高壓旋噴灌漿在巖溶軟弱層加固處理中的應用

曾安懷，韋興標

（廣西水文地質工程地質勘察院，廣西柳州545006）

1 概述

柳州市某房地產(chǎn)開發(fā)有限公司擬建的16#樓建筑占地面積長38m×寬27m，樓高27 層（不含地下室1層），擬采用剪力墻結構，基礎采用筏板基礎（CFG樁復合地基），但基底以下巖溶強烈發(fā)育，巖溶形態(tài)以全充填溶洞、半充填溶洞和無充填溶洞為主，洞內充填物多以軟塑狀粘土為主，須對其進行地基加固處理，以提高巖溶發(fā)育部位的地基承載力和穩(wěn)定性，設計要求：高壓旋噴樁灌漿加固處理后復合地基承載力特征值fspk≥220kPa。

我院根據(jù)業(yè)主提供的“巖土工程勘察報告”、“建筑平面布置圖”、“溶洞分布示意圖”和設計要求，依據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-2012）和《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007-2011）等國家現(xiàn)行技術規(guī)范，設計高壓旋噴樁直徑D=600mm，采用正方形布樁時，樁間距s=1.45m；采用矩形布樁時，s1=1.5m，s2=1.33m。經(jīng)歷35d 的外業(yè)作業(yè)，完成高壓旋噴孔128 個，累計進尺約2100m，高壓旋噴灌漿消耗水泥約120t；基底巖溶軟弱層經(jīng)高壓旋噴灌漿加固處理后，經(jīng)檢測單位采用鉆探取芯和重型動力觸探等原位測試手段進行檢測，其復合地基承載力特征值fspk≥220kPa，滿足設計要求。

2 場地巖土工程地質特征和水文地質條件

2.1 場地巖土工程地質特征

根據(jù)現(xiàn)場鉆探、按地層沉積年代、成因類型，將擬建場地地面以下鉆探深度范圍內的地層進行劃分。場地分布的地層自上而下依次為人工填土層（Q4ml）雜填土①、第四系沖積成因（Q4al）粘土②、粉質粘土③及卵石④、含卵石粘土④1層；下伏基巖為石炭系（C13）破碎石灰?guī)r⑤及較完整石灰?guī)r⑥層。現(xiàn)將場地巖土層由上至下詳細描述如下。

2.1.1 第四系人工填土層（Q4ml）

雜填土①：雜色，以黃灰、黃色為主，結構松散，稍濕，由粘性土、砂礫等建筑垃圾組成，粒徑一般1～10cm，最大50cm，局部含少量生活垃圾及植物根系，為近代回填土，回填時間約為2～8年；該層在場地內個別鉆孔有揭露分布。

2.1.2 第四系沖積成因（Q3al）

（1）粘土②：黃色、黃紅色，呈稍濕、硬塑狀，局部堅硬，土層切面較光滑，韌性及干強度高，無搖振反應；經(jīng)過水流搬運、沖積后仍保持一些次生紅粘土的特征，屬中等壓縮性土；該層在分布于整個場地。

（2）粉質粘土③：黃色，淺黃色，稍濕，硬塑狀態(tài)為主，局部可塑，切面稍粗糙，干強度高，韌性中等，無搖振反應，局部含有礫砂，屬中等壓縮性土；該層在大部分鉆孔有揭露。

（3）卵石④：灰白色、黃灰色，濕，飽和，稍密狀，母巖成份為砂巖、灰?guī)r、硅質巖等，呈亞圓形—圓形，級配不良，充填物主要為粘性土及砂粒，屬于中等偏低壓縮性土；該層在分布于整個場地。

（4）含卵石粘土④1：黃色、黃灰色，很濕，流塑狀態(tài)，土層切面光滑，韌性及干強度中等，含有卵石；該層機械加鉆桿后無需加壓，人力壓桿即可輕松鉆進，屬高壓縮性土；該層個別鉆孔(DZK20)有揭露。

