注浆加固处理软土地基的试验研究

张长生，陶连金，强小俊，胡荣华，3

(1.北京工业大学，北京 100022;2.中国铁道科学研究院 深圳研究设计院，广东 深圳 518034;3.郑州航空工业管理学院 土木建筑工程学院，河南 郑州 450015)

深港西部通道侧接线与后海滨路交汇处，规划的深圳地铁二号线自侧接线下方通过［1］。按地铁公司的要求，必须对地铁隧道穿越地层进行注浆加固，否则，地铁隧道的开挖施工将会扰动软弱地层，影响到西部通道侧接线的安全［2］。西部通道侧接线沿线地质条件复杂，设计还考虑在沿线厚度较小的淤泥质亚黏土层及地基形式不同区域的过渡段，采用注浆工法处理［2-3］。由于针对处理加固的软弱地层的对象不同，注浆工法和施工参数不同，设计方案确定之前，有必要进行测接线工程现场原位注浆试验，验证注浆处理方法的工程有效性，探索总结施工工艺和合理的施工参数。

1 工程概况

1.1 场地现状

根据地质钻探揭露，试验场地地质条件如下［4］:

1)人工填土层。层厚约5.0 m，新近填土，成份较杂，不作为本次注浆加固的对象。

2)淤泥层。层厚约4.0 m，饱和流塑状态，属于高压缩性、低强度的超软弱土，在侧接线工程中主要考虑换填，但对该土层的注浆加固效果的试验也会有利于多方案的比选，所以也作为本次注浆加固处理的对象之一。

3)砾砂层(冲洪积成因)。层厚约2.8 m，松散～中密状态，不均匀含有有机质，也作为注浆加固的对象。

4)淤泥质亚黏土层(泥沼相成因)。层厚约4.5 m，饱和，可塑～软塑状态，含有炭化木，有机质含量较高(约8%)，该土层为本次重点加固的软弱地层。

5)淤泥混砾砂层(含有机质)。层厚约2.0 m，松散～中密状态，亦为本次试验重点加固的对象之一。

1.2 场地处理要求

该处试验位置邻近后海滨路和侧接线交接处，同时有淤泥、淤泥质土、含淤泥混砾砂等软弱地层。

根据设计提供的现场试验技术要求，现场注浆试验的具体要求可以归纳如下:

1)确定合理的注浆工法，包括注浆配方、工艺和注浆参数。

2)通过现场原位试验验证注浆处理的工程效果。

3)验证注浆是否受淤泥质黏土中有机质含量的影响。

2 注浆工法的选择

根据拟加固软弱地层的工程性质，结合设计的要求，推荐采用分层袖阀式劈裂注浆工法加固淤泥、淤泥质亚黏土层和淤泥质砂砾层。

分层袖阀式劈裂注浆工法为国家级工法，适用于各类砂土、淤泥质黏土和一般填土层［5］。经注浆处理后的地层配合盾构和顶管推进，可以有效控制地面沉降，该工法也可以充填注浆和用于建筑物的基础加固。

袖阀式劈裂注浆法是在地面上开孔放置袖阀管，利用袖阀管多次注浆工艺，使水泥浆在淤泥、淤泥质土层中劈裂、挤压和渗透形成柱状、片状和树根状的水泥注浆固结体，同时在注浆过程中软弱地层受到水泥浆液的压密并产生一定水化反应，土质得到改善。水泥注浆固结体与原状土体混在一起形成复合地基，从而改善了土层的强度和压缩性，达到加固和改良软弱土层的目的。

该工法对于深港西部通道侧接线的地基加固工程而言有以下特点:

1)可以适用于不同的拟加固地层，如淤泥质亚黏土层、含有机质砾砂层、淤泥层等。

2)施工机具小，可以用于狭窄的场地。

3)分层注浆可以实现不同层位的注浆，按土层的不同和加固要求的不同区别对待，而且可以实现多次注浆。

3 注浆试验

3.1 注浆加固技术要求

根据设计的要求，拟定注浆加固的技术要求如下:

1)淤泥层注浆28 d之后，平均标贯击数 ＞3击，静力触探端阻力增大50%以上，换算承载力标准值＞150 kPa。

2)淤泥质亚黏土注浆28 d之后，平均标贯击数＞5击，静力触探端阻力增大50%以上，换算承载力标准值 ＞150 kPa。

3)淤泥混砾砂层注浆28 d之后，平均标贯击数＞10击，换算承载力标准值＞200 kPa。

3.2 试验注浆布孔设计

1)注浆孔正方形布置，间距1.5 m×1.5 m;

2)注浆孔深度初步定为 19.0 m，高程 3.0～-16.0 m;

