土岩组合地基注浆加固方案研究

黄楚彬 张后登 胡可宁 姜开渝

(1. 中建三局投资发展公司 武汉 430000；2. 中交第二航务工程局有限公司 武汉 430000；3. 宜昌市建筑市场和质量安全监督站 443000；4.东南大学土木工程学院 南京 210096)

引言

土岩组合地基是指在地基主要受力层范围内下卧基岩表面坡度较大或者石芽密布并有出露或者大块孤石(个别石芽)出露的地基[1]。浅埋式锚碇基础持力层通常为土岩组合地基，相对于整体沉降，锚碇基础对差异沉降更为敏感，选取合理的注浆加固方案是减小锚碇基础不均匀沉降，保证悬索桥安全稳定的关键环节。

在砂卵(砾)石地层中注浆，往往要求注入的浆液能形成连续、稳定的胶结体，浆液的扩散半径和结石体强度确定仍以经验为主，是一个尚未解决的技术难题。试验方面，杨坪[2]通过注浆模拟试验，得出浆液的扩散距离、结石体抗压强度与其影响因素之间的关系。阮文军[3]利用平板裂隙注浆装置进行试验，基于试验结果，建立了稳定性浆液注浆扩散模型。李鹏[4]设计了劈裂注浆模型试验装置，模拟断层破碎带劈裂注浆过程，通过布设监测元件记录，分析注浆过程关键参数的变化规律。理论分析方面，张庆松[5]推导了劈裂通道内牛顿流体浆液的扩散运动方程，最终得到劈裂通道宽度及浆液压力的空间分布方程。李超[6]假设浆液为牛顿流体，推导了浆液劈裂岩石产生单条裂缝时，浆液最大扩散长度随注浆压力变化的计算公式。数值分析方面，卢伟[7]基于FLAC3D实现了考虑浆液和砂卵石土参数动态变化的渗流场与应力场耦合下注浆扩散过程模拟，研究了浆液在砂卵石土中柱面渗透扩散机制。

本文以宜昌市伍家岗长江大桥江南侧浅埋式重力锚碇基础为背景，通过现场注浆工艺试验、现场载荷试验、颗粒级配试验等方式，完成了基底加固的注浆分区划分，确定了注浆加固方案及其参数，可为设计提供依据，也为类似工程提供数据参考。

1 工程概况

伍家岗长江大桥为主跨1160m的钢箱梁悬索桥，江北侧采用隧道锚，江南侧采用浅埋式重力锚碇。浅埋式重力锚碇基础采用外径85.0m、高15.0m的圆形扩大基础。基础底面绝对高程为55.3m。

根据地质勘察报告，下卧基岩面的绝对高程为25m～50m，呈现东南侧较低，其余方向稍高的“簸箕”状，锚碇基础范围的地基为不均匀的土岩组合地基，如图1所示；基底持力层为④2-2含中粗砂卵砾石，厚度为5m～30m，其承载力基本容许值为400kPa，与锚碇混凝土基础底面的摩阻系数μ=0.4～0.5。在最不利荷载组合作用下，锚碇基底前趾区应力为498.7kPa，后趾区应力为463.1kPa。由于土岩组合地基的刚度在锚碇基础范围内分布不均匀，加上主缆拉力的偏心荷载作用，锚碇基础极易产生不均匀沉降。

图1 试验点平面布置示意Fig.1 Layout of test points

2 注浆工艺

在基坑前趾区域和后趾区域各布置一组直剪试验点和一组载荷试验点。试点平面布置示意如图1所示。

为研究注浆浆液的扩散半径以及注浆间距对地基承载力和变形模量的影响，在试验区分别以2m和3m的间距注浆。前趾试验区和后趾载荷试验区的注浆孔与试验点的相对关系如图2、图3所示，图中，QZSY-1表示前趾试验区1#注浆孔，HZSY-19表示后趾试验区19#注浆孔，其余编号以此类推，注浆孔号从左至右依次编号。

图2 注浆孔布置(前趾试验区)Fig.2 Layout of grouting holes (Fore toe area)

图3 注浆孔布置(后趾载荷试验区)Fig.3 Layout of grouting holes (Back toe area)

2.1 水灰比

现场利用125kg水与250kg水泥配置水灰比为0.5的水泥浆，根据规范要求对水泥净浆的流动性进行测试，最终测得的时间为11s，满足规范要求。

从后期邻孔冒浆的扩散效果来看，水灰比0.5在含中粗砂卵砾石层有较好的扩散半径，因此水灰比设定为0.5。

2.2 注浆参数统计

根据基底和下卧基岩面的绝对高程分析可知，前趾试验区和后趾载荷试验区的钻孔深度分别为10m、6m。两个试验区共计30个注浆孔，其注浆参数作为注浆工艺试验的一部分。经现场统计分析，前趾试验区和后趾载荷试验区的平均注浆压力均在0.8MPa左右，平均单孔注浆量分别为1.48m3、1.03m3，注浆终止条件均为邻孔冒浆(图4a)或邻近集水井冒浆。

