壓密注漿頂升效應的研究

趙 明

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

0 引言

從1173年始建的米蘭比薩斜塔到近日上海中心大規模沉降所導致的地面開裂。不均勻沉降所導致的建筑物傾斜問題再次引起了專家、學者們的注意。建筑物糾偏要達到兩個目的，糾傾和加固。建筑物糾偏的思路就是“抬升”和“促沉”，或單獨使用，或配合進行。“抬升”常用的方法是壓密注漿法，“促沉”常用的方法即深層掏土法，深層掏土法對于建筑物糾偏有糾偏量大的優點，但無益于地基土承載能力的提高，只糾偏，無加固，有可能在糾偏完成后發生新的不均勻沉降。對于壓密注漿法，注漿過程中不僅加固了基礎下部的土體，提高了地基的承載力，防止了發生新的沉降和傾斜，而且注漿過程中產生的向上抬升力(或者稱為頂升力)還能有效的抬起基礎，扶正建筑物［3］。國內已有煤炭科學研究總院的馮旭海、中南大學的巨建勛對壓密注漿頂升效益進行了系統的理論研究，但尚未對注漿深度和不同土質的注漿效果有量化的研究。本文針對建筑物糾偏過程中常用的壓密注漿糾偏方法進行了研究，對不同注漿深度和不同土質的注漿糾偏效果進行了對比，得出了一些有益的結論。

1 壓密注漿基本理論

壓密注漿通過鉆孔將極稠的漿液擠入土體，在注漿處形成漿泡。漿泡對周圍土體壓縮，在漿泡臨近區存在大的塑性變形區。離漿泡較遠區域土體發生彈性變形，因而土的密度明顯增加。壓密注漿剛開始時漿泡的直徑和體積較小，壓力主要是徑向即水平方向。隨著漿泡體積的增加，將產生較大的上抬力，因而壓密注漿的擠密作用和上抬力對沉降基礎加固和抬升是非常有效的。壓密注漿拱升原理如圖1所示。

1．1 上抬作用臨界注漿壓力求解

上抬作用臨界壓力的求解對于壓密注漿施工中注漿壓力的控制有著重要的意義。計算模型如圖2所示。

設圓錐側面與水平方向夾角為θ，漿泡半徑和引起地表抬升的漿土界面處的壓力之間的關系可以用式子表述出來。Wong［1］(1971)針對欠固結土的表述如下:

其中，H為注漿深度;Ru為注漿體半徑;Pu為注漿壓力。

從上式可以看出，注漿深度對注漿壓力的影響最大。

圖1 拱升原理圖

圖2 拱升作用計算模型

1．2 壓密注漿的適用范圍

壓密注漿法主要用于提高地基土的承載力、防止地基的不均勻沉降、局部地基加固、構筑物的糾偏扶正、防止鄰近挖、削造成的房屋地基變形等領域。所以其適用范圍為［4］:

1)地表有硬層(如混凝土或灰土墊層)，中、深層土質松軟的砂土地基和濕陷性黃土地基的加固補強;2)因非均勻沉降而導致的構筑物傾斜的糾偏扶正;3)場地狹窄處建筑物基礎的托換;4)地層液化的預防和整治。

2 計算模型與參數

壓密注漿所要加固的土層實際上是三維空間，因而漿柱和土層之間是一個復雜的三維空間受力問題。目前，在注漿過程中大都采用簡化模型的方法，本文為簡化起見，亦將其作為平面應變問題來考慮。

2．1 邊界條件

整個壓密注漿分為三個階段:

1)第一階段:沿基礎外緣500 mm打垂直孔，作垂直方向注漿，深度9 m。作用是加固被動土，形成阻漿帷幕，擋土封漿［5］。2)第二階段:沿基礎外緣800 mm打傾角為15°方向的斜孔，作傾角為15°方向注漿，深度為9 m。作用是利用深層注漿，加固淤泥質土體。3)第三階段:沿基礎外緣800 mm打傾角為20°方向的斜孔，作傾角為20°方向注漿，深度依次為5 m，4 m，3 m。作用是擠密滲透注漿，膨脹擴充抬高土體。4)注漿漿液為P．O32．5普通硅酸鹽水泥制成的純水泥漿液，摻2%氯化鈣作早強劑，水灰比0．55。注漿壓力 0．6 MPa ～0．7 MPa。注漿時，在一定范圍內調整注漿壓力，同時采用間歇性重復注漿方式控制注漿液流量，從而使漿液能被充分地用于加固土體。