3)有效注浆长度15.0 m，高程-1.0～-16.0 m;4)共布置注浆孔12个。

3.3 注浆工艺与参数

根据试验场地的地质条件以及设计要求，初步确定注浆工艺与参数如下:

1)注浆钻孔直径110 mm，垂直度偏差＜1%。

2)注浆管采用硬质塑料管，管外径50 mm，承压＞3.0 MPa。

3)注浆管上出浆孔间距330 mm，孔径5 mm，袖阀为胶套管，覆盖出浆口。

4)按每米注浆加固长度控制注浆量，12个试验注浆孔分为两组，每组6孔，第一组，注浆量按水泥用量150 kg/m控制;第二组，水泥用量200 kg/m。

5)注浆分次进行，第一组，注浆3次，第二组注浆4次，每次间隔时间≥24 h。

6)注浆水泥用42.5R普通硅酸盐水泥。

7)注浆水灰比应按注浆的次序有所调整，依次增大水灰比，控制范围为1.00～0.45。

8)为增加可灌性和加快试验进度，在注浆中可加入水泥用量0.3%的FDN-5复合型外加剂。

3.4 注浆工艺流程

根据现场试验场地的情况，注浆初步按以下工艺流程实施:

1)根据要求钻孔到位，必要的情况采用套管跟进钻进。

2)通过钻杆向钻孔内注入封壳料。

3)插入塑料袖阀管。

4)封壳料凝固之后，自下而上分段注浆，注浆采用双向密封注浆芯管，分段长度与袖阀管间距相适应。

5)分段注浆完成之后，用清水清洗注浆管，以备下次注浆使用。

6)重复注浆，达到设计注浆水泥用量。

3.5 试验注浆工期

试验注浆于2004年4月10日进场，4月18日注浆工作结束，5月12日完成各种规定的测试工作后撤场，共历时24 d。

注浆施工和原位测试检验的时间分别为:

场地准备及静力触探和标贯试验:2004年4月11日。

注浆孔开钻时间:2004年4月11日—4月12日。

注浆时间:2004年4月12日—4月19日。

静力触探和标贯检测试验:2004年5月11日—5月12日。

4 注浆工艺与参数的确定

4.1 注浆工艺流程

根据试验确定的实际注浆施工工艺流程为:

放点→钻孔→清孔→下封壳料→下袖阀管→拔套管→补足封壳料→24 h后开始第一遍注浆→第二遍注浆→…→第四遍注浆。

4.2 实际注浆参数

根据试验确定的合理的注浆参数如下:

1)封壳料配方

水泥和膨润土比1∶1，水灰比0.6。

2)水泥

水泥品种宜采用42.5R普通硅酸盐水泥。

3)注浆施工参数

①注浆次数，根据本场地地质条件，注浆次数为4次;②注浆液水灰比，通过试验确定第一次与第二次的注浆水灰比为1∶1，第三次与第四次的注浆水灰比为0.75∶1;③ 注浆压力，第一次为0.1 MPa。

根据试验确定的不同注浆次序、注浆液配方及注浆压力，如表1所示。

表1 注浆水灰比及注浆压力

5 试验注浆的检测结果与分析

试验段完成注浆28 d之后，进行现场钻孔取样、静力触探和标贯等原位试验。共进行了4孔58组标贯试验，4孔静力触探试验，2个取样孔。标贯试验结果见表2。有关取样观察和标贯试验、静力触探试验的结果分析如下。

5.1 取样观察和土工试验

在注浆加固土层所取出的试样有明显的脉状、片状水泥浆固结体，但该种固结体分布不均匀。由于注浆之后所取出的土样具不均匀性，试验室关于土样的含水量试验指标、强度指标等不具代表性，不具备统计规律。

5.2 标贯试验

要求的标贯试验频率为在注浆加固的地层1次/m。

从试验结果可以看出，注浆处理28 d之后，淤泥、淤泥质亚黏土和淤泥混砾砂等地层的标贯原位测试指标有较大幅度的增加，其中淤泥质亚黏土和淤泥混砾砂层标贯击数增大显著。砾砂层注浆前后标贯击数变化不显著。

比照有关规范，对应黏性土、砂土的指标，可以对注浆前后不同土层的地基承载力作大致的对比。比较结果如表3所示。

5.3 静力触探试验

静力触探试验在注浆之前做了2孔，注浆之后做了4孔，其中试验前后各有一个触探孔遇到障碍未能取得有效数值。静力触探试验和数据的处理参照了相关行业标准。静力触探的布点参见平面图(略)。注浆加固前后不同土层的静力触探端阻力的平均值统计于表4。