图4 注浆现场Fig.4 Grouting site

2.3 存在问题

图5 浇筑垫层后再注浆现场Fig.5 Grouting site after pouring cushion

在注浆初期阶段，注浆孔封闭方式较为简单，仅采用泥土堵塞的方式，造成孔口封闭不理想。注浆孔孔口封闭不密实，浆液不会往周边土体中扩散，反而孔口在较短时间内(2min～3min)产生翻浆、冒浆现象，导致浆液往地面流失、浆液扩散半径较小，注浆效果差(图4b)，同时存在注浆量无法量化、注浆压力读取不够精确等问题。后期通过先浇筑50cm厚的素混凝土垫层，待垫层达到强度要求后再注浆的措施解决孔口封堵不密实的问题(图5)；通过更换量程适中、灵敏度更高的压力计解决注浆压力读取不够精确的问题；通过在拌浆池安装刻度尺以计量单孔注浆量。

3 参数分析

3.1 注浆压力与扩散半径

基坑主要含水层以卵石(④2-1和④2-2)为主、透水性较强，综合渗透系数k=5.0×10-2cm/s；通过理论计算以及参考《工程地质手册》[8]，④2-2含中粗砂卵砾石的孔隙率n=0.3；参考地基处理手册[9]，浆液的运动粘滞系数ν=4×10-6m2/s； 根据水泥净浆的流动性进行测试，水泥浆液的水灰比ρ*=W/C=0.5；参考《岩土注浆理论与工程实例》[10]，水泥浆液密度ρ=1+2/(1+3ρ*)=1.8g/cm3；水泥浆液重度γ=ρg=18kN/m3；现场的注浆管半径r=2.5cm。

根据地勘报告可得④2-2含中粗砂卵砾石的有效粒径de=0.15cm；沿注浆管深度方向每延米的平均注浆时间t=200s；参考地基处理手册[9]，即可得到注浆压力P与扩散半径r1的关系，如式(1)所示。

(1)

带入相关数据，可得注浆压力P与扩散半径r1的关系曲线，如图6所示。

图6 注浆压力与扩散半径的关系曲线Fig.6 Relationship between grouting pressure and diffusion radius

由图6可知，扩散半径随注浆压力的增加呈抛物线增长，当注浆压力达到0.8MPa时，扩散半径为1.8m，与现场实际的注浆效果基本吻合。如图4a所示的邻孔冒浆现场图可知，在现场注浆压力达到要求条件下，单孔注浆可引起间距为3m的邻孔孔顶冒浆，单孔注浆可引起临近的集水井里出现水泥砂浆。

由于地层的复杂性和注浆压力、注浆时间的离散性，采用该方法计算得到的扩散半径仅作为注浆方案设计的参考。

3.2 承载力

根据规范[11,12]要求，现场载荷试验在注浆加固15d后进行。根据规范[13]的试验方法，可得试点荷载-沉降的关系曲线，如图7所示。

图7 荷载-沉降曲线Fig.7 Load settlement curve

根据规范[13]要求，地基承载力基本容许值可取为Q-S曲线的比例界限和极限承载力一半的较小值。

前趾区QZ-1测点加载至1320kPa，QZ-2测点加载至1320kPa，QZ-3测点加载至1300kPa，三个测点均未达到破坏荷载，极限荷载不小于1300kPa，将最终荷载除以2的安全系数，得到地基承载力基本容许值，所以被测试的前趾区三个测点的地基承载力基本容许值不小于650kPa。后趾补充载荷试验HZ-7测点加载至1080kPa，HZ-8测点加载至1320kPa，两个测点在最后一级加载下的沉降均超过48mm(与承压板直径之比等于0.06)，均达到破坏荷载，因此HZ-7测点、HZ-8测点的极限荷载取破坏荷载的上一级加载值，分别为960kPa、1200kPa，将极限荷载除以2的安全系数，得到地基承载力基本容许值，所以被测试的后趾补充载荷试验区两个测点的地基承载力基本容许值分别为480kPa、600kPa。

因此载荷试验点的地基承载力基本容许值取值如表1所示。

表1 载荷试验点地基承载力基本容许值Tab.1 Basic allowable value of bearing capacity of foundation at load test point

注：QZ-0试点、HZ-0试点分别为地基注浆前前趾区和后趾区的原位载荷试验点(试验点位置均位于图1所示的前趾试验区和后趾载荷试验区附近，由“宜昌市建筑工程质量安全监督站”提供数据)。

3.3 变形模量

通过Q-S曲线的比例界限荷载，利用弹性力学公式反求土体的变形模量[14]，如式(2)所示：

E0=0.785(1-μ2)dp1/s1

(2)

式中：E0为土体的变形模量(MPa)；d为承压板直径(m)；p1为所取定的比例界限荷载(kPa)；s1为与比例界限荷载p1相对应的沉降(mm)；0.785为刚性圆形承压板的沉降影响系数；μ为土体泊松比。

