灌浆技术在地基加固处理中的应用

王志杰 闫继业 朱殿明

1.中冶地勘岩土工程有限责任公司;2.张家口市鸿泽排水有限公司

0 前 言

近年全国各地的建设项目规模庞大,由于地基问题,引发既有建筑物裂缝、倾斜的事故屡见不鲜.究其宏观原因,一方面是客观的自然地质条件的复杂性、多样性和局限性的影响,另一方面是设计、施工考虑不周或处理欠妥所致.目前,纳入国家地基处理规范的成熟方法有近20种,但是能有效解决既有建筑物地基问题的加固方法并不多.在对既有建筑物(构筑物)加固,危房纠偏,基坑支护,滑坡整治,隧道塌陷,大坝断层等加固处理的长期实践中,由于灌浆法具有适用范围广,设备专业化程度高,而且快速有效,造价较低的特点,灌浆法被同行们普遍看好并得到广泛应用.本文结合我公司应用灌浆法成功加固既有建筑物的人工填土地基和湿陷性黄土地基案例,进行如下总结和探讨.

1 灌浆技术加固人工填土机理探讨

灌浆技术是通过灌浆泵,灌浆管和灌浆嘴,在一定压力下将事先配置好的浆液(化学或物理)灌到所要加固的地基或预定位置,注入的浆液和土体直接发生一系列化学或物理方面的填充、胶结、固化作用,使地基土得以稳定、沉降得到有效控制.灌浆形式和浆液材料可以多种多样,应根据加固目的,被加固的地基土性等条件确定,有单管灌入也有双管灌入形式,有单液也有双液或三液以上的浆液材料.目前常采用水泥浆单液注浆法,或在水泥浆液基础上,添加如水玻璃、减水剂、早强剂等外加剂的双液注浆法.其中,水泥和水玻璃浆液性能稳定,胶结效果好,价格较低,材料容易取得,且无污染,是处理软弱地基土理想的双液型灌浆材料,因此被广泛采用.

水玻璃模数一般选择2.5～3.3之间,使用时应用水稀释至13～15 Be之间,太稀时,凝固时间长,处理过程产生的附加沉降大;太浓时,水玻璃材料消耗多,可灌性差,结石强度低.

对于由粉土、粘性土等组成的不同回填土,分层夯实质量差异明显,随机性很大,水平方向和垂直方向的物理力学性质不同,层面与层内相比,浆液更容易从层面注入.

灌浆施工时,由于灌浆管(花管)在管侧面设置多个喷浆出口,形成垂直地层的竖向压力小,土体竖向不易在压力下被劈裂;水平向的压力大,浆液在克服地层的初始压力和抗剪强度的同时,使土体首先沿水平向产生“液压开裂”,破坏土体原有结构.对于人工分薄层压实的填土地基而言,层面间更是很好的浆液通道,随着压力下的浆液(主要为水平向)对土层的连续扰动和压缩,使土体排气脱水,土粒移动,重新排列,并产生向上传递的辐射应力,正确诱导这股地应力,可使地基土局部膨胀,下沉部位回升,纠正建筑物的不均匀沉降.

2 灌浆技术在回填土地基处理中的应用实例

张家口市邮政局陵园南路住宅楼15～18单元地基加固工程

2.1 工程概况

该住宅楼东西走向,长63.20 m,宽11.90 m,为4单元住宅楼,设计地上7层,地下1层,建筑面积约6176 m2.该建筑采用砖混结构,混凝土条形基础.室内设计地面的±0.000为绝对标高804.64 m,基底为-4.75 m.于1997年竣工并交付使用.从交付使用至2004年底间该建筑使用正常,在2005年3月南北外墙及室内多处墙体突然产生裂缝,缝宽0.5～3 mm,北外纵墙下4～5轴间基础出现横向裂缝,宽度1 mm.经观测,裂缝仍呈持续发展事态.

2.2 事故原因分析

根据鉴定报告和《关于市邮政局(陵园路)住宅楼墙体裂缝的情况说明》,建议对该楼进行整体加固. 2005年8月,我分公司应张家口市邮电局的委托,对该楼进行了补充勘察.根据补勘结果并结合已有的相关资料分析,楼房墙体产生裂缝的原因归纳为以下几点:

(1)原地基碎石层层面坡度较大,呈东高西低状,特别是中西部最低,基槽开挖后将中部及西部杂填土挖除,用东部碎石回填至中西部,这样在基坑范围平面内形成人工地基和天然地基并存的现象,因人工地基与天然地基在密度方面存在差异,导致基底下主要受力层不均匀.

(2)在基槽开挖时,中部局部杂填土未能全部挖除,留有约厚0.70～0.85 m,形成局部软弱下卧层,造成地基的局部不均匀.

(3)基底下三七灰土垫层厚度不均,灰、土拌和不匀,压实系数不高,未起到调整下伏碎石层不均匀和避水的目的.

(4)在基底下5.00 m(主要受力层内)深度内,中西部分布有0.90～1.20 m厚湿陷性粉土,压缩性高,承载力远低于同标高碎石层,造成地基的不均匀.