静力触探试验的结果表明，注浆处理前后地基的静力触探平均端阻力有明显的提高，但是静力触探反映的阻力曲线具有不规则性。在实际可操作性方面不如标准贯入试验。

表2 标贯试验结果

表3 不同地层加固前后的承载力标准值fk对比

表4 静力触探试验平均端阻力值 MPa

根据上述试验结果可以看出，经过注浆处理之后，各土层的原位测试指标均有所提高，其中标贯试验的击数增大明显，而且现场试验具有较好的可操作性。标贯试验可以作为注浆加固工程效果的质量检验方法。比照有关规范，对应黏性土、砂土的指标，可以对注浆前后不同土层的地基承载力作大致的对比。比较结果如表5所示。

压缩模量，建议按经验公式计算

由于经过注浆处理之后地层有脉状、片状的水泥注浆固结体，标贯试验纪录的标贯击数有较大的离散性。根据本次试验的结果，评价注浆加固的工程效果宜采用平均值和最小值结合考虑的评价方法。具体注浆质量检测标准建议如表6所示。

表5 不同地层加固前后的承载力fk对比

表6 注浆加固质量检验指标推荐值 击

6 注浆加固的质量检测方法和指标

由于经过注浆处理之后地层中有脉状、片状的水泥注浆固结体，钻孔取样之后土样具有不均匀性，所以用钻探取样并进行室内化验的方法评价并检验注浆加固效果的方法不合理［6-7］。静力触探试验对于软土且较均匀的地层，具有检测灵敏度较高，数据连续等特点，但是本试验段静力触探的试验结果表明，同样由于注浆固结体在土层中以脉状和片状不均匀分布，静力触探的阻力曲线波动显著，较难用于综合分析软弱地层加固后的性质。相对而言，对于不同地层，加固前后标贯试验纪录的标贯击数的平均数值较为稳定，能够对比软弱地层加固前后的工程性质。所以建议在工程实际中采用试验前后标贯试验测定的标贯击数评价注浆加固的工程效果以及施工质量。

根据本次试验的结果，评价注浆加固的工程效果宜采用平均值和最小值结合考虑的评价方法。

7 结论

总结试验段注浆施工和检测试验结果，认为注浆试验段达到了设计目的，主要结论有:

1)采用劈裂注浆法可以有效加固深港西部通道侧接线拟建场地的淤泥层、淤泥质亚黏土层和淤泥质砾砂层，未见淤泥质亚黏土层的有机质含量对注浆效果有不利的影响。

2)可以根据原位测试的结果，通过有关规范和手册对照类似土质，取用注浆加固后地层的地基承载力标准值指标，以及压缩模量计算经验公式。

3)经过试验对比，不同的水泥用量，加固的效果略有差别，但原位测试的结果表明差别不是很大，对于本工程推荐采用150 kg/m注浆水泥用量，即可满足设计要求。

4)劈裂注浆应分层、分次进行，根据试验结果，分三次注浆比较合适，每次注浆间隔时间不小于24 h。

5)建议注浆施工采用以下参数(见表7)。

表7 建议的注浆施工参数

6)建议采用钻机取样及标贯试验的方法，检验注浆加固工程效果和施工质量。在标准贯入试验钻机钻孔的过程中取土样观察检验注浆加固后土层中的浆液分布情况和固结体的外观强度等。量化质量检验方法主要采用标准贯入法，质量检测指标见表5。

7)注浆施工过程中的施工质量检验方法还应包括水泥检验、水泥浆液配方检验和水泥浆试块的抗压试验等。

8)要求施工中记录注浆施工的主要工艺参数和施工时间等重要数据。

9)本文采取的试验方法正确合理，所得结论对深圳地区类似工程的设计施工有借鉴意义。

［1］刘国楠.深港西部通道深圳侧接线工程—深基坑的设计、施工技术和安全性评价研究［R］.深圳:中国铁道科学研究院深圳研究设计院，2008.

［2］中交规划公路规划设计院，深圳市城市规划设计研究院.深港西部通道可行性研究报告［R］.深圳:深圳市深港西部通道工程建设办公室，2001.

［3］香港路政署.深圳西部通道勘察及策划［R］.香港:香港路政署，2002.

［4］深圳市勘察研究院有限公司.深圳西部通道岩土工程详细勘察报告［R］.深圳:深圳市勘察研究院有限公司，2005.

［5］蔡希杰，李世忠.袖阀式劈裂注浆在深港西部通道工程中的应用［J］.建筑技术与应用，2007(5):33-34.

［6］郑伟锋，王明羿，郑先昌，等.静力触探在南广高速铁道工程地质勘察中的应用［J］.铁道建筑，2009(4):82-84.

［7］童建军，张强锋.原位测试技术在地基处理效果检测中的应用［J］.铁道建筑，2006(4):46-48.