湿陷性黄土场地挤密桩和注浆综合加固法的应用研究

陶晓军

（兰州生物制品研究所有限责任公司，甘肃 兰州 730046）

1 前言

我国建筑能耗占总能耗1/3，为进一步降低能耗、节能减排，我国建筑业已从“大拆大建”转向“绿色建造”辅以既有建筑综合性能提升改造阶段。截止2015年，我国既有建筑面积近600亿m2，大部分既有建筑都存在能耗高、使用功能不完善等问题，部分建筑存在严重的安全隐患甚至病害，亟需加固维修。我国西部广大的湿陷性黄土场地，由于经济发展水平较低，还有大量的上世纪建设的既有建筑在继续使用。由于建设标准低，很多既有建筑采用浅基础，地基土剩余湿陷量远大于现行规范要求，一旦使用维护不到位地基土浸水，就会出现严重的病害，危及建筑安全。地基处理作为一门实用性很强的学科，它的理论与实践正处于不断发展和完善之中，并日益受到了工程界及学术界的重视[1-3]。灰土挤密桩作为一种湿陷性黄土地基处理方法，是西北地区最早推广应用的一种以土治土的方法[4]。水泥浆液注浆对湿陷性黄土地区地基的加固以及建筑物纠偏加固中能起到快捷有效的作用，其常见注浆加固方式有填充注浆、渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆[5]。对地基的加固处理，要综合分析场地情况、施工条件、成本等，针对不同的现场实际情况，采用不同的加固方法[6-7]。

图1 地基加固示意图

2 工程概况

某生产大楼建于上世纪五十年代，因造型独特、历史文化积淀浓厚具有较高的保留价值。该楼共分为三部分，前部中间为五层框架结构、前部两翼为四层框架结构，基础采用钢筋混凝土独立基础，基础下为150mm厚卵石三合土（1：3：6）垫层；中部及后部均为二层混合结构，墙下基础为条形基础，条形基础下为300mm厚三七灰土垫层，柱下为钢筋混凝土独立基础，基底标高-6.0m。

该楼建造时间长，基础采用浅基础，基础持力层为灰土卵石三合土，其下为湿陷性黄土，地基水稳性差。在长期使用过程中，该楼地基土长期浸水，室内局部曾采用化学注浆法进行加固，但本次加固时探井开剖表明，局部地基土浸水严重，地坪空鼓、开裂、地梁及墙体出现贯穿裂缝，室内地面下回填土塌陷严重，卫生间、走廊及局部开间地面与回填土脱空（最严重处达800mm以上）。

根据探井开挖断面分析，在探井深度内，该场地主要由粉质粘土组成，局部夹粉砂，探井在6.5～6.7m处均有水渗出。根据该生产大楼场地工程地质探查，该场地地基土由于长期浸水，湿陷变形已趋稳定。该场地目前为Ⅰ级非自重湿陷性场地且总沉降量较大，沉降差较小，基础底面下3～5m地基土仍具有湿陷性，地基土含水量大，反映出湿陷性下降，压缩性上升。该场地地基土压缩及湿陷变形下限深度在5m左右，是本次加固处理的主要土层。

3 地基加固设计施工

针对该项目场地地质现场实际，经技术经济对比采用基础外则水泥石灰挤密桩和基础内侧注浆法相结合的地基加固方法。挤密桩及注浆孔布置见图1。

3.1 水泥石灰挤密桩

水泥石灰挤密桩桩径均为0.2m，处理深度为6.0 m，均采用正三角形布桩，桩间距为0.6m，填料采用水泥：消石灰：土=1：3：6，即水泥、消石灰与土的体积配合比为1：3：6。水泥石灰挤密桩加固处理的主要地层为基础下湿陷性土层，成孔深度6.0m。加固目的是防止加固部位土体发生横向变形，起帷幕作用，又可防止室外水渗入。挤密桩采用先外后内、间隔跳跃方式施工。

该工程水泥石灰挤密桩成孔510个，共计3060m。

地基加固区施工采用改装的XY-100型钻机、XY-200型钻机冲击成孔，夯锤由铸钢制成，锤重500kg，锤尖做成400锥角，落距2.5m左右。成孔后每填入200mm填合料用夯锤夯实，每次回填料夯击4～6次，每孔填至距孔口0.3m，以上部分用灰土封口。

3.2 注浆法

注浆采用水泥和水玻璃双液型混合浆液。水泥采用普通硅酸盐水泥（R32.5级），水泥浆水灰比为1：1；水玻璃模数为3.0，掺量为水泥用量的1%，并掺入膨润土防止浆液离析沉淀，掺量为水泥用量的3%。注浆加固孔处理深度室外为6m，室内为7.0m，注浆孔间距1.0m，该工程注浆，属渗透注浆，主要灌注地层为填土，其注浆压力0.5～0.7MPa。

该生产大楼工程前部西翼4～7轴线和生产楼前部东翼18～24轴线基础内侧注浆成孔390个，共计2588m；对中部及后部中间通道部分及前部生产楼台阶4根门柱也采用注浆法加固，成孔273个，共计1788m。

4 地基加固效果检测分析

4.1 检测内容

1）水泥石灰挤密桩

做标贯试验，开剖探井取桩身试样及桩间土样，进行土工试验，对桩身压实系数、桩间土挤密系数、桩间土的湿陷性进行评价。

2）注浆法

做标贯试验，开剖探井实地查看注浆效果。

3）散水

取垫层土样，进行土工试验，对垫层压实系数进行评价。

4）沉降观测

在加固施工全过程中及加固施工后进行沉降观测，结合水泥石灰挤密桩、注浆法检测结果对该工程地基加固整体效果进行评价。

4.2 检测结果

4.2.1 水泥石灰挤密桩

4.2.1.1 桩间土标贯试验

对桩间土进行了标准贯入试验，随机设2个试验点，标贯试验点编号分别为BT1、BT3，分别对加固施工前后的桩间土层进行标准贯入试验，自地面1.0m以下每米做试验一次，地基土标准贯入（N）试验成果见表1。

