沖擊擠密樁與壓密注漿聯(lián)合技術(shù)在復雜場地地基加固處理中的應用

吳 健，司拴牢，劉俊鋒，王海鵬，張雪云，司 元

（1.甘肅土木工程科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州市建設工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅第一建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730030；4.甘肅第三建設集團公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

隨著國家“一帶一路”和城鎮(zhèn)化建設的深入實施，地處西北黃土高原地區(qū)工程建設土地的供求矛盾日益突出，從而“填溝造地”項目不斷涌現(xiàn)。因此，大厚度回填土地基工程日益增多［1］，特別是在甘肅隴東黃土梁峁溝壑地區(qū)，新農(nóng)村整體搬遷、集中安置項目多為回填溝壑整平后進行工程建設場地，該類新農(nóng)村建設多為單層～二層建筑物，通常以一般場地進行勘察設計時，未考慮回填周期短地基土欠固結(jié)等因素，導致建成后不久出現(xiàn)建筑物地基不均勻沉降、墻體開裂等“病害”。

本文通過某項目加固工程實例，研究沖擊擠密樁和壓密注漿聯(lián)合地基處理技術(shù)，分析兩種加固方式結(jié)合對改善回填土物理力學性質(zhì)，提高地基土承載力的作用，研究成果可為相關工程提供參考。

1 加固原理

沖擊擠密樁施工原理是，在不掏土的前提下，借助機械吊起重錘，自由降落沖擊地基土，形成被擠密的樁孔（第一次擠密），在分層填料的同時沖擊擠密成樁（第二次擠密）的兩次擠密過程，形成一定直徑的樁身和一定范圍的樁周擠密土，在樁和樁間擠密土的共同作用下，形成以土治土的復合地基，從而達到共同承擔上部荷載的目的［2］。

注漿加固是指將水泥土漿通過壓漿泵、灌漿管，均勻地注入土體中，以填充、滲透和擠密等方式，驅(qū)走填土裂隙中或土顆粒間的水分和氣體，并填充其位置，待其硬化后，將填土膠結(jié)成一個整體，形成一個強度大、壓縮性低、抗?jié)B性高和穩(wěn)定性良好的新巖土體，使地基得到加固。注漿加固可防止或減少滲透和不均勻沉降［3］。

根據(jù)沖擊擠密樁和壓密注漿處理地基土原理和特點，將二種方式結(jié)合在欠固結(jié)，密實度、均勻性較差，地基土壓縮變形差異較大的回填土等復雜場地，自身荷載較小的建（構(gòu)）筑物地基加固處理中應用有以下優(yōu)點。

1）由于現(xiàn)場條件限制，沖擊擠密樁選用機架高度一般為 2.65～4.20 m，沖錘重量一般為 220～380 kg，沖擊能量較小，處理深度一般不超過 8 m，結(jié)合壓密注漿可對深部土體進行加固處理。

2）沖擊擠密樁和壓密注漿聯(lián)合處理地基，經(jīng)過沖擊擠密土體減小孔隙，然后再壓密注漿滲透膠結(jié)，兩種方法相輔相成達到共同處理地基效果。

3）在建筑物外圍布設沖擊擠密樁形成帷幕，有效地隔斷了外部水的浸入，同時在建筑物內(nèi)可形成密閉空間，然后進行壓密注漿時可在預定加固部位形成均勻的固結(jié)體，隨著注漿量的逐漸增大，可產(chǎn)生較大的上抬力。對于自身荷載較小的建（構(gòu)）筑物，人為控制注漿壓力并造成適宜的上抬力時，能使下沉或傾斜的建（構(gòu)）筑物得以抬高或扶正、低層磚混結(jié)構(gòu)建筑物墻體由于沉降產(chǎn)生的裂縫“愈合”，加固效果分析圖，如圖 1 所示。

圖1 加固效果分析圖

2 工程概況

2.1 建筑物概況

某集中居民住房為地上二層磚混結(jié)構(gòu)，磚砌條形基礎，基礎埋深 1.5 m；地基處理采用換填墊層法，處理深度 2.5 m，建成使用 1 年后出現(xiàn)地基下沉、墻體裂縫現(xiàn)象。

2.2 房屋受損情況

1）地基下沉。處于回填區(qū)的房屋地基基礎出現(xiàn)不同程度的下沉，沉降最大值為 99 mm，基礎局部傾斜率最大為 7.4 ‰，超過了 GB 50007－2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》建筑物整體傾斜率允許值不大于 4 ‰ 的規(guī)定。

