建構(gòu)筑物傾斜注漿抬升技術(shù)研究現(xiàn)狀

崔學(xué)棟

（北京恒祥宏業(yè)基礎(chǔ)加固技術(shù)有限公司，北京100097）

1 引言

19世紀初，法國工程師首先開創(chuàng)了注漿技術(shù)應(yīng)用的先河，注漿技術(shù)也是在采礦、市政及水利工程中作為防水、加固的重要方法，隨后在法國、英國、美國及日本等國家逐步推廣。由于采用注漿技術(shù)進行建構(gòu)筑物抬升具有減少開挖量和減少基礎(chǔ)托換的優(yōu)勢，所以建構(gòu)筑物注漿抬升技術(shù)在國外也得到了廣泛的推廣[1]。在我國，注漿技術(shù)首先應(yīng)用于煤礦的巷道圍巖加固，隨后才逐步在其他領(lǐng)域推廣開來。注漿技術(shù)是一種實踐性很強的工藝性技術(shù)，已經(jīng)有許多工程使用注漿技術(shù)達到了建構(gòu)筑物的傾斜糾偏的目的。目前，建構(gòu)筑物注漿抬升技術(shù)的工程實踐已領(lǐng)先于理論，應(yīng)對目前的注漿抬升技術(shù)的理論、實驗與實踐的現(xiàn)狀進行歸納梳理，為更深一步的注漿工程理論與實踐研究打好基礎(chǔ)。

2 理論研究現(xiàn)狀

建筑物的傾斜抬升技術(shù)目前可以分為抬升法、迫降法和綜合法。迫降法是采用掏土或者降水的方式，在建筑物沉降小的一側(cè)采用技術(shù)手段增大沉降，達到傾斜糾偏的目的。抬升法是采用托換或打樁的方式，在建筑物沉降量較大的一側(cè)抬高基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，通常采用的方法為錨桿靜壓樁法、坑式靜壓樁法和上部結(jié)構(gòu)托梁抬升法[2]。上述抬升方法一般需要開挖或者托換，對建筑結(jié)構(gòu)造成一定的影響。根據(jù)注漿原理，注漿抬升技術(shù)屬于抬升法的一種，有效地解決了開挖或托換對建筑結(jié)構(gòu)造成的影響。

建構(gòu)筑物的注漿抬升設(shè)計目前仍處于“半理論、半經(jīng)驗”的狀態(tài)，有時經(jīng)驗甚至大于理論。由于注漿理論涉及地質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、流體力學(xué)、巖體力學(xué)和材料學(xué)等多個學(xué)科，而且?guī)r土條件的復(fù)雜性，所以，目前對注漿抬升技術(shù)的原理還未形成統(tǒng)一的認識。目前，物理注漿理論的研究成果可以概括分為滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿理論。

2.1 滲透注漿理論研究現(xiàn)狀

滲透注漿理論是基于地下水的流動而開展的。漿液作為流體在巖土體的滲流過程與地下水的動力學(xué)原理有諸多相似之處，因此，滲流注漿原理也是發(fā)展最為全面、系統(tǒng)的，如球形擴散理論、柱狀擴散理論等。近年來，有學(xué)者在研究馬格經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上，提出了考慮漿液黏時變性滲透注漿理論計算公式，實現(xiàn)了滲透注漿理論計算公式的統(tǒng)一，但是并未推廣。

滲透注漿壓力較小，漿液以一種類似于“地下水流動”的方式克服阻力，滲入土體孔隙中，在不影響原有土體結(jié)構(gòu)的情況下，形成“結(jié)石體”。但由于砂土和黏性土的滲透性相差很大，因此，不少學(xué)者認為，在砂土中采用滲透注漿的方法較為妥當。在JGJ 123—2012《既有建筑物地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范》條文17.7.3中規(guī)定了滲透注漿適用于滲透率大于10-4cm/s的砂性土[3]。滲透注漿速率較慢，若采用滲透注漿理論設(shè)計建筑物傾斜抬升不夠現(xiàn)實。

2.2 壓密注漿理論研究現(xiàn)狀

壓密注漿被認為是加固軟弱土體最適合的理論。是指壓密注漿形成的注漿壓力和形成的“漿泡”對土體產(chǎn)生擠壓作用，使得注漿孔周圍形成漿泡—塑性區(qū)—彈性區(qū)的模型，類似于地基處理中的復(fù)合樁，提高土體的密實度，從而達到加固土體、提升承載力的作用。如果在工藝上能夠?qū)⒋嗽磉\用得當，則可以起到抬升建構(gòu)筑物的作用[4]。目前認為壓密注漿適用于砂土、填土等軟弱土層，但是工程經(jīng)驗表明，在含有淤泥質(zhì)土和泥土中也能實現(xiàn)建構(gòu)筑物的抬升。

