或塔架悬吊搅拌机到指定桩位,并且对准桩位中心,保持起吊设备的水平。

2)预搅拌下沉。待深层搅拌机冷却水循环正常以后,启动电机,放松起重机的钢丝绳,使搅拌机沿着导向架搅拌切土下沉。下沉的速度由电流监测表控制,使工作电流不大于70A。

3)制备水泥浆。待搅拌机下沉到一定深度后,开始按设计的配合比制备水泥浆。在压浆前,将水泥浆倒入集料斗中。

4)提升、喷浆、搅拌。当搅拌机下沉到设计深度以后,开启灰浆泵,将水泥浆压入地基中,边喷浆边旋转。同时,严格按照设计确定的提升速度提升搅拌机。

图6-39　SJB-1型搅拌机
1.输浆管;2.外壳;3.出水口;
4.进水口;5.电动机;6.导向滑块; 7.减速器;8.搅拌轴;9.中心管;
10.横向系板;11.球形阀;12.搅拌头

图6-40　SJB-1型搅拌机配套机械和控制仪表
1.搅拌机;2.起重机;3.测速仪;4.导向架;5.进水管; 6.回水管;7.电缆;8.匿锤;9.搅拌头;10.输浆胶管;
11.冷却泵;12.储水池;13.控制柜;14.灰浆泵;
15.集料斗;16.灰装拌制机;17.磅秤;18.工作平台

图6-41　水泥土搅拌法施工工艺流程

5)重复上下搅拌。将深层搅拌机提升至设计加固深度的顶面标高时,集料斗中的水泥浆应该正好排空。为了使软土和水泥浆搅拌更加均匀,可以再次将搅拌机边旋转边沉入土中,到达设计加固深度后,再将搅拌机边旋转边提升出地面(复搅)。

6)清洗。向集料斗中注入适量的清水,启动灰浆泵,清洗集料斗、全部送浆管路及搅拌头。

7)移位。重复上述1)～6)步骤,再进行下一根搅拌桩的施工。

进行壁状加固时,相邻的水泥搅拌桩的施工时间不应该超过24h。如果间隔的时间过长,相邻的水泥搅拌桩将会无法搭接,必须采取局部补桩或者注浆等补强措施。

由于搅拌桩顶部与上部结构的基础或者承台的接触部分受力较大,因此,还可以对桩顶1. 0～1.5m范围内再增加一次输浆,以提高其强度。

施工过程中,必须严格控制施工质量,包括搅拌机预搅下沉时,应将软土完全切碎,以利于软土同水泥浆均匀搅拌;水泥浆不得离析,要按照规定的配比配置搅拌,并预先筛除硬块;在压浆阶段,不允许出现断浆、堵管等现象;要保证搅拌桩形成的加固体的垂直度,其垂直度偏差不得超过1%,桩位的偏差不得大于50mm,成桩直径和桩长偏差不得小于设计值;确保壁状加固的连续性;等等。

2.粉体喷射搅拌法(干法)施工

用水泥喷射搅拌桩加固软基,是以水泥粉作为加固料,与原状软土进行强制搅拌,经过物理、化学作用后,水泥和软土形成水泥土混合物,从而达到提高软基承载力,减少软基沉降的目的。

(1)施工设备和施工质量控制。水泥粉体喷射搅拌法的施工机械设备主要包括:钻机、粉体发送器、空气压缩机、搅拌钻头和动力设备(发电机组)等。

1)钻机。钻机是粉体喷射搅拌法施工的主要机械,它必须满足以下功能:

①动力大、扭矩大和符合大直径钻头的成桩要求,钻头直径一般与水泥粉喷桩的直径相同为500mm左右;

②具有正向钻进及反转提升的功能;

③具有反转提升时匀速提升、均匀搅拌、匀速喷粉等功能。

GPP-5型钻机是一种步履式移位的钻机,由电动机、钻架、卷扬机、液压泵、转盘、主动钻杆、给进链条以及变速箱等部件构成。

除此之外,现在还有已开发出的加固深度为14.0m、18.0m和20.0m的PH-5型粉喷机,以供不同工程之需要。如铁道设计院设计的PH-5-18型钻机,采用液压蛙步移动,液压调平,有钻进深度计和电流电压监测表,能很方便地控制粉喷桩的施工质量,包括入土深度、地层阻力、压缩空气压力及其流量等。