2）墻體裂縫。房屋墻體出現(xiàn)不同程度的裂縫，最大裂縫寬度達到 3.5 mm，較多裂縫出現(xiàn)在門、窗洞口邊緣、內(nèi)外縱墻及橫墻、延伸較長且部分貫通整個墻體，該部分裂縫為地基基礎不均勻下沉導致。

2.3 場地工程地質(zhì)條件

該項目場地地貌單元屬河流 Ⅱ～Ⅲ 級階地，場地原為地形復雜、高差較大的黃土梁峁溝壑區(qū)，后經(jīng)人工回填整平后進行集中居民住房建設。場地地層結(jié)構(gòu)自上而下主要為：

①層填土，層厚 2.0～8.0 m，雜色，稍濕，土質(zhì)不均勻、結(jié)構(gòu)松散，大孔結(jié)構(gòu)，針孔發(fā)育，上部土層含有少量磚塊瓦礫及腐殖植物根系；

②層黃土狀粉土，層厚為 4.3～7.0 m，灰黃色～褐色，土質(zhì)稍均勻，大孔結(jié)構(gòu)，針孔發(fā)育，均勻性較好，稍濕，稍密；

③層砂質(zhì)黏土，整個場地分布，灰黃～紅褐色，主要由粉質(zhì)黏土和粉砂組成，局部夾雜少量礫砂，切面稍有光澤，韌性中等，干強度高，搖振無反應，硬塑。

2.4 房屋受損原因

該場地原為黃土梁峁溝壑區(qū)，后經(jīng)人工回填整平后進行工程建設，回填過程中未碾壓密實，致使填土層結(jié)構(gòu)松散，欠固結(jié)。房屋建成后，回填土持續(xù)固結(jié)下沉，最終導致房屋地基不均勻沉降，上部墻體隨之出現(xiàn)裂縫。

3 加固設計方案

根據(jù)房屋現(xiàn)狀及受損原因，采用沖擊擠密樁和壓密注漿聯(lián)合處理技術(shù)對建筑物基礎底面以下的地基土進行加固，以到達改善地基土物理力學性質(zhì)，提高地基土承載力，并在可控狀態(tài)下抬升建筑，達到墻體裂縫“愈合”的效果。

3.1 加固處理平面布置

設計采用沖擊擠密樁和壓密注漿聯(lián)合處理，在室外沿基礎外側(cè)布設三排沖擊擠密樁，室內(nèi)沿基礎內(nèi)側(cè)布置壓密注漿孔，平面布置如圖 2 所示。

圖2 加固平面布置圖（單位：mm）

3.2 沖擊擠密樁設計參數(shù)

1）沖擊擠密樁按三角形布置，落錘沖擊成孔，機架高度 2.8 m，沖錘重量 250 kg，樁間距為 800 mm，行距為600 mm，處理深度 8.0 m，填孔內(nèi)深層夯擴后的直徑不小于 320 mm。

2）樁身填料采用 3∶7 灰土，孔內(nèi)填料應分層回填夯實，壓實系數(shù)不小于 0.95，處理后的樁間土平均擠密系數(shù)不小于 0.92。

3.3 壓密注漿設計參數(shù)

1）使用振動沉管設備，將前端帶有孔的無縫鋼管沉至設計深度，自下而上用泵將制好的漿液通過高壓管分層壓入地基土中。

2）為減少注漿加固中產(chǎn)生的附加下沉，采用塌落度小且不流動的惰性漿材，漿液配比為水泥：黃土：水=1∶6∶4，濃漿比重不小于 1.80。

3）注漿壓力：0.4～4.0 MPa，最大不超過6.0 MPa。

4）注漿深度：自基底下 10～12 m。

5）注漿孔間距及布置：間距 1.5 m 沿基礎邊緣，單孔考慮處理范圍半徑為 0.75 m。

6）注漿量的計算。注漿量的計算一般按式（1）進行：

式中：Q 為單孔總注漿量，m3；A 為加固土體體積，m3；n 為土體孔隙率；α 為注漿充填系數(shù)（0.7～0.9）；β 為注漿材料損耗系數(shù)。

其中常見加固地層的灌注填充率取值如表 1 所示。

表1 加固地層的灌注填充率

4 加固施工及質(zhì)量控制

為確保加固效果，在施工前選取代表性的地段進行試驗，確定沖擊擠密樁和壓密注漿施工技術(shù)參數(shù)。單體建筑物加固處理施工順序為：先施工外圍沖擊擠密樁帷幕，完成帷幕施工后，在建筑物室內(nèi)進行壓密注漿。