壓密注漿改善土體實際分為2個方面：一方面是出漿口對周圍土體產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力，使得周圍土體的孔隙比減小，提高密實度，從而達到加固土體的目的；另一方面，注漿過程中滲流、壓密和劈裂往往是同時發(fā)生的，很難控制“漿泡”的形態(tài)，因此，壓密注漿通常形成的是土與漿液凝固體的“結(jié)石體”。由于注漿使得處理土層的密度加大，同時，對處理土層下部也有附加壓應(yīng)力，因此，壓密作用的機理應(yīng)是上述2種壓密現(xiàn)象共同作用的。

2.3 劈裂注漿理論研究現(xiàn)狀

劈裂注漿是指鉆孔內(nèi)的液壓超過巖土體的劈裂壓力，使得巖土體產(chǎn)生水力劈裂，形成網(wǎng)狀漿脈，形成“漿液骨架”從而加固巖土體的注漿范圍，應(yīng)用最為廣泛。已有學(xué)者對擴孔問題的線性與非線性解析解進行了研究，推導(dǎo)出了砂性土和黏性土的極限擴孔壓力的理論計算公式，并推導(dǎo)了劈裂注漿擴散半徑[5]。目前，已有學(xué)者基于球形和柱形擴張彈塑性理論，推導(dǎo)了劈裂注漿的理論起始壓力解析解。但擴散半徑和起始壓力太過于理論化，在進行工程實踐時，并不能完全依靠已成形和柱形擴張彈塑性理論進行設(shè)計。

劈裂注漿會破壞原有的土體結(jié)構(gòu)，利用較大的注漿壓力，超過土體的強度，沿著土體最弱處在土體內(nèi)部形成“脈狀”注漿體結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的理論研究過于集中在水力劈裂機理方面，對“漿脈”形成的過程研究甚少，對于漿脈的發(fā)展過程、擴展方向和形狀對加固效果的影響規(guī)律研究明顯不足，因此，在工程應(yīng)用中，經(jīng)驗領(lǐng)先于理論。

3 實驗研究現(xiàn)狀

注漿的實驗研究通常情況下也是根據(jù)滲流理論、壓密理論和劈裂理論展開的，但是，由于工程地質(zhì)條件的差異，這3種注漿情況往往是伴隨著發(fā)生的，通過設(shè)計實驗裝置，采用不同的土樣，在注漿實驗中能夠得到注漿參數(shù)的回歸公式，進而得到漿液在土樣中的擴散規(guī)律，從而能夠得到可以指導(dǎo)工程實踐的注漿理論。在土體滲透性較小的黏性土和砂性土中，由于注漿壓力較大，很難存在滲流的情況。因此，在注漿實驗中壓密和劈裂常常伴隨著發(fā)生，而采用注漿技術(shù)的巖體往往較為破碎，孔隙率相對較大。相對于壓密與劈裂，滲流理論更適合于疏松多孔的砂性土，因此，研究的方法與壓密和劈裂有一定區(qū)別。

3.1 滲流注漿實驗研究現(xiàn)狀

有學(xué)者研發(fā)了一套基于壓密注漿和劈裂注漿的室內(nèi)實驗裝置，另外，有學(xué)者在此基礎(chǔ)上進行改進，研發(fā)了砂土室內(nèi)模型試驗儀器模擬，根據(jù)試驗結(jié)果認為，在砂土介質(zhì)中擴散距離與砂土的滲注漿量、漿液水灰比、注漿壓力、滲透系數(shù)有關(guān)。而不同的學(xué)者在多孔介質(zhì)中進行模擬實驗得到的結(jié)論卻大相徑庭，認為對漿液擴散最顯著的是注漿壓力，然后，才是注漿的初始黏度、凝膠時間、滲透系數(shù)和注漿時間。得出完全不同的結(jié)論是由于注漿介質(zhì)的材料完全不同，這說明在不同地質(zhì)條件下，其注漿效果的主要影響因素也不盡相同。另外，有學(xué)者指出，當深度達到一定程度時，注漿效果也受一定地應(yīng)力及土體固結(jié)作用的影響；并且滲流注漿效果也受一定地質(zhì)條件的影響，如滲流等。

3.2 壓密注漿實驗研究現(xiàn)狀

土體壓密注漿是指漿液形成的“漿泡”完全取代土體，在周圍形成塑性區(qū)域，在距離“漿泡”更遠的區(qū)域形成彈性區(qū)域。有學(xué)者在模型槽實驗中發(fā)現(xiàn)，壓密注漿形成的結(jié)石體與土體有明顯的分界面，在注漿過程中，壓密和劈裂是同時產(chǎn)生的，其過程可以概述為小孔擴張—劈裂流動—形成漿泡。針對壓密注漿廣泛地用于建構(gòu)筑物抬升以及復(fù)合地基，中國水利工程協(xié)會批準發(fā)布了團體標準T/CWEA 5—2018《壓密注漿樁技術(shù)規(guī)范》，規(guī)范了壓密注漿樁的設(shè)計、材料、施工和檢測等[6]，也應(yīng)用到了實際的工程中，效果十分理想。有學(xué)者通過實驗也證明了壓密注漿在加固土體時，可以產(chǎn)生抬升力，從而進行地表建構(gòu)筑物的抬升，并應(yīng)用于煤倉地基加固糾偏中。