表1 加固施工前、后地基土标准贯入（N）试验成果统计

该项目地基土层加固施工前后标准贯入试验结果表明：加固施工前，该场地地基土层较松散，且局部含水量高，标贯锤击数一般不大于6击/30cm，加固施工后，该场地地基土层标贯锤击数一般大于12击/30cm，说明该场地地基承载力和压缩模量得到了显著提高，达到了加固目的。

4.2.1.2 土工试验

1）水泥石灰挤密桩灰土拌合较均匀，掺入一定比例的水硬性材料（水泥）后，灰土挤密桩桩身强度较高。

2）击实试验结果：灰土最大干密度为1.53g/cm3，最优含水率为22.5%；素土最大干密度为1.72g/cm3，最优含水率为15.5%。

3）挤密（压实）系数

干密度试验及击实试验结果表明，该场地在处理深度范围内，桩体的压实系数为0.96～0.99，平均压实系数为0.98；三桩间土的挤密系数为0.96～0.98，平均挤密系数为0.97，均满足设计及规范要求。试验结果见表2、表3。

表2 桩体压实系数试验结果表

表3 三桩间土挤密系数试验结果表

4）湿陷性

土工试验结果表明，该场地处理后的桩间土在200kPa压力下的湿陷系数（δs）均小于0.015；饱和自重压力下自重湿陷系数（δzs）也均小于0.015。说明在处理深度范围内，地基土的湿陷性已消除。

4.2.1.3 桩长、桩径

对水泥石灰挤密桩桩长、桩径等进行了检测复核，检测结果表明，抽检的水泥石灰挤密桩桩长均大于6.0m，桩径均大于0.2m，满足设计要求。

4.2.2 注浆孔

4.2.2.1 桩间土标贯试验

对桩间土进行标准贯入试验，随机设2个试验点，标贯试验点编号分别为BT2、BT4，分别对加固施工前后的桩间土层进行标准贯入试验，自地面1.0m以下每米做试验一次，地基土标准贯入（N）试验成果见表4。

表4 加固施工前、后地基土标准贯入(N)试验成果统计表

该项目地基土层加固施工前后标准贯入试验结果表明：加固施工前，该场地地基土层较松散，且局部含水量高，标贯锤击数不大于6击/30cm，加固施工后，该场地地基土层标贯锤击数大于13击/30cm，场地地基承载力和压缩模量均得到提高，达到了加固的目的。

4.2.2.2 注浆孔影响半径

根据检测、试验及开剖检查，该加固工程注浆孔影响半径为0.3～0.5m，局部严重疏松地层注浆孔影响半径可达1.2m。

4.2.2.3 根据检测、试验及开剖检查，检测结果表明：

1）在注浆过程中，浆液在设计压力下劈裂土层，形成了压力通道，多从注浆孔周边劈裂开的地面冒浆。

2）注浆孔多呈层状、柱状及片脉状，将塌陷、脱空严重的回填土充分填充，地基土固化效果明显。

3）室内地面下回填土塌陷严重，卫生间、走廊及局部开间地面与回填土脱空（严重处达0.8m以上），回填土疏松、欠压实，卫生间、走廊东部回填土夹层陷空现象严重，注浆量很大。

4.2.3 散水

干密度试验及击实试验结果表明，散水下灰土垫层的压实系数为0.94～0.96，平均压实系数为0.95，满足设计及规范要求。

4.2.4 沉降观测

地基加固施工期间，共计对加固区域进行了8次沉降观测，加固区域（1～29号点）累计沉降+2.0～-10.0mm，最大沉降量10.0mm（卫生间外墙处）。在注浆加固施工前期（尤其是卫生间内外注浆孔注浆）沉降量较大，经综合分析，这是因为加固区域地基土塌陷、脱空严重且浆液凝固前地基土发生附加下沉所致。分析加固施工期间8次沉降观测值及总沉降观测值，综合地基加固情况，从9月6日开始注浆，考虑到水泥浆的凝固等情况，注浆效果自9月14日沉降观测时开始逐渐发挥，至地基加固完成后沉降趋于稳定（注浆前8月20日～9月14日加固区域累计沉降0～-12.0mm，注浆后9月14日～10月11日加固区域累计沉降+3.0～-4.0mm，加固区域沉降收敛趋势明显），说明加固效果显著。

图2 沉降观测点布置

5 结论

某生产大楼地基加固工程，共分为二灰（水泥石灰）挤密桩、注浆、拆除及恢复散水三个分部分项工程，通过对加固后地基进行检测，得到以下结论：

1）采用水泥石灰挤密桩加固施工前后标准贯入试验结果表明：加固施工前，该场地地基土层较松散，且局部含水量高，标贯锤击数不大于6击/30cm，加固施工后，该场地地基土层标贯锤击数大于12击/30cm。在处理深度范围内，桩体的压实系数为0.96～0.99，平均压实系数为0.98；三桩间土的挤密系数为0.96～0.98，平均挤密系数为0.97；均满足设计及规范要求，该法对地基土湿陷性的消除有显著的作用。

2）采用注浆法加固施工后该场地地基土层标贯锤击数大于13击/30cm，说明注浆后场地地基承载力和压缩模量得到了提高。

3）注浆前加固区域累计沉降0～-12.0mm，注浆后加固区域累计沉降+3.0～-4.0mm，加固区域沉降收敛趋势明显，证明采用该法加固地基取得了明显的技术和经济效果。