4.1 沖擊擠密樁施工流程（見圖 3）

圖3 沖擊擠密樁施工流程

沖擊擠密樁施工質(zhì)量控制如下。

1）樁機就位：打樁機按設計樁位就位，保持垂直，垂直度偏差不大于 1.0 %。

2）成孔工藝：錘擊成孔按隔排跳打，重錘沖擊成孔，打至設計深度，對已成孔進行孔中心位移、垂直度、孔徑、孔深檢查。

3）灰土拌合：采用拌和設備在料場集中拌合，灰土和粉土按 3∶7 體積比拌合均勻，拌合灰土含水量應接近最優(yōu)含水量（±2 %），可根據(jù)“手捏成團、落地散花”判斷其含水量是否合適。

4）回填夯實成樁：成孔后填入灰土分層夯實，沖擊錘落距不小于 2.0 m，每層夯擊次數(shù)≥10 錘，對成孔深度、夯擊次數(shù)等作好記錄。

4.2 壓密注漿施工流程（見圖 4）

圖4 壓密注漿施工流程

壓密注漿施工質(zhì)量控制如下。

1）漿液制作：按設計配合比拌制好漿液，并充分攪勻，漿液的比重應符合設計要求。

2）注漿：注漿過程中通過聲音、注漿壓力、注漿量、綜合判斷注漿效果，并做好注漿記錄，確保記錄的真實、可靠。

3）停止注漿的條件：當一層的注漿量和注漿壓力均達到設計要求時，可停止該層注漿。當壓力滿足設計要求并達到極限值，而注漿量尚未達到設計值時，需拔出注漿管，檢查花管是否堵塞，清洗花管后打入同樣深度，繼續(xù)注漿，若非花管堵塞，有可能遇到較硬地層或地下埋入物，應稍移動孔位，繼續(xù)下管至同樣深度注漿。若注漿量已超過設計值，直降壓力尚未達到設計的較大值，應繼續(xù)注漿，或暫停一會時間，再繼續(xù)注漿，直到壓力達到設計較大值后，方可停泵。

5 加固效果檢驗及分析

5.1 房屋裂縫觀測

為了檢驗加固處理效果，對墻體裂縫布設觀測點，對這些觀測點的施工前、施工中和施工后進行定期的觀測。根據(jù)觀測結(jié)果表明，在施工過程中建筑抬升，大部分水平和斜向裂縫出現(xiàn)“愈合”效果，如圖 5 所示。

圖5 墻體裂縫“愈合”效果

5.2 房屋沉降觀測

從房屋沉降觀測的數(shù)據(jù)看出，基礎在注漿加固施工前期沉降速率略有增大，隨著注漿量的增大，沉降逐步穩(wěn)定后，建筑物發(fā)生抬升；在完成加固施工后，對建筑物進行了 100 d 的沉降觀測，基礎沉降處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖 6 所示。

圖6 建筑沉降觀測曲線

5.3 開挖驗證

本次加固施工完成后，對沖擊擠密樁和壓密注漿體進行開挖驗證，開挖的沖擊擠密樁樁身直徑一般為320～360 mm，最大直徑達到 400 mm，樁身擠密系數(shù)為0.95～0.97，樁間土平均擠密系數(shù)為 0.92～0.93，滿足設計要求，如圖 7 所示。開挖的注漿體中，多數(shù)呈柱狀體，一般直徑為 1.2～1.5 m，最大直徑為 1.7 m，部分呈脈狀、球狀體。

圖7 沖擊擠密樁開挖檢測

根據(jù)房屋裂縫觀測、沉降觀測及開挖驗證，此次加固效果較為明顯，改善了地基土性質(zhì)，提高了地基承載力，同時可控地抬升了建筑物，從而到達墻體裂縫“愈合”。

6 結(jié)語

通過工程實際應用，證明對于回填土等復雜場地上自身荷載較小的建（構(gòu)）構(gòu)筑物，地基加固采用沖擊擠密樁和壓密注漿聯(lián)合處理技術(shù)方法，可有效地降低地基土孔隙率，提高地基承載力，控制注漿壓力并造成適宜的上抬力時，能使下沉或傾斜的建（構(gòu)）筑物得以抬升或扶正，墻體裂縫達到“愈合”的效果。