WSS注漿在市政道路地基處理中的應用

劉 東

（上海市政工程設計研究總院集團浙江市政設計院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

注漿是工程中常用的一種地基處理方法。該工藝最早使用時間可追溯到1802年，已有兩百多年歷史。WSS注漿是指無收縮雙液注漿，是注漿技術的一種。近年來，該工藝在在地鐵加固及止水工程中得到廣泛使用，并積累了豐富的工程經驗。但是，在市政工程不良地基處理中應用案例相對較少。

紹興某市政道路局部路段地下水位較高，地質條件較差，存在孔洞。綜合考慮加固效果、施工工期、經濟性等因素，采用WSS注漿處理。依托該工程實例，從原理及特點、注漿效果評價、關鍵參數及施工工序等方面，對WSS注漿在市政道路不良地基處理中的設計及施工要點進行了分析和探討。其成果可為類似工程提供參考。

1 基本原理及特點

從力學角度，軟土中的注漿體主要有滲透、擠壓、劈裂和填充四種運動。在土體中注漿往往都會在注漿孔附近產生劈裂現象，即便是一些滲透注漿的工程，往往也伴有劈裂。只有當產生劈裂現象時，才能使漿液更有效地滲透到土體中。從這個意義上講，滲透和壓密都可以看成劈裂現象的前期階段。

對于該工程WSS注漿，在注漿過程中，處于出漿孔附近的漿液體隨著漿液的注入不斷擴大，壓力逐漸增大，部分漿液會滲入到土體孔隙內，填充到較大的空隙中。當壓力增大到一定程度，土層軟弱結構面發生劈裂，漿液沿破壞面前進、擴散。

外部注漿壓力將會導致土體中有效應力減小，此時最大、最小有效主應力σ'1=σ1-γwhw-P，σ'3=σ3-γwhw-P。其中：σ1為最大總主應力，σ3為最小總主應力，hw為地下水位高度，γw為水的重度，P為注漿壓力。隨著注漿壓力P增大，有效摩爾應力圓半徑不變，圓心位置向破壞包線方向平移，當圓與破壞包線相切時，表明土體已經發生劈裂（見圖1）。

圖1 極限條件示意圖

WSS注漿采用的漿液材料有三種，分別為A液（Na2O·nSiO2，俗稱水玻璃）、B液（凝膠劑及外加劑）和C液（水泥漿）。A液先后與B液、C液通過二重管端頭的漿液混合器充分混合，分別合成溶液型漿液（水玻璃與凝膠劑及外加劑組成，簡稱AB液）、懸濁型漿液（水玻璃與水泥漿組成，簡稱AC液）。其原理是在不改變地層組成的情況下，先通過AB液將土層顆粒間的水強迫擠出，再利用AC液使該土層粘結力和內摩擦角值增大，從而使地層粘結強度及密實度增加，起到加固作用；顆粒間隙中充滿了不流動而且固結的漿液后，使土層透水性降低，從而形成相對隔水層[1]。

二重管無收縮雙液注漿主要有以下特點[2-3]：

（1）能夠實現定向、定量、定壓注漿，滲透力強。

（2）注漿范圍和凝結時間可根據實際工程需要靈活調整，工程適應性強。

（3）二重管端頭配備漿液混合器，可使漿液混合充分且均勻。

（4）可實現垂直注漿、水平注漿、傾斜注漿等自由角度的注漿。

（5）注漿材料選擇較多，材料來源廣泛。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

紹興某市政道路，其等級為城市快速路，總長度約6.2 km，主線采用高架形式，輔道采用地面形式，主線為雙向六車道，輔道為雙向四車道，標準橫斷面布置見圖2所示。

圖2 高架標準橫斷面布置圖（單位：m）

2.2 地質及水文概況

自上而下，場地土層分布情況如下：

（1）素填土：灰～灰黃色為主，松散～稍密狀，主要由塊石、碎石、砂和黏性土組成，骨料成分為中～微風化凝灰巖，上部0.2 m瀝青層，河道部位為淤泥混碎石，均勻性較差。該層全場分布，層厚約0.3～6.3 m。

（2）黏土層：灰色，軟塑狀，高壓縮性。含有較多有機質及泥碳，成份以粉、粘粒為主，局部變相為淤泥質粉質黏土或粉質黏土，土質均勻性差。該層為全新統濱海組上段湖沼相沉積，主要有粘土層、粉質黏土層、含礫砂粉質黏土。層厚約0.2～7.8 m。

