壓力注漿加固軟土地基注漿參數的確定

劉海潮，鄭紅濤，劉高企

(1.滄州市高速公路建設管理局;2.石家莊鴻森巖土工程技術有限公司)

1 前言

沿海地區軟土地基普遍賦存，給工程施工帶來巨大困難，壓力注漿法加固軟土地基在工程界的應用越來越廣泛。壓力注漿參數隨工程而異，本文以壓力注漿法在廊滄高速公路軟土地基加固中的應用為例，說明了普遍意義上各工程在用壓力注漿法加固軟土地基時注漿參數的確定。

2 漿液擴散半徑

漿液擴散半徑R是一個重要的參數，R值可進行理論公式(1)估算，如選用參數接近于實際條件，則計算值具有一定的參考價值。即

式中：R為漿液擴散半徑，cm;r為注漿孔半徑，cm，取2.1 cm;K 為滲透率，cm/s，取0.5 ×10-8cm/s;P 為注漿壓力，Pa，取0.2 ～0.5 ×106Pa;T 為滲透時間，s，取1800s;B為粘度，取20;n為地層孔隙率，取50%。

計算后得1.0～2.5m，注漿孔的孔距于2倍的擴散半徑，設計時可根據軟土中含粉砂及其粉土層的厚度調整其孔距。

漿液擴散半徑R也可參照滲透系數，取經驗數值。表1為硅化法注漿滲透系數與漿液擴散半徑對應表，通過該表，可近似地確定注漿工程的漿液擴散半徑。

表1 滲透系數與漿液擴散半徑表

當地基條件較復雜或計算參數不易選準時，就應通過現場注漿試驗來確定。

對于粘性土層，由于地層孔隙很小，漿液無法滲入只能通過劈裂作用注入漿液，它適用于劈裂灌漿理論。但是劈裂灌漿時漿液擴散具有不規則性，注漿設計施工中可用“注漿有效半徑”來表示交流擴散范圍。對于砂性土層由于地層孔隙較大，漿液以充填固結為主，其擴散半徑遠大于粘性土中的擴散半徑。冶金部《注漿技術規程》(YBJ44-92)規定：漿液有效擴散應根據現場試驗確定。根據以往工程資料，對于粘土層有效擴散半徑為0.5～1.5m，注漿施工時，可通過對注漿壓力、注漿膠凝時間、注漿量、漿液濃度等參數進行控制、調整，起到控制“漿液擴散半徑”的目的。

由于軟土層其各向異性而非同一體，實際上擴散半徑R值變化較大，在廊滄高速公路軟土地基注漿工程中取得了可以借鑒的工程經驗。通過對廊滄高速公路軟土地基注漿工程綜合分析研究后，在本研究報告中依據工程地質條件提出擴散半徑R值的推薦值，見表2。

當為一般路段治理時，擴散半徑可取大的值，當為中小型構造物路段治理時擴散半徑可取小的值。

表2 注漿擴散半徑(R)推薦值

3 注漿壓力

注漿壓力是給予漿液擴散充填，壓實的能量。在保證注漿質量的前提下，壓力大，擴散距離大，注漿鉆孔數量少，同時有助提高可灌性，提高土體強度，但當壓力超過受注地層的自重和強度時，可能導致地基及其上部結構的破壞。所以在設計中，一般都以不使地層結構破壞或僅發生局部的和小量的破壞，作為確定地基允許注漿壓力的基本原則。

目前，注漿壓力主要參照砂礫層中注漿工程計算公式確定式中：pe為注漿允許壓力;C為注漿序次;T為覆蓋層厚度，m;K為注漿方式系數，自上而下K=0.8，自下而上K=0.6;λ為地層因素系數，取0.5～1.5，地層強度低取值小;H為注漿層距地面深度，m。

通過計算，在10m深度范圍內取0.2～1.0MPa。注漿起始壓力是工作壓力的1～5倍。

在廊滄高速公路K132+177～K132+258段，利用上述公式(2)計算注漿壓力，當注漿孔為第一期孔，C1取1，為第二期孔，C2取1.25;注漿層距地面深度(h)為6m;覆蓋層厚度(T)為2m;由于土質結構緊密，滲透性較弱，故λ取1.0;注漿方式系數(K)按0.6考慮。

一期孔：［Pe］=1×(0.75 ×2+0.6×1.0×6)=5.1×105(Pa)=0.51(MPa)

二期孔：［Pe］=1.25 × (0.75 ×2+0.6 ×1.0×6)=6.4 ×105(Pa)=0.64(MPa)