2.1.3 石炭系（C13）

（1）破碎石灰?guī)r⑤：深灰色、灰色、灰白色，隱晶質結構，塊狀構造，風化強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，有方解石脈發(fā)育，巖芯破碎，巖芯被溶蝕，呈碎塊狀，塊徑一般在20～80mm不等，取芯困難，采取率約30%～50%。屬軟巖，破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級；該層在大部分鉆孔有揭露。

（2）較完整石灰?guī)r⑥：深灰色、灰色、灰白色，隱晶質結構，中厚—厚層狀構造，中等風化狀態(tài)，節(jié)理裂隙有發(fā)育，巖芯多呈短柱狀，芯采取率約80%～90%；屬較硬巖，較完整，巖體基本質量等級為Ⅲ級；該層在場地內均有分布。

2.2 場地巖溶發(fā)育特征

根據(jù)業(yè)主提供的《巖土工程詳細勘察報告》和《巖土工程施工階段勘察報告》，場地溶（土）洞是巖溶作用的產(chǎn)物，其產(chǎn)生和發(fā)展受地質構造、巖性、地下水、地形地貌、氣候等多方面因素的制約。在50個鉆孔中有14個鉆孔遇到溶洞，溶洞最大高度9.50m，最小高度0.50m，局部鉆孔為兩層“串珠式溶洞”，溶洞頂板厚度0.20～1.50m，主要以流塑—軟塑狀粘性土、礫砂及卵石充填，遇洞率約為28%，線性巖溶率為24%。

2.3 場地水文地質條件

根據(jù)勘察揭露，場地內地下水類型有：第四系覆蓋層中的上層滯水、粘土層和卵石層中的孔隙水及深部巖層中的巖溶裂隙水。

（1）上層滯水：主要賦存于上部雜填土①層，為原土層含水及地表水下滲受粘土層的阻隔作用而形成的。水位不穩(wěn)定，埋深在0.70～-8.50m 之間。以大氣降水及地表積水入滲補給為主，賦存空間有限，水量較小，易于疏干，對基坑開挖與淺基礎施工影響小。

（2）孔隙水：主要賦存于粘土②層、粉質粘土③層及卵石④層中，勘察期間正值雨季，主要受周邊高水頭臨近位置的側向補給及巖溶裂隙承壓水補給，初見水位埋深約8.90～17.70m，測得穩(wěn)定水位埋深約1.20～10.50m，水位高程約在77.30～82.08m之間，水量一般。

（3）巖溶裂隙水：主要賦存于下部風化巖石裂隙以及溶洞中，具有一定的承壓性，該水接收大氣降水以及臨近高水頭地區(qū)地下水補給，具有一定的承壓，整體沿著巖溶裂隙和溝槽向西側排泄，補給柳江，該層初見水位基本位于基巖面上下，大部分具6～8m的承壓水頭，穩(wěn)定水位高程約在75.92～77.81m之間。

其中孔隙水、巖溶裂隙水具有一定的水力聯(lián)系，具互補性。勘察期間正值雨季，場地地下水較為豐富。

3 高壓旋噴灌漿加固處理設計

3.1 基本設定

（1）設計樁徑：高壓旋噴樁直徑D=600mm。

（2）高壓旋噴樁樁身抗壓強度為5MPa，有效樁長不小于10m。

（3）高壓旋噴樁大部分采用正方形布樁，局部地帶采用矩形布樁。

（4）設計要求：高壓旋噴樁灌漿加固處理后復合地基承載力特征值fspk≥220kPa。

3.2 設計計算

3.2.1 單樁豎向承載力特征值（Ra）估算

（1）由樁周土側阻力和樁端端阻力提供的單樁豎向承載力（Ra1）：

式中：up——樁的周長，m，up=πD=1.88 m；

n ——樁長范圍內所劃分的土層數(shù)；

qsi——樁周第i 層土的側阻力，kPa；

qp——樁端端阻力特征值，kPa，按照設計要求，以破碎石灰?guī)r為樁端，取qp=280kPa；

li——第i 層土的厚度，m；

αp——樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，應按照地區(qū)經(jīng)驗確定，取αp=0.50；

