水泥工程膨脹土基礎(chǔ)沉降與抬升的原因分析及治理

李春華

1 前言

膨脹土（expansive soil）亦稱“脹縮性土”，是一種高塑性黏土，一般承載力較高，但具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，脹縮極不穩(wěn)定。位于膨脹土之上的建筑物，常常產(chǎn)生不均勻的豎向或水平的脹縮變形，使建筑物發(fā)生位移、開裂、傾斜甚至破壞。

2 項(xiàng)目概況

非洲某水泥廠項(xiàng)目，由詳勘資料可知，整個(gè)水泥廠場(chǎng)區(qū)均存在膨脹土，且為高膨脹性。受膨脹土影響較大的項(xiàng)目子項(xiàng)基礎(chǔ)情況及設(shè)計(jì)處理方案如下：

石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)、輔料預(yù)均化堆場(chǎng)、原煤預(yù)均化堆場(chǎng)三個(gè)子項(xiàng)的埋深均為-2.5m，采用獨(dú)立基礎(chǔ)；原料配料站、窯頭、煤磨、原料磨四個(gè)子項(xiàng)埋深均為-5.1m，其中，原料配料站為整板基礎(chǔ)，窯頭為筏板基礎(chǔ)加獨(dú)立基礎(chǔ)，煤磨為筏板基礎(chǔ)，原料磨為獨(dú)立基礎(chǔ)。這七個(gè)子項(xiàng)，為防止因膨脹土導(dǎo)致的基礎(chǔ)沉降，均設(shè)計(jì)了如下處理方案：基礎(chǔ)底面采用1 400mm厚角礫土壓實(shí)換填，壓實(shí)系數(shù)為0.95，并做好防水處理。換填土下面為第3層粘土層，地基承載力特征值fak=250kPa。

3 現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)沉降情況

3.1 雨季施工發(fā)生基礎(chǔ)沉降的情況

該項(xiàng)目于2017年5月建成投產(chǎn)。在2015年10月～2016年4月，當(dāng)?shù)亟?jīng)歷了漫長的雨季，連續(xù)降雨導(dǎo)致在這段時(shí)間內(nèi)施工的石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)網(wǎng)架基礎(chǔ)、原料磨磨機(jī)基礎(chǔ)、窯頭篦冷機(jī)等多個(gè)車間的基礎(chǔ)產(chǎn)生了不均勻的沉降或抬升。最大沉降發(fā)生在石灰石堆場(chǎng)車間，下沉量為-97mm；最大抬升發(fā)生在輔料堆場(chǎng)車間，抬升量為107mm。石灰石堆場(chǎng)產(chǎn)生沉降或抬升的基礎(chǔ)情況見圖1，石灰石堆場(chǎng)T7號(hào)基坑情況見圖2。

圖1 石灰石堆場(chǎng)產(chǎn)生沉降或抬升的基礎(chǔ)

圖2 石灰石堆場(chǎng)T7號(hào)基坑

3.2 雨季前完成回填的基礎(chǔ)的沉降情況

雨季前，現(xiàn)場(chǎng)有數(shù)個(gè)子項(xiàng)已經(jīng)完工，對(duì)這些完工的子項(xiàng)進(jìn)行沉降觀測(cè)記錄，與前面介紹的雨季期間施工發(fā)生的基礎(chǔ)沉降情況進(jìn)行對(duì)比分析。

選取已經(jīng)完工的行政辦公樓、CPP油罐及總降壓變電站三個(gè)子項(xiàng)進(jìn)行沉降觀測(cè)。其中，行政辦公樓（設(shè)6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)）的基礎(chǔ)最大抬升量為3mm，且僅有一處，另外三處為1mm，兩處為0mm；CPP油罐（設(shè)4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)）基礎(chǔ)最大沉降量為4mm，最大抬升量為5mm，其余均在兩者之間；總降壓變電站（設(shè)4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)）基礎(chǔ)無明顯沉降。這三個(gè)子項(xiàng)均在雨季來臨前完成了基礎(chǔ)回填，而且散水及其他排水措施做的比較好，有效防止了雨水對(duì)土壤的滲透。

由此可見，雨季期間施工的基礎(chǔ)發(fā)生了嚴(yán)重的沉降，而雨季前完工的基礎(chǔ)沉降輕微或者沒有沉降，二者形成鮮明對(duì)比。

4 問題原因分析

通過工程測(cè)量、鉆孔勘察、現(xiàn)場(chǎng)開挖三種方式，對(duì)多個(gè)子項(xiàng)的基礎(chǔ)進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，雨季前完成回填且排水良好的基礎(chǔ)均無沉降問題，而雨季施工及未及時(shí)回填的基礎(chǔ)有嚴(yán)重沉降或抬升。由此得知，造成該項(xiàng)目基礎(chǔ)沉降或抬升的主要原因有以下三個(gè)方面，這也是日后其他膨脹土區(qū)域建設(shè)項(xiàng)目需要特別注意的關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）排水問題。泡水基坑沒有及時(shí)排水或排水不徹底，導(dǎo)致雨水進(jìn)入膨脹土層。