本次注漿所采用方式是一期孔定量不定壓，二期孔定壓不定量，本次二期孔的注漿壓力選用的是0.5 MPa。

注漿壓力值與地層的結構、初始注漿的位置和注漿序次、方式等因素相關，有些因素較難準確地獲取，所以在地基注漿處理前宜通過現場注漿試驗來確定，以取得設計所需參數。

進行注漿試驗時，一般是逐步提高壓力的辦法，求得注漿壓力與注漿量關系曲線，當壓力升至某一數值，而注漿量突然增大時表明地層結構發生破壞或孔隙尺寸已被擴大，因而可把此時的壓力值作為確定容許注漿壓力的依據。

4 注漿量的確定

在正常情況下理論上注入的耗漿量，應充填到顆粒之間的孔隙中，或沿層理或裂隙劈裂式注入。假定水泥漿注入土層的孔隙中或水泥漿以劈裂方式沿土層層理注入地下不至于使地面抬起或地層結構被破壞，在每個注漿段中注漿液沒有注入的土層，由于受上下層理或裂隙中注漿壓力的作用，其孔隙率應大大降低。

總體注漿量主要取決于地層孔隙率，可通過下式進行確定。按照土的物理力學性質，注漿前后土體的孔隙比(e、e')為

式中：VV為土中孔隙的體積;Vs為土粒體積;△V為單位體積內漿液的充填量，即充填系數β。

式中：ΔV為單位體積內漿液的充填量，即充填系數β;e'為注漿治理后土體的孔隙比，取值根據工程實踐，在路基高度大于4.0m 時取0.70;在路基高度小于4.0m 時取0.80。

由(10)式可以估算出單位體積內漿液的充填量與總注漿量。

在廊滄高速公路軟土地基中軟土層的孔隙比平均值為0.953，按上述公式(10)估算，單位體積內漿液的充填量，即充填系數β=7.6%。

每孔(段)漿液注入量可根據冶金部《注漿技術規程》(YBJ44-92)可用下式計算

式中：Q為每孔(段)注入量，m3;A為漿液的損耗系數一般A=1.15～1.30;R為漿液有效擴散半徑，m;H為注漿孔(段)深，m;n為孔隙率;β為漿液充填系數。

在廊滄高速公路K132+177～K132+258段，利用公式(10)計算單孔注漿量，由于施工期在冬季，施工條件差，損耗系數A取1.3;漿液的擴散半徑為1.5m;注漿孔注漿長度約H=5m;該段的孔隙率為0.3～0.5。漿液充填系數β=0.076。

單孔注漿量 Q=1.3×3.14×1.5×1.5×5×0.3×0.076=1.05(m3);

Q=1.3 ×3.14 ×1.5 ×1.5 ×5 ×0.5 ×0.076=1.75(m3)。本路段注漿時所取的注漿量為1.3m3。

5 注漿孔的布置方式

注漿孔孔距的大小與注漿壓力，漿液擴散半徑，土層性質及公路構造物有關，從理論上講，當注漿壓力(Pe)和漿液擴散半徑(R)確定后，注漿孔距(L)取值范圍也就確定了，其取值范圍在R≤L≤2R之間。

公路下伏地軟弱地基注漿設計一般為多排注漿孔，排距取值范圍也應在R≤L≤2R之間。不同排上的注漿孔一般有兩種布置方式，一種為矩形排列，即前排孔與后排孔沿公軸線方向平行;另一種為三角形排列，即前排孔的位置與后排孔的位置沿公路軸線方向上錯開1/2的孔距，平面上呈梅花狀。

在注漿孔距取值范圍內，選擇合理孔距對保證工程質量，降低造價很重要，依據廊滄高速公路工程實踐經驗，在設計中應注意的以下幾點。

(1)孔距應依據土層性質和構造物來確定，當軟土地基中粉砂層或粉土層較厚時，取值應偏大一些，即L取1.5～2R之間;當軟土層中粉砂層或粉土層較薄時，取值應偏小一些，即L取1～1.5R之間;橋頭、涵洞等構造物部位應考慮其上述二種工程地質條件，L值取值應偏小一些。

(2)高速公路軟土層注漿治理宜采用多排注漿孔，排距宜與孔距相等，布孔原則以三角形方式為主，矩形方式為次。如圖1所示。

(左圖為矩形布孔，右圖為三角形布孔)圖1 注漿孔布置方式示意圖

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