Ap——樁的截面積，(D 為旋噴樁直徑)。

經(jīng)賦值計算，Ra1=421.07kN。

（2）由樁身強度確定的單樁豎向承載力（Ra2）：

式中： fcu——樁身試塊（邊長150mm立方體）標準養(yǎng)護28d 立抗壓強度平均值，kPa，設計樁身抗壓強度為5MPa；

λ——樁身強度折減系數(shù)，可按照地區(qū)經(jīng)驗取值，取λ=0.25。

單樁豎向承載力取Ra1、Ra2的較小值，即Ra1=Ra2=353.75kN。

3.2.2 樁土面積置換率（m）計算

式中：fspk——處理后復合地基承載力特征值，fspk≥220kPa；

λ——單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取λ=1.0；

β ——樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取β=0.85；

fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa，取fsk=fak=60kPa。

經(jīng)賦值計算，置換率m 為13.2%。

3.2.3 確定樁間距S

（1）正方形布樁：

de=1.13S

（2）矩形布樁：

式中：d ——樁身平均直徑，m，d=0.60m；

de——一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑；

S、S1、S2——樁間距、縱向樁間距和橫向樁間距，m。

經(jīng)賦值計算，采用正方形布樁時，樁間距S=1.45m；采用矩形布樁時，S1=1.5m，S2=1.33m。

3.3 設計加固范圍

設計加固范圍分為縱向深度加固范圍和橫向水平加固范圍兩個部分。

（1）設計縱向深度加固范圍：按照業(yè)主要求，設計縱向深度加固范圍：自最下一層溶洞底板以下0.50m至最上一層溶洞頂板以上、進入卵石層1.00m。

（2）設計橫向水平加固范圍：依據(jù)業(yè)主提供的“16#樓溶洞分布示意圖”，所有溶洞分布范圍均為加固范圍。

4 工程施工技術

4.1 高壓旋噴灌漿加固處理的機理

高壓旋噴灌漿加固處理的機理：水泥漿液在高壓泵和空壓機提供風壓共同作用下，對全充填溶洞、半充填溶洞的軟塑狀粘土進行高壓噴射切割，使水泥漿液與粘土顆粒充分攪拌、凝結與硬化，形成結構穩(wěn)定、壓縮性低、承載力較高的復合地基土；而對于無充填溶洞，水泥漿液先填充滿空洞，再對其高壓旋噴灌漿處理，同樣能夠形成結構穩(wěn)定、壓縮性低、承載力較高的復合地基土，達到提高巖溶發(fā)育部位（軟弱層）的地基承載力和穩(wěn)定性的目的。

4.2 高壓旋噴灌漿法和施工工藝

（1）高壓旋噴灌漿法的選用：為確保高壓旋噴灌漿加固處理質量和效果，要求采用二重管法施工。

（2）高壓旋噴灌漿的施工工序為：場地平整→測量放樣，確定樁位→錨桿鉆機或地質鉆機造孔→高壓旋噴灌鉆機就位安裝→下入噴射注漿管→旋噴灌漿作業(yè)→拔管→沖洗機具等。

4.3 高壓旋噴孔機械鉆進成孔技術

（1）測量放樣，確定高壓旋噴灌漿孔位：由測量工程技術人員按照甲方提供的設計圖紙，依據(jù)測量操作規(guī)程要求，采用測量儀器測量放樣，確定孔位，測量允許偏差應控制在20mm以內。

（2）鉆機就位安裝要求：鉆機立軸中心應與鉆孔中心保持在同一鉛垂線上，即對好孔位，要求鉆機水平、周正、穩(wěn)固，鉆進過程中不得發(fā)生傾斜或移位現(xiàn)象。鉆機安裝允許偏差控制在50mm以內。