2)粉体发送器。粉体发送器是定时、定量发送粉体材料的设备,它是粉体喷射搅拌法施工机械中的关键设备。粉体发送器的工作原理为:由空气压缩机送来的压缩空气,通过节流阀调节风量大小,压缩空气进入“气水分离器”,使压缩空气中气水分离,然后,“干风”送到粉体发送器喉管与“转鼓”里输出的粉体混合,成为气粉混合体,再进入钻机的旋转龙头,经过空心钻杆由钻头喷出,使水泥粉通过搅拌钻头叶片与软土拌和。

粉体的定量输出由转鼓转速控制。施工时,根据配合比确定水泥的掺入比和钻头的提升速度以及钻机的转速,并选定合适的粉体发送量(确定转鼓转速)。

每根桩水泥总量喷入多少,由灰罐电子秤控制。喷粉过程中,应该认真做好喷粉量记录,确保掺入量符合设计要求,一般掺入量为15%～16%。

YP-1型粉体发送器是一种能定时定量地发送粉体材料的设备,其结构和工作原理如图6-42所示。

3)空气压缩机。粉喷桩水泥粉的喷出是以空气压缩机作为风源。空气压缩机的选定,主要由加固工程的地质条件及加固深度所决定,但平常采用的空气压缩机压力不大,为0.2～0.4 MPa,其风量也不宜太大,一般为1.6～2.0m3。

4)搅拌钻头。粉体喷射搅拌法凭借钻头叶片的搅拌作用使灰粉与软土混合,因此,搅拌钻头的形状直接影响灰、土的搅拌效果。搅拌钻头的形状要保证在反向旋转提升时,对桩中土体有压密作用,而不是将灰、土向地面翻升而降低桩体成桩质量。

图6-42　粉体发送器的工作原理
1.节流阀;2.流量计;3.气水分离器;4.安全阀;
5.管道压力表;6.灰罐压力表;7.发送器转鼓;8.灰罐

搅拌钻头的直径为500～700mm,应保证在反向旋转提升时对加固土体有压密作用。

5)计量装置及动力设备。计量装置在粉喷桩施工过程中起到质量监测的作用,施工前必须标定,施工过程中要有专人监控记录。在施工过程中,监测一般包括深度计、电子秤及各种压力表、电压表读数等。电压表、电流表主要反映钻头在钻进过程中的受力情况,可以从中判别钻头经过地层的情况。

一般功率为75kW的发电机组既可满足动力设备要求,也可以使用市电,简单、方便。动力设备与桩机为一一配置。

(2)施工准备。施工准备主要是进场道路准备、施工作业面准备和备料准备以及工艺性试桩。

粉喷桩正式施工前,首先要施工3～6根桩进行工艺性试桩,目的是:①确定要穿过软土层的实际深度;②了解各软土层的阻力,以确定钻进及提升速度和喷粉量。

在实际工作中,根据粉喷桩抽芯质量检验情况发现,对含水量较大的软土,提升速度要慢,风量要大才能保证成桩质量;对砂层,特别是粗砂层,提升速度应较淤泥层快,风量应较淤泥层小。

(3)施工顺序。水泥土粉喷桩的主要施工顺序如下:

1)桩基就位。根据设计,确定加固放置机体位置的基础(即加垫砂层),使搅拌桩机机轴保持垂直,以防止打斜桩,影响桩基承载力。

2)下钻。启动搅拌桩机,钻头边旋转边钻进。为不致于堵塞喷射口,此时不喷射加固材料,而是喷射压缩空气,这样可使钻进顺利,减小负载扭距。随着钻进的进行,被加固的土体在原位受到搅动。

3)提升钻头并反转。在钻头提升反转的过程中喷粉搅拌,通过粉体发送器将水泥粉喷射入搅拌的土体中,使土体和水泥沿深度方向充分拌和。要根据地质情况,决定提升速度,以得到较均匀的水泥土桩。提升速度应根据试桩参数确定。

4)提升结束。当钻头提升到距离地面30～50cm时,发送器停止向孔内喷射粉料,成桩结束。这时由于装置的回路是封闭的,粉体不会向空中喷射和飞散。在向土体喷射过程中的最后阶段,在搅拌钻头距地面30cm处停止喷粉,粉粒一般不会溢出地面。一般在设计桩顶预加50cm桩长作为破除桩头用。

5)重复搅拌。停止喷粉,为了保证水泥粉体的搅拌均匀,必须再次将搅拌钻头下沉到设计深度。钻头边旋转边钻进,直至设计深度的1/3处,再边提升边反向旋转,使土体和粉体充分拌和,土体被充分粉碎,水泥粉被均匀地分散在桩土中。复拌的深度一般位于设计桩长的1/3,复拌是保证成桩均匀和提高桩体强度的有效措施。