（2）回填問題。本項(xiàng)目基礎(chǔ)施工時(shí)正值雨季，基礎(chǔ)回填后，沒有對(duì)地表采取有效防水抗?jié)B措施。

（3）壓實(shí)質(zhì)量問題。多次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，回填壓實(shí)不合格，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 處理措施

因該項(xiàng)目涉及工期、成本、索賠等一系列問題，經(jīng)過多方多次分析研判，比選了換土、土性改良、灰土樁、水泥樁加固及拆除重建等方案后，最終確定采用注漿方案進(jìn)行基礎(chǔ)加固處理。

該項(xiàng)目注漿技術(shù)執(zhí)行中國標(biāo)準(zhǔn)，主要對(duì)基礎(chǔ)基底泡水后的換填土層進(jìn)行注漿加固處理。需要處理的子項(xiàng)包括石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)、輔料預(yù)均化堆場(chǎng)、煤預(yù)均化堆場(chǎng)三個(gè)車間的網(wǎng)架柱獨(dú)立基礎(chǔ)及軌道基礎(chǔ)，原料配料站的整板基礎(chǔ)，原料磨輥磨以及黃料庫庫壁基礎(chǔ)共六個(gè)子項(xiàng)基礎(chǔ)。

就石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)而言，堆場(chǎng)直徑100m，均勻布置36個(gè)網(wǎng)架獨(dú)立基礎(chǔ)，共有15個(gè)基礎(chǔ)發(fā)生沉降或抬升。這15個(gè)基礎(chǔ)經(jīng)過兩次注漿后才達(dá)到穩(wěn)定，其余車間基礎(chǔ)均一次注漿后即達(dá)到穩(wěn)定。下文將以石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)T7號(hào)基礎(chǔ)為例進(jìn)行分析說明。

5.1 第一次注漿方案

（1）注漿平面布置。采用φ90mm的注漿孔，內(nèi)插φ80mm鋼套管，與水平面成45°的傾角注漿，每孔注漿量≮260L，注漿孔豎向間距為900mm。第一次注漿平面布置及注漿傾角示意分別見圖3、圖4。

圖3 第一次注漿平面布置圖（T7）

圖4 注漿傾角示意圖

（2）注漿參數(shù)。水泥漿液配比為W：C=1:1，注漿壓力為0.4～0.6MPa。

（3）注漿量控制。當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)量，注漿壓力滿足約0.5MPa時(shí)，終止注漿。

（4）注漿順序。先注外圍，后注內(nèi)部，以防漿液流失；為防止鄰孔串漿，按隔孔注漿方式進(jìn)行。

5.2 第二次注漿方案

第一次注漿后，除石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)獨(dú)立基礎(chǔ)仍存在沉降或抬升外，其余車間基礎(chǔ)的沉降或抬升都較小，達(dá)到穩(wěn)定程度，不需再注漿加固。為此，石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)獨(dú)立基礎(chǔ)需采用鋼花管工藝進(jìn)行第二次注漿。鋼花管注漿施工工藝是目前注漿處理地基的一種常用方法，它集中了壓（擠）密注漿法和滲入注漿法的優(yōu)點(diǎn)，能進(jìn)行定深、定量、分段、間歇注漿，適用于多種地質(zhì)條件下的地基注漿加固，同樣適用本項(xiàng)目。

（1）注漿平面布置。鋼花管垂直于水平面注漿，每孔注漿量≮800L，注漿壓強(qiáng)為0.1MPa，注漿孔間距為1 100mm。第二次注漿平面布置見圖5。

圖5 第二次注漿平面布置圖（T7）

（2）灌注材料及配比。用P·O42.5R普通硅酸鹽水泥作灌注主料，保證各種灌注材料的合理配比。在施工中使用的灌注材料配比（重量比）如下：

固管漿料為單液水泥漿，水：水泥配比為1：1.5。水玻璃或氯化鈣作速凝劑。

在花管注漿的漿液中，水泥與水的配比為1～0.6：1，先稀漿后稠漿。

（3）施工工藝流程。將鋼花管采用振動(dòng)方式沉入待注漿地層→固管止?jié){、安裝注漿軟管→待凝→壓力灌漿→終止灌漿→壓力注漿監(jiān)測(cè)。鋼花管結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。

圖6 振動(dòng)沉入φ42mm鋼花管示意圖

鋼花管施工的優(yōu)點(diǎn)是，施工設(shè)備易采購，大面積施工設(shè)備來源多，不會(huì)因采購設(shè)備而影響施工進(jìn)度；缺點(diǎn)是，在有地下障礙物時(shí)，鉆進(jìn)效率易受影響。本項(xiàng)目不存在地下障礙物，故采用此方式。

6 檢測(cè)評(píng)價(jià)