（3）施工機械設備選用：施工單位應根據(jù)自有施工技術裝備，結合以往類似工程施工經(jīng)驗，可選用錨桿鉆機或地質鉆機造孔、旋噴樁專用設備旋噴灌漿作業(yè)。

（4）高壓旋噴孔鉆進成孔技術：土層采取沖擊取芯鉆進法進行機械成孔；為確保鉆孔孔壁穩(wěn)定，卵石層可采取泥漿護壁、氣動潛孔錘隨鉆跟管鉆進成孔；基巖可采用金剛石或復合片鉆進。因本巖溶軟弱層上部有一層厚6～9m 的卵石層，開孔直徑應選用?150mm 鉆頭開孔，同時考慮終孔直徑應大于高壓旋噴頭直徑，鉆孔直徑應不小于?75mm。

（5）鉆孔深度控制：鉆孔深度應參考附近勘察孔資料，終孔深度以進入最下層溶洞底板為準，鉆入底板以下基巖深度控制50cm 以上。如發(fā)現(xiàn)實際鉆孔巖層性質與勘察孔不一致時，應及時與現(xiàn)場建設、監(jiān)理、勘察單位協(xié)調一致，確定最后鉆孔深度。

（6）鉆孔垂直度偏差控制：因鉆孔傾斜會影響相鄰兩個旋噴孔旋噴灌漿加固質量或效果，鉆孔垂直度偏差要求控制在1/100以內。

4.4 高壓旋噴灌漿加固技術

（1）正式施工前，旋噴灌漿的技術參數(shù)應根據(jù)土質條件、加固要求，通過現(xiàn)場試驗或根據(jù)以往施工經(jīng)驗確定，并根據(jù)施工現(xiàn)場條件適當調整。雙管法高壓水泥漿的壓力要求大于20MPa，流量45～55L/min，氣流壓力要求大于0.7MPa，提升速度要求控制在0.1～0.2m/min。

（2）當噴射注漿管下入受灌地層中，當噴嘴達到設計標高時，即可噴射灌漿。在噴射灌漿參數(shù)達到規(guī)定值后，隨即按照旋噴工藝要求，提升噴射管，自下而上分段旋噴灌漿。噴射管分段提升的搭接長度要求不得小于100mm。

（3）對于需要局部擴大加固范圍或提高強度的部位，可采取復噴措施。

（4）在旋噴灌漿過程中，如出現(xiàn)壓力驟然下降、上升或冒漿異常時，要求查明原因并及時采取措施。

（5）泥漿或廢漿管理直接影響施工現(xiàn)場文明施工，須在施工前做好規(guī)劃，做到有計劃地堆放或廢漿及時排出現(xiàn)場；施工中應做好泥漿或廢漿處理，及時將廢漿運出或在現(xiàn)場臨時堆放后作土方運出。

（6）施工中應嚴格按照施工技術參數(shù)和材料用量施工，用漿量和提升速度應采用自動記錄裝置，并做好各項現(xiàn)場施工記錄工作。

（7）旋噴注漿完畢后，或在噴射注漿過程中因故中斷，短時間（小于或等于漿液初凝時間）內不能繼續(xù)噴漿時，均應立即拔出注漿管清洗備用，以防漿液凝固后拔不出管。

（8）自檢與補強：高壓旋噴灌漿加固處理完成后，應根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，主要選取在地層吸漿量、冒漿等異常情況的部位，或地層情況復雜可能影響旋噴灌漿質量的部位，且為非旋噴灌漿區(qū)域，確定旋噴灌漿質量檢測部位進行自檢。如發(fā)現(xiàn)自檢不合格時，應按照原旋噴灌漿質量要求重新旋噴灌漿補強處理，直到合格為止。

