建筑物基础抗冲刷压浆试验研究

朱宗仕

（甘肃省武威市凉州水利电力工程局 733000）

1 试验目的与意义

水工建筑物和公路桥梁工程，建于冲积层河床之上的比较多。怎样增强冲积层地基承载力，缩短施工工期，改善施工条件，节约资金，是施工建设方经常遇到的一个问题，也是设计单位多年来研究解决的一个课题。基础压浆是可行的方法之一。以往的压浆，主要在岩石基础上进行，其目的：一是改善地基的力学性质，使地基均质化；二是降低地基渗透性能，以形成有效的防渗帷幕。本次压浆试验，是在上述目的基础上，进一步分析研究冲积层地基的可灌性，验证压浆后加固体的抗冲刷能力，获取适于该基础的压浆施工参数，从而有效地防止基础受到地下径流破坏后引起的不均匀沉陷，为类似工程设计与施工提供经济可行的依据。

峡口大桥，位于甘肃省与青海省交界的大通河上，其主体为两孔40m预应力钢筋混凝土简支粱式公路桥。桥址处河床纵坡5%，设计洪水流量1700m3/s，设计流速5.9m3/s，设计水深4.5m。河床由漂石、卵石、砾砂层组成，透水性较大，覆盖层厚度25m以上，容许承载力260kPa，颗粒成分为片麻岩、花岗岩、石英岩等。

2 压浆设备及试验孔布设

2.1 压浆设备

主要有300型地质油压钻2台，250/B50三缸往复单作用泥浆泵2台，双轴立式400L砂浆搅拌机1台，双层旋式200L水泥浆拌和桶2付，移动式空压机1台。另备配套钻杆、钻头、油压表、胶管若干件。

2.2 试验孔布设

本次压浆，根据其实验目的，结合峡口大桥压浆试验与基础施工必须在枯水期进行的实际情况。于当年11月，在河床中心修筑草袋围堰，将中间一个桥墩四周圈围。试验前参考以往在砂卵石地层防渗帷幕压浆方面的经验，经分析，确定沿开挖区周边布设实验孔4组。一方面将实验孔作为环形垂直防渗帷幕孔利用，另一方面在开挖桥墩基础时，便于现场取样，验证压浆成果，获取冲积层抗冲刷能力的第一手资料。

试验孔的布设如下图所示。共设单排试验孔13个（其余为帷幕孔）。孔距分别取 1.5m、1.75m、2m、2.5m四种，各孔距中墩开挖边线均为2m，孔分两序，白圈为I序孔，实心黑点为Ⅱ序孔。压浆时先钻灌I序孔，后钻灌Ⅱ序孔，最后钻取4个检查孔（A、B、C、D四点＋号位置）进行压水试验，试验样品也从检查孔的位置掏取。根据地质报告，河床6m以下渗流量锐减，故孔深设计为6m，试验样品在河床地面以下4m处掏取。

3 灌浆材料及浆液配合比

3.1 河床地层特点

试验选定的河床地层具有如下特点：

a.漂卵石层孔隙大，可灌性好，粘度大的浆液可以压入。

b.在动水作用下灌浆，为减少流失量，浆液须有速凝性质。

c.山区河流，地下水流速大，对河床冲刷力也较大，浆液凝固后须有足够的强度。

试验孔布设图（单位：m）

d.吃浆量大，要求压浆材料必须价廉易得。

根据这些特性，选择适宜于本次试验的四种浆液配方，见下表。经技术、经济方面综合比较，现场反复实验分析确定：当地层紧密时，用水泥浆掺早强剂作为压浆材料；当孔隙大，地基可灌性好时，用水泥砂浆掺早强剂，再加少量氯化钙速凝剂作压浆材料，压浆用砂为大通河细砂，细度模数在1.7～2.1之间。水泥为窑街矿务局水泥厂425号普通水泥，早强剂选用青海Ⅱ型。

浆液性能必须适应地基的具体特性，并随地层的变化和吃浆量及时调整。确定配比前，首先对河床地层取样进行了颗粒分析和孔隙直径测定，根据地基土颗粒级配和渗透系数，确定出各种浆液的使用范围。经分析比较，本次试验得出水泥浆的最佳水灰比为 l～0.8，配合比3∶100（即外加剂为水泥重量的3%）；水泥砂浆的最佳配合比为水泥∶水∶砂=l∶0.8∶l，青海 Ⅱ 型早强剂为水泥重量的3%，氯化钙速凝剂为水泥重量的1%。当然，这只是压浆正常情况下的主要配比，一般压浆浆液浓度变换遵循由稀到稠的规律，当吃浆量大幅度降低时再变稀。本次试验中，当吃浆量很小时，亦用水灰比2∶1的纯水泥浆灌注。