6)移位。搅拌钻头提升至地面后,此根桩的施工结束。将钻机移动位置,对准另一个桩孔,重复上述步骤,进行下一根桩的施工。

6.4.6 水泥土搅拌桩的质量检验

水泥土搅拌桩的质量控制应该贯穿在施工的全过程中,要保证施工全程的施工监理。在施工过程中,必须随时检查施工记录,并对照规定的施工工艺对每根桩进行质量检验。检查的重点是:水泥的用量、桩长、搅拌钻头转数和提升速度、重复搅拌的次数和复搅深度、停浆处理方法等。

1.施工期质量检验

在深层搅拌施工期间,每根桩都应该有一份完整的质量检验单。

质量检验主要有桩位、桩顶和桩底标高、桩身垂直度、桩身水泥掺入量、水泥标号、搅拌钻头上提的喷浆(或喷粉)速度、外掺剂种类、浆液水灰比、水泥浆液搅拌的均匀性、喷粉搅拌的均匀性等。质量检验单由施工人员和监理人员签名后作为施工档案,归档保存。

水泥的标号要符合设计要求,要按成桩试验所确定的技术参数进行施工;严格控制喷粉的时间、停粉时间及水泥喷入量,确保粉喷桩的长度;桩体上部1/3的桩长范围内必须进行两次搅拌,确保桩体质量;发现喷粉量不足时,应整桩复打;喷粉中断时复打的重叠孔段应大于1m。

2.工程竣工后的质量检验

(1)开挖检验。可以根据工程的设计要求,选取一定数量的桩体进行开挖,检查桩位、加固柱体的外观质量、搭接质量和整体性等。

(2)取芯检验和室内试验。桩长及强度检测应以取芯为准。用钻孔方法连续钻取水泥土搅拌桩桩芯,可以直观地检验桩体强度和搅拌的均匀性。取芯时应确保桩芯的完整性和原状强度,在养护条件下送试验室进行立方强度、无侧限抗压强度和压缩试验,试验结果应满足设计要求的强度和压缩模量。

取芯的结果:若原状土为含水量大的软弱淤泥时,桩体胶结较差,且为松散可塑—硬塑状,桩体强度低;若原状土为粗砂层或细砂层时,桩体胶结好,强度高;若原状土为粉砂、淤泥质黏土时,桩体胶结介于两者之间。根据土质性质,确定提升搅拌速度是控制整桩质量的关键。

(3)静载荷试验。静载荷试验必须在水泥土搅拌桩的桩身强度满足试验荷载条件时,且在成桩28d后进行。检验的数量为总桩数的0.5%～1%,且每项工程不应少于3根。

对承受垂直荷载的水泥土搅拌桩,最可靠的质量检验方法是静载荷试验。对水泥土搅拌桩复合地基而言,也应进行静载荷试验,试验结果应满足设计要求。

另外,标准贯入试验也可用于水泥土搅拌桩的质量检测。

(4)沉降观测。建(构)筑物竣工后,还应进行沉降、侧向位移等观测,这是最为直观的检验加固效果的理想方法。

(5)基槽开挖后,应该检验桩位、桩数和桩顶质量,如果不符合设计要求,应采取有效的补救措施。

对于侧向围护的水泥土搅拌桩,开挖时主要检验的项目为:①墙面渗漏情况;②桩墙的垂直度和整齐度;③桩体裂缝、缺损和遗漏情况;④桩体强度和均匀性;⑤桩顶和路面顶板的连接情况;⑥桩顶的水平位移量;⑦基坑底部的渗漏情况;⑧基坑底部的隆起情况。

6.4.7 工程实例

南京南湖新村搅拌桩加固工程。

1.工程概况

南京南湖新村场地位于长江和秦淮河的河漫滩地带,新村住宅楼主要有七层点式和六层条式,建筑物地基的主要地层为高压缩性流塑状态的淤泥质粉质黏土,厚度超过30m。

2.地质情况

地层物理力学性质指标如表6-22所示。

表6-22　各层土物理力学性质指标

3.地基加目设计

七层点式住宅楼荷重较大,基底压力达150kPa,但上部建筑相对刚度较大,因此,建筑物沉降将比较均匀,故采用柱状加固形式。

六层条式住宅楼虽其基底压力小于140kPa,但上部建筑的长高比较大,刚度相对较小,易产生不均匀沉降,因此采用壁状加固形式,即桩与桩搭接成壁,纵横方向的水泥土壁又交叉连接,呈格栅状连成一个整体,如同一个不封底的箱形基础。此外,对一半基础坐落在新填的鱼塘上,另一半坐落在岸坡上的条式住宅楼,则通过不同的桩长设计来调整不均匀沉降。