4.5 灌漿材料及配比

（1）灌漿材料：本次高壓旋噴灌漿加固處理工程所用的水泥為強度等級P.O 42.5MPa及以上的普通硅酸鹽水泥，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況需要加入適量的外加劑及摻合料。外加劑及摻合料的用量，應通過現(xiàn)場試驗后確定。

（2）旋噴灌漿用水泥漿為現(xiàn)場機械攪拌，水灰比要求控制在（0.8∶1）～（1.0∶1）；水泥滲入量須不小于300kg/m。

4.6 高壓旋噴灌漿異常情況處理

在旋噴灌漿過程中出現(xiàn)下列異常情況時，須查明原因并采取相應措施：

（1）流量不變而壓力突然下降時，應檢查各部位的泄漏情況，并應拔出注漿管，檢查其密封性能。

（2）出現(xiàn)不冒漿或斷續(xù)冒漿時，若系土質松軟如溶洞內流塑狀—軟塑狀粘土時，則視為正常現(xiàn)象，可適當進行復噴；若系附近有空洞、通道，則應不提升注漿管繼續(xù)注漿直到冒漿為止或拔出注漿管待漿液凝固后重新注漿。待填滿巖溶空洞后，再繼續(xù)正常旋噴灌漿作業(yè)。

（3）壓力稍有下降時，可能是注漿管被擊穿或有孔洞，使其噴射能力降低。此時應排出注漿管進行檢查，排除故障。

（4）壓力陡增超過最高限值、流量為零、停機后壓力仍不變動時，則可能是噴嘴堵塞；應拔管疏通噴嘴。

5 工程質量監(jiān)控

因16#樓屬高層建筑，該巖溶軟弱層高壓旋噴灌漿加固處理工程屬隱蔽工程，應對其高壓旋噴灌漿加固施工全過程的監(jiān)控。監(jiān)控主要內容有：

（1）高壓旋噴樁間距、鉆孔深度、垂直度等是否滿足設計要求；

（2）高壓旋噴灌漿所用材料及其水灰比是否符合設計要求；

（3）旋噴樁的施工工藝（雙重管法）及其參數(shù)是否選擇適當；

（4）雙重管法噴射灌漿過程中，高壓水泥漿泵壓力及其流量、氣流壓力、旋噴管的轉速、提升速度等是否符合設計和施工規(guī)范要求；

（5）在噴射灌漿過程中，如出現(xiàn)壓力驟然降低、上升或冒漿異常（現(xiàn)場冒漿在10%～20%屬于正常現(xiàn)象，如大于20%屬于異常現(xiàn)象，但完全不冒漿也是異常現(xiàn)象），應及時查明原因并采用有效措施，方能繼續(xù)噴射灌漿。

6 工程質量檢驗

高壓旋噴灌漿加固處理完成28d后，由業(yè)主委托有相應檢測資質的檢測單位對該樓巖溶軟弱層的灌漿質量進行檢驗。檢驗內容包括：旋噴固結體的整體性和均勻性、有效直徑及其強度。檢驗方法可采用鉆孔取芯、標準貫入試驗、動力觸探等方法進行檢驗。經(jīng)檢測單位檢測，鉆探取芯看，采取上來的芯樣呈短柱狀、團塊狀，水泥漿在溶洞充填物中分布較均勻，局部孔段（空洞部位）為純水泥柱；從重型圓錐動力觸探試驗的錘擊數(shù)看，每貫入10cm錘擊數(shù)7～10擊，局部孔段的錘擊數(shù)超過20 擊，其復合地基承載力特征值fspk≥220kPa，滿足設計要求。

7 結語

該樓樁筏基礎底部存在巖溶軟弱層，經(jīng)高壓旋噴灌漿加固處理后形成結構穩(wěn)定、壓縮性低、承載力較高的復合地基土，提高巖溶發(fā)育部位（軟弱層）的地基承載力和穩(wěn)定性。