4 压浆工艺流程

采用自上而下、分段钻孔、分段压浆的办法交替进行，每段长度1.5～2m，并逐次降低浆液粘性；当大孔隙被充填后，用可灌性较好的浆液冲填小孔隙。其主要工序如下。

4.1 钻孔

用300型油压钻、75～108mm岩芯管安装合金钻头钻进，用水作循环液。地层太松散时，用泥浆加纯碱固壁。遇大漂石则用钢砂钢粒钻进。

4.2 灌浆压力

参照以往水库大坝河床砂砾石层压浆的取值标准，经现场试压后略作调整，其计算公式为

压浆浆液配比表

式中I——覆盖层灌浆压力，本试验等于零；

m——河床以下每增加lm深度所允许增加的压力值，本试验取5kPa；

Z——地下任意一点到河床表面的厚度；

P——地下任意一点所需要的灌浆压力。

4.3 压浆过程

施工顺序为：钻孔→清洗→压浆。孔隙泥土冲洗与不冲洗，直接影响压浆质量的好坏。本次试验进一步观察到，冲洗泥土的效果与水量及冲洗时间有很大关系。如果水量太小，时间又短，钻孔四周没有堵塞的孔内仅能在短时间内上冒泥水，效果就不太好。冲洗的水量应以满足相邻孔内不间断地冒出泥水为宜，冲洗的时间视冒出泥水的浑浊情况而定，一般冲洗lh上，以回水澄清、耗水量稳定为宜。冲洗压力为灌浆压力的70%，压浆前需进行压水试验，以确定地层单位吸水量。压水试验选用压力一般为200～300kPa，松散地层略减。加水计量用两个水表：一个在进口，计总进水量；另一个在回水口，计地层出水量。两数之差即是地层吸水量。通过试验所求得的单位吸水量在0.06～0.2L/（min.mm）之间。

本工程采用单栓塞循环法压浆。在制浆棚内制浆，按最佳水灰比在水泥浆搅拌筒上层以旋转方式加水，由料台导管中加灰，搅拌5～15min放至下层，由灌浆泵通过压浆管路压入各浆孔。

当第一段钻孔清洗完毕后，应先进行“内封顶式”的压浆，使表层漂卵石形成一层比较平整密实的硬壳，以增加上部覆盖重，防止浆液冒出地面。表层压浆厚度l～1.5m，灌浆压力150kPa左右。其压力控制以不大量串冒浆为宜。每孔在最后一段压浆完毕后，将压浆栓塞提到套管下口以上1.5m。用水灰比0.8的砂浆进行填压式灌注，使浆液慢慢沉淀、压实，拔出套管后，立即用砂浆将空隙部分填实。

4.4 灌浆记录

记载各孔各段孔径、压浆时间、吸浆量、水灰比、浆液配比及浓度变化、工作压力、单位吸水量及串冒浆情况，以及地层岩芯取样、压浆完成后的压水试验等情况，并整理成表，作为试验成果。其资料整理按规范要求进行。

5 试验成果分析

5.1 试验成果

压浆完毕3星期后，对中墩开挖区开始垂直掏槽开挖，并在上图中A、B、C、D四处掏取试块，对试块及加固体全面检测研究。结果如下：

a.漂卵石地层经压浆后，已固结成一道环形防渗帷幕体。渗透系数从灌浆前的 6×10m/s降低到 3×10-4～4×10-5m/s之间；

b.各孔浆液有效扩散半径为1.75～2.0m，扩散的形状近似圆形，灌注质量良好，容重可达2.3t/m3。

c.A、B、C、D四处掏取的样品，经过30天 龄期，进行了无侧限抗压强度测定。其结果为：孔距1.5m的A点，PA=6230kPa；孔距1.75m的B点，PB=5520kPa；孔距2.0m处的C点，Pc=3900 kPa；孔距 2.5m处的D点，PD=2820kPa。从强度试验和掏挖观测还发现，浆液在底层中虽然均匀分散，但仍不是均质的。即在灌注孔附近的加固体强度要大些，距灌注孔远的部位强度要低一些，孔隙大、含泥量小的部位强度较高。经初步分析研究，以1.75m为最佳孔距，其抗压强度为压浆前的2.2倍。

d.抗冲刷能力试验。用泥浆泵压清水造成高速水流对孔距1.75m的B点进行冲刷，泵的压力为800kPa，泵量：166s压 入l00L清水，冲洗管直径6mm，水流流速21.5m/s，冲洗管正对加固体约0.5m，经 5～10min冲刷后，加固体未出现明显破坏，由此可以认为加固体质量能满足防止水流冲刷的要求。

5.2 经济效益比较

以孔距1.75m的一组4个试验孔为研究对象。根据压浆记录计算出：加固lm3地层需灌注160L左右浆液，造价106元（包括钻孔），约为同体积混凝土造价的1/3，以此结果应用于本桥右岸桥台基础进行压浆前后的经济效益比较。压浆前，右岸桥台基础设计埋深10m，台基座混凝土长9m，宽6.5 m；台两侧挡墙基础深4.5m，长为20m，宽为2.5m。压浆后，台深可减少3m，长为8m，宽为6m；台两侧挡墙基础深减至2m，共减少150号混凝土410m3，节省资金13.2万元。漂卵石开挖由扩大开挖变为直立开挖，减少开挖量900m3，节省造价4.6万元。且由于渗流量减少，节省坑壁支护材料及排水机械台班费6.5万元；采用压浆方案所增加的费用为压浆加固体880m3，造价9.3万元。压浆后共节省资金 18万元，占该桥台基础总造价的28%；而且降低了基础开挖时存在的排水及支护困难，减少了工程量，提高了施工效率，缩短了工期，施工安全可靠。

6 结语

本次试验研究表明：河床冲积层压浆可以用来解决一些复杂的地基难题，可以有效防止地下径流引起的抗冲刷破坏，它在技术和经济两个方面均优越于其它施工方案。对于渗透性较大的河床砂卵石、漂卵石等冲积层，用压浆法进行加固，并能满足抗冲刷要求。