2．2 有限元計算模型

根據上述邊界條件在Geostudio軟件的SIGMA/W模塊中建立有限元分析模型，由于注漿效益的對稱性，可取注漿土體的一邊作為計算模型，如圖3所示。

2．3 有限元計算參數

根據邊界條件，注漿壓力設為700 kPa的均布荷載。

由于土的各向異性，材料模擬較為復雜，為計算簡便，地基土和堤壩土的材料模型均為線彈性。本例設置了上海常見的四種土的參數，依次是淤泥質土、粉質粘土、粉砂、淤泥質粉質粘土，材料參數如表1所示。

表1 土體參數

3 不同注漿深度頂升效果對比

本例依次以注漿深度為5 m，4 m，3 m進行有限元模擬，模擬結果如圖4所示。

圖3 計算模型

圖4 不同注漿深度的應力矢量圖

根據應力的矢量圖和變形網格圖(見圖4，圖5)，在x=4，y=9處拱升效應最大，為21．54 cm。有限元計算結果如圖6所示。

圖5 不同注漿深度的變形圖

圖6 位移計算結果

由計算結果可知，壓密注漿的糾偏量級為10－1m。若所需糾偏量過大，則需結合深層掏土法進行糾偏。此外，由不同深度的應力矢量圖可得，不同的注漿深度應力矢量方向發生了質的變化。所以注漿深度應不大于底層加固深度的一半，使應力方向朝向建筑物，底部加固層不會受到較大的荷載，底層加固層不受注漿產生的應力作用，故底層加固可適度減弱。

4 不同土質注漿頂升效果對比

本例針對上海地區常見的四類土進行了同等條件下的壓密注漿有限元模擬，模擬結果如圖7所示。

圖7 不同土質頂升位移對比圖

由位移對比圖可以看出，壓縮模量最小的淤泥質土的頂升位移最大，達到了30．76 cm。粉砂的頂升位移最小，為5．09 cm。針對上海多淤泥質土的工程地質情況，壓密注漿的頂升效益較為明顯且能明顯提高淤泥質土的壓縮模量。

5 結語

通過Geostudio軟件的SIGMA/W模塊模擬壓密注漿的頂升效益，可得出以下結論:1)壓密注漿的糾偏量級為10－1m。若所需糾偏量過大，則需結合深層掏土法進行糾偏。2)注漿深度應不大于底層加固深度的一半，使注漿產生的應力方向朝向建筑物基礎。底層加固層不受注漿作用產生的應力作用，故底層加固可適度減弱。3)壓縮模量最小的淤泥質土的頂升位移最大，針對上海多淤泥質土的工程地質情況，壓密注漿的頂升效應較為明顯且能提高淤泥質土的壓縮模量。

［1] W．H．Y．“Compaetion of soil during pressuregrouting．”PrivateReP，CementationResearehLtd，Riekmansworth，Herts，England，1971．

［2] GEO-SLOPE International Ltd．GEO-SLOPE User’s Manual［Z］．Calgary:Alberta，2001．

［3] 馮旭海．壓密注漿作用機理與頂升效應關系的研究［D］．北京:煤炭科學研究總院碩士學位論文，2003:7．

［4] 巨建勛．土體壓密注漿機理砌體抬升作用的研究［D］．長沙:中南大學碩士學位論文，2003:7．

［5] 黃 蔚．3000 t級貯槽罐傾斜糾偏處理［J］．施工技術，2009(38):83-85．

［6] JohnKrahn．Stability Modeling with SLOPE/W［S］．CarIad8:GEO-SLOPE International，LTD，2004．

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［8] JohnKrahn．Stress and Deformation Modeling with SIGMA/W［S］．Canada:GEO-SLOPE International，LTD，2004．