（3）淤泥質黏土：灰色，流塑狀，高壓縮性。含少量有機質，成份以粉、粘粒為主，局部變相為淤泥或淤泥質粉質黏土，土質均勻性尚可。該層為全新統濱海組上段湖沼相沉積土層。該層局部缺失，層厚約0.9～24.6 m。

（4）凝灰質砂巖：黃褐～紫灰色，極軟巖，風化裂隙很發育，成份主要由長石、石英和微量金屬礦物被火山灰膠結而成，砂狀結構，厚層狀構造，巖體破碎，呈碎塊狀，為白堊系下統朝川組風化基巖，風化程度為中～強風化。該層分布場地東側，層厚0.2～20 m。

該區域地下水可以分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，可分為三層，

（1）全新統上段湖沼相粉質黏土，黏質粉土含水組，含水巖性為灰黃～黃灰色，厚度約2.5～19.5 m左右，水位埋深0.2～3.2 m，含水極為豐富，透水性較好。

（2）上更新統沖湖積、沖積空隙承壓含水層，上部為薄層～中厚層的粉質黏土，黏土層，下部為粉砂、含黏性土砂礫層，厚約2.4～14.6 m，水位埋深約4.6～5.2 m。含水性受下部粉砂、含黏性土礫砂層的厚度和分布范圍控制，微承壓，水量中等，透水性一般。

（3）基巖裂隙水，由風化帶網狀裂隙水組成，富水性主要有巖性，地形地貌，風化程度，風化帶厚度及地表植被發育程度等因素決定。

該路段典型地質剖面圖如圖3所示。

圖3 典型地質剖面圖

2.3 特殊路段物探

局部路段（長度約300 m）地質情況較為復雜，地下水位埋深較淺。該路段西側與南側均臨河，地下多為原道路回填的大體積塊石，探明其集配不良，在滲流作用下，塊石間細顆粒流失，導致此處地下土體逐漸發展形成空洞。

針對此特殊情況，對該區域進行了進一步探測。根據現場實際情況，共布置完成地質雷達測線5條，高密度電阻率法剖面4條。

地質雷達法測線編號為LD1～LD5,測線長度均為350 m，高密度電阻率法測線編號為1線～4線，測線長度均為350 m，測線統計詳見表1所列。

表1 物探測線統計表

根據地質雷達探測結果，結合現場勘查及地質勘查資料分析，共圈定21處剖面病害異常，總長1 025延米，劃分為14處病害異常區域，病害相關性較強。異常區域主要集中于道路兩側，主要以疏松區、空洞為主。其中，較為嚴重的疏松區域，路基含水量高，內部空洞、不密實情況較為發育。病害情況統計見表2所列。

表2 病害情況統計表

測線及病害分布位置見圖4所示。

圖4 物探綜合平面成果圖

通過分析地質雷達剖面圖及高密度視電阻率斷面圖，結合場地工程地質勘察資料，探測結論如下；該路段路基回填土壓實度不夠，原狀土層較為疏松，中間拋石較多，孔隙較大；道路南側臨河，地下水位呈兩側高中間低的特征；路基土體富水性較強，易形成軟路基，土體粘性顆粒在水力作用下發生移動，使土體疏松程度加劇，造成路基土顆粒流失，路基上部逐漸發展為空洞，較易發生坍塌、冒落現象，導致路基承載力降低。

2.4 處理方案

因篇幅限制，為了簡明扼要闡述依托工程WSS注漿處理思路，方案介紹時進行適當簡化處理。

由于病害數量較多，較為分散，為保證路基整體穩定性，考慮該路段全局處理。根據物探及檢測報告，需要采取止水措施以防止滲流作用下繼續發生土顆粒的流失。同時，需對土體進行加固以滿足地基承載力要求。綜合前文所述WSS注漿主要優點，考慮采用WSS注漿對該地質不良區域進行處理。對地質不良中心區域采用普通注漿，正三角形布樁，設計注漿孔擴散半徑0.4 m，注漿孔間距2 m，樁長6 m（樁長由地基承載力及變形要求控制）；四周采用WSS注漿，為雙排咬合樁，設計注漿孔擴散半徑1.0 m，注漿孔間距1.6 m，平均樁長10 m（穿透淤泥質黏土層），主要作用是形成止水墻，延長滲流路徑，同時有效地減少中間區域注漿過程中的漏漿。