设计桩长li为9m(考虑场地标高与基底标高间距离,搅拌加固深度D为10m),桩横截面积Ap=0.71m2,周长Up=3.35m,桩侧平均摩阻力୶qs,取8.5kPa,单桩承载力Rdk按摩擦型桩计算

Rdk=Up·∑qsi·li=256(kN)

桩身水泥土强度

根据水泥土的室内配比试验,相应于fcu=870kPa的水泥土配方为10%的水泥掺入比(采用42.5级普通硅酸盐水泥)。

搅拌桩置换率

式中:β为桩间土承载力折减系数,β取0.7。

桩数根据上部结构平面各轴线的荷载差别,设置搅拌桩的平面布置如图6-43所示。

图6-43　点式住宅楼搅拌桩桩位布置(单位:mm)

群桩基础验算:

将加固后的搅拌桩桩群视为一个格子状的假想实体基础,格子状基础的纵向壁宽1.2m,横向壁宽0.7m,水泥土的平均重度取8.8kN/m3,实体基础的底面积A1=138.2m2,侧面积As =2300m2,自重G=10945kN。

(1)承载力验算。实体基础底面修正后的地基承载力设计值

f=fk+ηdγ0(d-0.5)=140.6(kPa)

式中:ηd为基础埋深的承载力修正系数,ηd=1;γ0为基底以上土的加权平均重度,γ0=8.8kN/m3。实体基础底面压力

(2)沉降验算。住宅楼基础的总沉降量s主要由桩群的压缩变形s1和桩端以下土的变形s2组成。

桩群顶面的平均压力

桩群底面土的附加压力p0=f'-γp·l=62.1(kPa)。

桩和桩间土按面积折算,求出桩群的变形模量E0=55.8MPa。

桩端以下土的变形s2用分层总和法计算,实体基础底面中点的沉降s2=71mm,则总沉降

s=s1+s2=92(mm)

4.施工质量检验

摩擦型水泥土搅拌桩的桩轴力自上而下逐渐减小,最大的桩轴力位于桩顶2倍桩直径的深度范围内。由此推断,现场搅拌工程桩最大的桩轴力应在桩顶3m范围内。但这部分受力较大的桩段却往往由于缺少上覆土压力或施工不慎而不密实或者搅拌不均匀,以致影响质量。因此,搅拌桩质量检验的重点一般都放在桩头4m范围内。质量检验的手段主要使用轻便触探仪,在工程桩成桩后的一周时间内,利用轻便触探的钻头提取桩身水泥土样以观察搅拌均匀的程度,同时根据轻便触探击效判断各桩段水泥土的强度。检验桩的数量一般占工程桩总数的3%～5%。

5.竣工后的沉降观测

18幢建筑楼房建成投入使用一年半后,沉降一般为20～30mm,最多也只有80mm,且每幢住宅的沉降是比较均匀的,符合原设计要求。

思 考 题

1.简述灌浆法的概念、目的、对象和应用范围。

2.灌浆工艺所依据的理论主要可归纳为几类?它们各自的特点和应用范围是什么?

3.什么是灌浆标准?灌浆标准的具体内容有哪些?

4.进行灌浆施工时,如何确定灌浆的布孔方式?

5.灌浆效果检查包括哪些主要内容?

6.什么是高压喷射注浆法?它的基本种类有哪些?各自特点是什么?

7.试述高压喷射注浆法的特点、加固机理和适用范围。

8.在使用高压喷射注浆法的时候,需要注意哪些问题?

9.简述高压喷射注浆法的成桩机理。

10.在高压喷射注浆法的应用与施工中,如何确定喷射孔的布置形式和间距?

11.高压喷射注浆的质量检查包括哪些内容?

12.什么是深层搅拌法?水泥水深层搅拌法分为哪两种方法?适用范围有哪些?

13.深层搅拌法与灌浆法、高压喷射注浆法的主要区别是什么?

14.深层搅拌法的加固机理是什么?影响水泥土强度的主要因素有哪些?

15.对深层搅拌法施工的加固效果的检验包括哪些具体内容?