以石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)、輔料預(yù)均化堆場(chǎng)兩個(gè)車間為例，對(duì)注漿加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

6.1 SPT檢測(cè)對(duì)比分析

注漿后的SPT檢測(cè)值與地勘實(shí)驗(yàn)值的結(jié)果對(duì)比見表1。由表1可知，第一次注漿后，石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)泡水后的換填土SPT值，由3.750提升至11.375，輔料預(yù)均化堆場(chǎng)泡水后的換填土SPT值，由5.875提升至9.625。經(jīng)檢測(cè)，石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)獨(dú)立基礎(chǔ)自第二次注漿后，未發(fā)生明顯抬升或下沉，滿足網(wǎng)架安裝要求。經(jīng)注漿加固后的地基土，標(biāo)貫值和地基承載力明顯提升，滿足設(shè)計(jì)要求，加固效果良好。

表1 注漿后SPT檢測(cè)值與地勘實(shí)驗(yàn)值結(jié)果對(duì)比

6.2 地基承載力分析

兩個(gè)網(wǎng)架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)承載力特征值fak要求分別為：石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)fak=120kPa；輔料堆場(chǎng)fak=140kPa。根據(jù)SPT值與地基承載力特征值的關(guān)系，通過對(duì)比分析SPT的設(shè)計(jì)值與注漿加固后的實(shí)測(cè)值可知，現(xiàn)場(chǎng)SPT實(shí)測(cè)值大于或接近設(shè)計(jì)值，滿足地基承載力要求。

6.3 注漿量分析

輔料預(yù)均化堆場(chǎng)B14基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果表明，注漿率為10%，注漿量為2 570L時(shí)，地基承載力特征值fak=175kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。反推其他基礎(chǔ)，注漿量=注漿率×換填土體積。

注漿加固的基礎(chǔ)，多數(shù)出現(xiàn)抬升或地面冒漿的現(xiàn)象，證明這些基礎(chǔ)基底漿液已經(jīng)飽和。未出現(xiàn)抬升，也未出現(xiàn)地面冒漿的基礎(chǔ)，注漿量和注漿率都已超過設(shè)計(jì)要求，為避免基礎(chǔ)抬升，終止注漿。綜上所述，兩個(gè)堆棚網(wǎng)架基礎(chǔ)的注漿量和注漿率基本超過設(shè)計(jì)要求。輔料堆場(chǎng)和石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)設(shè)計(jì)注漿量與實(shí)際注漿量對(duì)比見表2。

表2 設(shè)計(jì)注漿量與實(shí)際注漿量對(duì)比

6.4 沉降觀測(cè)分析

在注漿前需要進(jìn)行加固的基礎(chǔ)，在沒有施加上部荷載時(shí)，均發(fā)生了沉降或抬升，相對(duì)于其他基礎(chǔ)，這些基礎(chǔ)的地基較為薄弱。沉降測(cè)量結(jié)果顯示，這些基礎(chǔ)進(jìn)行注漿加固后，在已經(jīng)施加了上部荷載的情況下，沉降量較小，滿足規(guī)范要求。石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)網(wǎng)架典型基礎(chǔ)沉降觀測(cè)記錄見表3。

6.5 工期與費(fèi)用

本項(xiàng)目注漿加固工作由非洲當(dāng)?shù)氐囊患抑袊境袚?dān)，從2016年9月開始，到2017年初結(jié)束，共歷時(shí)3個(gè)多月，完成全部注漿工作。

*表3石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)網(wǎng)架典型的基礎(chǔ)沉降觀測(cè)記錄

整個(gè)注漿加固工作的材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、檢測(cè)費(fèi)等全部費(fèi)用均控制在預(yù)算范圍內(nèi)，且少于樁基或其他加固方案的預(yù)算。從費(fèi)用方面也證明了注漿加固方案的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

7 結(jié)語

該水泥廠項(xiàng)目的基礎(chǔ)沉降處理案例說明，注漿加固方案可以有效地解決膨脹土導(dǎo)致的基礎(chǔ)下沉和抬升問題，這種方案具有顯著的適用性、合理性和經(jīng)濟(jì)性，尤其在現(xiàn)場(chǎng)施工條件受限、機(jī)具種類有限的約束情況下，更具有施工簡單易行、加固效果顯著的優(yōu)勢(shì)，可供日后處理類似問題參考。

膨脹土是一種特殊土，常用的地基處理還有換土、土性改良、灰土樁加固、水泥樁加固等方法，在完成加固方案工程施工的基礎(chǔ)上，還應(yīng)做好地表的防滲與排水、保證回填土質(zhì)量等工程措施，將膨脹土不利影響控制到最小程度。不管哪種處理方案，都應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的沉降情況、當(dāng)?shù)氐臋C(jī)具條件、工期、費(fèi)用、施工水平等，并通過多方案比選，最終確定出安全、合理、經(jīng)濟(jì)、適用的解決辦法。