根据地勘报告可得μ=0.28，根据平板载荷试验方案可知d=0.8m。结合相关参数，利用式(2)可得土体的变形模量如表2所示。

表2 土体变形模量Tab.2 Deformation modulus of soil

基于现场载荷试验的土体承载力和变形模量分析可知：

(1)前趾区注浆前、后的地基承载力基本容许值分别为400kPa、650kPa；后趾区注浆前、后的地基承载力基本容许值分别为300kPa、480kPa；前趾区注浆前、后的地基变形模量分别为22.62MPa、33.63MPa；后趾区注浆前、后的地基变形模量分别为10.89kPa、12.98MPa；注浆可显著地提高地基的承载力和变形性能。

(2)位于间距2m区域的QZ-1、HZ-7试点分别比位于间距3m区域的QZ-3、HZ-8试点的变形模量更小，即注浆工艺相同的条件下，注浆效果与土层的颗粒级配、孔隙的空间分布有较大的关系，导致载荷试验结果表现出较大的离散性。

(3)后趾载荷试验区的承载力基本容许值小于前趾试验区试点，说明前趾区和后趾区持力土层的颗粒级配、孔隙的空间分布存在较大的不同，浆液在前趾区的土体中更易充分扩散，与原状土形成加固体，因此有必要对持力层土体进行颗粒继配分析。

(4)后期通过调整施工工序，即先施工素混凝土垫层，待垫层达到强度之后再进行注浆，此工序的调整对土体最终的承载力和变形性能均会有所改善，且会降低注浆效果的离散性。

3.4 颗粒级配分析

通过对基底持力层土体的现场观察，前趾区域砂粒含量较大，粘粒含量较少，后趾区域砂粒含量较小，粘粒含量较多，因此前趾区的注浆效果、承载力和变形性能优于后趾区，前后趾的平板载荷试验也验证了该结论。由于地勘报告未对锚碇基础范围内的④2-2含中粗砂卵砾石土层进行细分，不能指导注浆区域的划分，因此再选取9个样本土体(已人为清除卵石)进行颗粒级配分析，由于锚碇左右区域已浇筑素混凝土垫层，因此9个取样点在基坑底部的平面分布如图8所示。9个土样的颗粒级配累计曲线如图9所示，统计分析如表3所示。

图8 颗粒级配分析的取样点分布Fig.8 Distribution of sampling points for particle grading analysis

图9 颗粒级配累计曲线Fig.9 Cumulative curve of particle size distribution

土样d10d30d60不均匀系数曲率系数1#0.0740.160.658.750.552#0.0740.201.6722.580.323#0.0740.131.1815.890.214#0.0740.120.9012.200.225#0.0740.213.6849.800.176#0.0740.121.9025.660.107#0.0740.151.9025.670.168#0.0740.132.8438.320.089#0.0740.122.9239.460.07

表3中，d10、d30、d60分别相当于土粒质量累计百分含量为10%、30%、60%的粒径。5#～9#土样的d60参数、不均匀系数明显大于1#～4#土样，曲率系数明显小于1#～4#土样。不均匀系数越大表示粒度的分布范围越大，土粒越不均匀，综合分析可得5#～9#土样的粗颗粒含量较多，1#～4#土样细颗粒含量较多。

4 注浆方案

通过基底范围的颗粒级配分析，结合图1的下卧基岩面的分布情况、载荷试验结果以及现场注浆效果分析，注浆区域的划分如图8所示，其中蓝色实线为注浆分区线。结合现场注浆工艺试验、载荷试验以及颗粒级配分析的结果，在保证注浆工艺和注浆效果的前提下，前趾区可采用3m的注浆间距，后趾区可采用2m的注浆间距。

注浆工艺及参数为：1)先浇筑50cm厚素混凝土垫层再进行基底注浆；2)注浆顺序为先基坑周边再基坑中间区域，且采取跳孔连续注浆；3)注浆花管开孔高度为混凝土垫层顶面标高以下1m；4)水灰比为0.5；5)邻孔冒浆后在6h以内再次补浆以保证注浆效果。

5 结语

本文以宜昌市伍家岗长江大桥江南侧浅埋式重力锚碇基础的地基注浆加固为工程背景，通过注浆工艺试验、现场载荷试验、持力层土体的颗粒级配分析等，实现了对含中粗砂卵砾石地基加固的注浆分区，研究了合理的注浆加固方案及参数，可为类似地层的注浆加固提供参考。具体如下：

1.前期注浆工艺试验存在孔口封堵不密实、注浆压力无法精确读取、单孔注浆量无法计量等问题，后续注浆工艺做了相应的改善，可供类似工程参考。

2.基于现场载荷试验结果，注浆后的地基承载力基本容许值和变形模量均有提高，但试验结果表现出较大的离散性。

3.5#～9#土样的粗颗粒含量较多，1#～4#土样细颗粒含量较多，在此基础上进行了注浆区域的划分，前趾区采用3m的注浆间距，后趾区采用2m的注浆间距。