圖5為地基處理平面設計圖，圖6為簡化后WSS注漿平面布置示意圖。

圖5 地基處理平面設計圖

圖6 WS S注漿平面布置示意圖（單位：m）

3 質量檢驗標準

依托工程采用WSS注漿進行地基處理，主要目的在于提高地基承載力和降低土體滲透系數。因此，要求處理范圍內選取不少于3點進行復合地基靜載荷試驗，應滿足復合地基承載力≥90 kPa；同時，要求選取注漿孔總數的5%～10%進行壓水試驗，滲透系數要求≤1×10-7cm/s。

現場測試復合地基承載力可達到設計強度,經壓水試驗測得的滲透系數小于設計要求值。同時，通過隨機選定加固區域直接開挖，觀察漿液充填情況。圖7為注漿后現場之實景。利用公式（1）反算漿液填充率。反算出的漿液充填率大于85%。

圖7 注漿后現場實景（開挖后）

式中：Q為現場實際注入的總漿液量，V為加固土體體積，n為孔隙率，α為漿液填充率，β為漿液損失率。

4 關鍵參數分析

材料選擇與配比，注漿壓力，注漿孔布置及擴散半徑等均是影響地基處理效果的關鍵因素。

4.1 材料的選擇與配比

漿液中的外加劑一方面改良漿液，增強漿液的可注入性；另一方面降低漿液凝固后的收縮性,確保注漿和止水效果[4]。

溶液型漿液（AB液）加固后的土體的強度較低，但驅水效果好。結合工程經驗及現場試驗，水玻璃與磷酸體積比為30∶1（磷酸濃度為85%），效果較好。懸濁型漿液（AC液）主要起加固作用，濁型漿液（AC液）性能取決于水泥漿水灰比，水玻璃模數值，漿液養護條件。濁型漿液中，水玻璃與水泥漿體積比為1∶1，水泥漿水灰比1∶1，加固土體效果較好。水玻璃的模數值是二氧化硅與氧化鈉百分百分率之比，SiO2對土起到的膠結作用。試驗研究表明，模數值≤1時，水玻璃加固土強度很小，不適合加固土的要求，1＜模數值≤3.3時，加固土的強度隨著模數值的增大而提高，當模數值＞3.3時，加固土的強度隨著模數值的增大反而降低[5]。因此，水玻璃模數值范圍宜為1～3.3。

4.2 注漿壓力

注漿壓力是注漿施工中的重要參數，注漿壓力對施工質量，以及工程造價具有直接的影響。

劈裂注漿壓力理論公式如下：

式中：γ為土的重度；h為注漿段高度；K為主應力比；c'為有效粘聚力；φ為內摩擦角；φ'為有效內摩擦角。

實際工程中，按照公式（2）計算注漿壓力所需要的參數往往難以準確獲得，注漿壓力目前較多依靠工程經驗確定,初步設計階段注漿壓力可通過以下計算方法確定。

假設注漿孔底部埋深為H，地下水埋深為h1，孔底靜水壓力計算公式如下：

設計注漿壓力（終壓值）Pmax一般為靜水壓力的2～3倍，最大可達到3～5倍[6]，即：

4.3 擴散半徑

對于WSS擴散半徑相關規范中未給出明確的計算公式或取值范圍。擴散半徑與注漿壓力、漿液濃度、地層的滲透系數等多個參數有關。結合工程經驗，WSS漿液擴散一般取值范圍為1.0～1.2 m。

4.4 施工工序

首先設備定位，然后進行鉆孔，同步進行漿液制備。先注入溶液型漿液，達到要求注漿壓力并持續一段時間，判斷鉆桿外是否有水溢出，以確定是否可以開始注入懸濁型漿液。注入懸濁型漿液過程中觀察是否有冒漿、竄漿等異常情況，若出現異常需查明原因后重新注漿。主要施工工序見圖8所示。

圖8 WS S注漿施工工序圖

5 結語

WSS注漿具有較強的工程適用性，通過合理確定漿液材料配合比、注漿壓力及擴散半徑等關鍵參數，采用該工藝可有效填充地基內部空隙，明顯降低土體滲透系數，在地基加固和止水方面可取得較好的效果。