特殊巖土地層注漿加固技術研究

高 清 海

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

隨著我國基礎設施建設步伐的加快推進，地基處理技術也有了極大的提高。由于海相沉積，湖相沉積等形成的地層含有腐殖質，有機質等成分較多，地層厚度大，且具有粘聚力差，不易固結等特點，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研究成為了目前地基處理的一個重要方面。采用注漿技術加固地層有著廣泛的應用前景，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進行地基加固，是一種比較適合的地基處理措施，但經驗比較欠缺。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。本文以某地區海相沉積地層特大橋樁基礎工程為例，對注漿加固地基技術進行研究，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 注漿技術的概念

注漿技術，就是將具有充填膠結性能的材料配成漿液，以泵壓為動力源，用注漿設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其位置，由于漿液的凝結，硬化，將原來松散的土粒或裂隙膠結成一個整體，形成一個結構新，強度大，防水抗滲性能高和化學穩定性良好的“結石體”，達到對地層加固或堵水的目的，以達到改善受注地層的水文地質和工程地質條件，使得經過注漿改造的區域具有良好的工程施工條件。

1.2 加固技術及原理

鉆孔壓密注漿是采用機械鉆孔至需固結地層內，下入注漿導管后，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，達到擴散充填和后期固化膠結，有效提髙地基土的承載力。

有關研究表明，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，會使加固對象中產生極其復雜的應力體系，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均能受到明顯的加固。根據上述原理，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，也使基礎下部地層的承載能力得以增強，進而達到控制橋面沉降的目的。

2 注漿加固技術在某特大橋中的應用

2.1 工程概況

某工程特大橋位于河流入海口，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，腐殖質等有機質，少量粘性土，土工試驗揭示，地層孔隙大，孔隙率高，壓縮系數大，粘聚力小。橋梁大跨主墩基礎結構采用直徑2 m鉆孔灌注樁，摩擦樁，樁長85 m～100 m不等，在鉆孔樁基礎施工過程中，成孔困難，塌孔嚴重，導致樁基礎施工無法進行，有可能延誤工期。

根據現場施工渣樣，地勘鉆孔情況，參考類似工程經驗，綜合分析后，認為該地層細顆粒含量少，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險，成孔困難，周期長。基礎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量事故，因此樁基礎施工前需采取必要的措施，防止坍孔、斷樁等嚴重質量問題的發生。

經方案比選，決定對該地層采取注漿固結處理后，再進行基礎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 注漿加固配合比設計和優化

設計稠度按實做配比確定，根據設計方案，施工工藝等進行配合比設計，保證工作性能等滿足相關標準及現場施工要求，且經濟合理(注漿效果進行現場驗證，達到地層基本固結，能防止鉆孔樁施工時坍孔即可)。

1)根據設計方案及規范對凈漿配合比強度，水膠比，工作性能進行配合比設計。

a.水灰比。

根據經驗及試拌確定，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)參數調整優化。

a.多種配合比對照。

根據經驗及試拌確定，以W/C=0.7水膠比為基準配合比，調整水膠比，增加或減少梯度為0.1，用水及水玻璃量與基準配合比相同，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：

配合比稠度試驗結果如表3所示。

表3 稠度試驗統計表 s

配合比自由泌水率試驗:

配合比自由泌水率統計表如表4所示。

表4 自由泌水率統計表

配合比的力學性能檢測匯總表：

配合比的力學性能檢測表和體能檢測表如表5，表6所示。

表5 配合比的力學性能檢測匯總表

根據表1～表4的測試結果統計可以看出，編號No.3的稠度(14 s～18 s)，泌水率(0)均不符合規范要求。根據表5，表6中的拌合物性能及力學性能檢測結果分析，考慮漿體的稠度，泌水率，工程使用條件以及經濟性，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 注漿加固效果現場驗證比選

2.3.1 注漿壓力的優化比選

注漿采用XY-1型地質鉆機，SGB6-10注漿泵，根據地質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，達不到預期的注漿效果；當注漿壓力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，注漿壓力達到3.5 MPa是結束注漿的標識。

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，達到預期加固效果，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，渣樣基本呈現結塊狀態，強度較低，但是滿足鉆孔護壁需要，能達到防止坍孔的效果，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，漿液流失嚴重，注漿影響范圍達不到，部分渣樣沒有結塊，未達到預期注漿效果，不能滿足鉆孔護壁需要，不能達到防止坍孔的效果。

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，但是呈現出基本結塊，可以滿足鉆孔樁施工護壁需要，能達到防止坍孔的效果，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，經濟合理。

2.3.3 注漿效果現場驗證

地層加固結束后，現場開始進行鉆孔樁基施工，在鉆孔樁施工過程中，未再出現樁基鉆孔坍塌現象，采取低應變動測法進行樁身檢測，發現樁基完整性好，同時，根據現場實時檢測結果，樁基未發生沉降異常現象。

3 結語

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，是一個較適用的地基加固措施。在注漿加固技術中，注漿加固配比，注漿壓力，擴散半徑三者數值的設定極為重要。本文通過試驗對比法，從參數選取過程和結果驗證表明，在注漿材料配比和注漿壓力選取上，綜合考慮樁基礎半徑，漿體的稠度，泌水率，注漿壓力，工程使用條件以及經濟性的基礎上，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，最為科學合理。