3.3 劈裂注漿實驗研究現(xiàn)狀

劈裂注漿常伴隨著壓密注漿，在其主控因素的研究工作中，有學(xué)者提出劈裂與壓密的關(guān)系時指出，注漿的作用一方面由于土體劈裂形成了漿脈骨架，漿脈骨架的形狀對注漿的效果也有一定的影響；另一方面，漿脈對土體有明顯的擠密作用，同時可以降低滲透性，通過實驗限制漿液的擴散范圍，得出了擠密作用才是保證注漿加固效果的關(guān)鍵。

有的學(xué)者采用現(xiàn)場注漿實驗和室內(nèi)注漿實驗詳細研究了水力劈裂的發(fā)展過程，同時與有限元法進行對比，呈現(xiàn)了均勻土體和非均質(zhì)土體中的裂縫啟裂、二次劈裂和漿脈的擴展過程。此項研究填補了劈裂注漿漿脈發(fā)展過程的空白，同時也提供了劈裂注漿的新的研究手段。

4 實踐現(xiàn)狀

我國于20世紀50年代在煤礦巷道等地下工程運用注漿技術(shù)進行加固和止水，到了60年代，注漿技術(shù)應(yīng)用于延安寶塔山寶塔的地基加固，此時注漿技術(shù)在地基加固和建構(gòu)筑物傾斜糾偏的研究逐步深入。國外在20世紀初，著名的意大利比薩斜塔的地基處理中，就有學(xué)者提出了采用注漿抬升技術(shù)對已經(jīng)超過傾斜預(yù)警值的塔身進行加固。

有學(xué)者利用注漿抬升技術(shù)，對地鐵下穿建筑物進行了抬升，認為在此工程中70%的注漿量作用明顯，并且注漿深度的選擇對抬升效果有著明顯的作用。有學(xué)者在處理上海某地鐵沉降問題時，選擇使用注漿抬升技術(shù)，有效地改善了隧道的不均勻沉降，并指出分階段注漿能夠有效地控制注漿產(chǎn)生的附加內(nèi)力。也有在軟弱土層及流沙復(fù)雜地質(zhì)條件下采用注漿抬升技術(shù)修復(fù)沉降的污水管道，恢復(fù)污水管的正常運營。彭正勇在對廈門機場34#樓進行注漿抬升時，采用袖閥管注漿工藝，將沉降值控制在25 mm內(nèi)，保證了既有建構(gòu)筑物的安全[7]。有學(xué)者分別研究壓密注漿和劈裂注漿對地表抬升的影響機制，采用數(shù)值模擬、相似模擬實驗等方法，驗證球形壓密注漿和脈狀劈裂注漿對地表抬升的影響，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果在注漿埋深超過2 m時吻合程度較高，壓密注漿能夠?qū)е碌乇硖孔兇螅炎{對地表抬升的影響范圍大。實踐表明，采用后注漿技術(shù)能夠提高土層的側(cè)摩阻力，提高單樁承載力，從而達到加固樁基的目的。

目前，注漿抬升技術(shù)已廣泛地用于既有建構(gòu)筑物的抬升，如城市地鐵、鐵路、市政和建筑領(lǐng)域。但是，不同研究機構(gòu)使用的工藝、漿液都未統(tǒng)一，然而注漿抬升的效果均表現(xiàn)良好，能夠?qū)崿F(xiàn)注漿抬升的目的，而且能保證既有建構(gòu)筑的安全。

5 結(jié)語

注漿抬升的理論、實驗和實踐成果十分豐富，就現(xiàn)狀來看，三者并未形成有機的統(tǒng)一。其理論還不能完全指導(dǎo)實踐。但是，經(jīng)驗豐富的工程師依然能夠通過經(jīng)驗完成注漿抬升項目。筆者在對注漿抬升技術(shù)研究現(xiàn)狀進行梳理和歸納時，得到以下結(jié)論：

1）目前，注漿抬升技術(shù)理論還未形成共識，滲流注漿、壓密注漿和劈裂注漿在不同的地質(zhì)條件下可能有同步產(chǎn)生，無法利用一套理論來解釋注漿抬升的機理。目前實踐的結(jié)果已經(jīng)領(lǐng)先于理論，壓密注漿相對滲流與劈裂更適用于建筑物的傾斜抬升。

2）目前認為對注漿抬升效果影響最大的因素是工藝，分段注漿對注漿效果有明顯的影響。

3）注漿抬升技術(shù)是一門工藝性很強的技術(shù)，在復(fù)雜多樣的地質(zhì)條件下，太過理想的假設(shè)不僅會導(dǎo)致理論與實踐出現(xiàn)偏差，而且讓實驗的結(jié)果與實際工程有一定出入。