(5)由于长期草坪大量浇灌用水和降水渗入的外部因素作用,通过基底上、墙体外未压密回填层渗入地基,这种渗水具有不定量、不定向、范围不定的无规律性,且具长期性,可导致土层含水量增高,湿陷变形,最终导致建筑物沉降开裂.

从上述五点可看出造成地基不均匀沉降、墙体开裂的主要原因,之所以交付使用9年后才发生墙体开裂,是因为9年来地基变形一直处于量变过程,未达到造成结构体破坏所需能量,突然发生墙体开裂是量变到质变的结果.

3 基础加固方案设计

根据本建筑地质情况及墙体裂缝原因,经反复论证,决定采用双液注浆法,其加固机理和技术方案如下:

针对本场地存在灰土垫层,碎石层和角砾层及湿陷性土层的情况,设计采用水泥-硅酸纳作为注浆材料,其加固机理为:在较大压力作用下,将水泥浆压入或挤入回填土的裂隙和空隙中,一方面排除土层部分空隙中的水分,另一方面将土层中大于0.20 mm以上的空隙进行有效的充填,从而达到胶结固化和充填地基土的作用;硅酸纳(水玻璃)浆液注入土层后,促使土的颗粒表面相互溶合胶结,并在土中钙、镁离子的化学反应作用下,使这种胶结得以固化,从而增强土的结构强度,降低土的压缩性,消除土的湿陷性;水泥-水玻璃浆液相互作用,大大缩短初凝时间,最大限度减小其加固施工过程中产生的附加沉降.

(1)浆液比和注浆压力.本次施工水泥采用的是张家口宣化黄羊山水泥有限公司生产的PO·32.5普通硅酸盐水泥,水泥浆液按灰水质量比1∶0.8的比例进行搅拌,浆液比重控制在1.6～1.7,搅拌均匀后,通过压力泵经导管注入孔内,注浆压力控制在0.80～1.20 MPa;水玻璃原液浓度,Be=40～42,相对体积质量1.39,依据规范及本次设计要求,将硅酸纳原液按1∶2(体积比)用水进行稀释成相对体积质量为1.14～1.15的浆液,并用专用比重计进行控制.

(2)钻孔的布置及工作量.根据浆液的有效扩散半径及建筑场地的客观施工条件,本工程在15-18单元的室内、室外均设计了钻孔,总数为484个,钻孔深度5～8 m,孔间距1.50～2.00 m,斜孔钻进角度10～15°,以保证最大程度地对基础下的地基土进行加固,总工作量为2960.4 m.

(3)施工顺序及方法.本次施工采用隔孔注浆方法,先打外排孔后打内排孔,先打室外孔后打室内孔,以控制瞬间附加沉降量.

(4)施工工艺流程.按设计点位放孔→钻机就位→成孔→下入注浆管→注浆前封孔→浆液搅拌→注浆→注浆完毕停泵→起拔注浆管→注浆后封孔.

4 施工中异常情况处理及注意事项

(1)异常情况及处理措施.当注双液浆压力突然升高时,应先分析管路是否堵塞,并停止注浆.若确定为管路堵塞,则用木棒或铁锤敲打以疏通注浆管,确实无法疏通时,则需要换管;若不是管路堵塞,则关掉水玻璃浆,往导管中注入少量清水,待泵压正常时,再进行双液注浆.施工过程中,浆液从其他孔位向外流出,这种现象叫窜浆,而且经常发生,当发生窜浆时应停止注浆,待浆液初凝后继续注浆,达到设计压力或注浆量后,停止注浆.

(2)地下管沟的保护.应事先调查清楚地下管沟位置及深度,注浆施工时首先在探明的管沟外侧灌注一道水泥土防护帷幕(或称屏蔽层),然后实施注浆.注浆过程中,一旦发现对地坪面或地下管沟产生破坏性影响时,应立即停止施工.等待数十分钟后,再次在原孔实施灌注并达到规定的压力.总之,做好环境保护,及时监测,对地面的上抬观测值宜控制在10 mm左右.

5 结 语

通过此项工程的实践,我们在以下几方面取得了成果和经验:

(1)合理的设计方案,正确的施工方法,有效地克服了压力注浆时给建筑物本身带来的新的附加沉降问题,在施工过程中和施工后,未见已有裂缝有扩大的现象.

(2)在后期施工的钻孔中,3∶7灰土垫层顶、底面处,全部发现有3-15 mm厚的水泥层,并在层间发现有2-3条细薄层状水泥脉.在场地碎石层和角砾层中,大部分钻孔发现10-100 mm直径的团状水泥胶结体和少量的细薄层水泥脉.在黄土状粉土的中下部,可见水泥脉完全充填在原垂直裂隙中.

(3)施工结束28天后,通过3个验证孔的标准贯入试验及圆锥动力触探试验,地基土密实度明显得到提高,达到加固预期效果.

(4)该地基加固竣工使用已两年多,经沉降观测,地基变形稳定,未发生新的沉降,证明该方法的应用是成功的,值得推广.

[1]曾国熙主编.地基处理手册.北京:中国建筑工业出版社,1998

[2]建筑地基处理技术规范.JGJ79-2002

[3]闫明礼主编.地基处理手册.北京:中国建筑工业出版社,1998

[4]陈希哲主编.土力学地基基础.北京:清华大学出版社,2004