注漿加固處理液化地基試驗研究

宋克英 張 凱 張 啟

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

0 引言

地基土的承載能力主要來自土的抗剪強度，而砂土或粉土的抗剪強度主要取決于土顆粒之間形成的骨架作用。地震時飽和砂土地基可能發生液化現象，造成建筑物的地基失效，發生建筑物下沉、傾斜甚至倒塌等現象[1]，這會給國民經濟造成重大損失，同時也會對人身財產安全構成嚴重威脅。因此，對于可能產生液化的地基，必須采取相應的工程措施加以防治。根據地基土的性質，對于可液化地基，可以采用換填、強夯、振沖、振動加密、擠密碎石樁、膠結、設置排水系統等方法處理地基[2-5]。振動沉管碎石樁及振沖碎石樁的擠密、排水效應可以消除土層液化，是處理可液化地基土的有效方法，因而在工程中得到廣泛應用[6]。

影響土體液化的主要因素有：砂士級配及密實度、初始應力狀態、動荷載性質、臨界孔隙比等。國內外學者對此進行了相關研究。Martinez等[7]采用間歇與連續注漿兩種方式分別對0.5 m砂柱進行了MICP加固，結果表明,間歇式注漿能夠實現砂柱的均勻加固；周海林等[8]研究砂土振動原理，通過試驗發現振動注漿可有效達到加固；黃 雨等[9]基于Biot固結理論，建立了一種平面應變條件下隧道地震液化變形的數值模擬方法，為工程場地抗震設計及液化防治提供了科學依據。麻 強[10]、艾英缽等[11]對注漿加固處理液化地基進行了研究；帥華國等[12]將注漿法處理液化地基應用于工程實踐中。

本研究借鑒前人工作成果，對注漿加固處理液化地基注漿參數及檢測效果進行了試驗研究和應用，補充分析了注漿前后剪切波速對比結果。立足地鐵車輛段項目，形成了注漿加固原理、注漿設計、注漿試驗、注漿施工工藝、注漿加固檢測等一套注漿處理液化地基成果，具有較好的推廣應用價值。

1 工程概況

北京地鐵某車輛段地面以下20 m范圍內飽和粉細砂②5層為可液化地層，其余飽和砂土、粉土均不液化，液化等級為輕微—中等(局部為嚴重)，液化深度為地面下1.0～10 m范圍內，遍布整個車輛段。設計采用振沖碎石樁進行處理，當碎石樁施工至場地C區鄰近居民房屋時，有居民反映房屋有開裂現象，開裂平房與碎石樁施工的水平距離為16～58 m，經過現場踏勘無法鑒定房屋開裂是否因碎石樁施工影響而導致，受其影響現場無法繼續采用振沖法施工。因此，要改用其他可行的方案進行處理，針對本項目具體情況，擬采用注漿加固的方法處理C區剩余部位的可液化地層。

2 地質條件

施工C區典型地質剖面見圖1，地表以下1.5～2.2 m為素填土①層，1.5～5.0 m為②1層粉質黏土、②層粉土，3.5～9.5 m為可液化飽和粉細砂②5層，②5層以下為②3層粉細砂層或③4層中粗砂層，③4層以下為粉質黏土④層、中粗砂⑤1層、粉質黏土⑥層。

圖1 施工C區典型地質剖面圖

本場地賦存兩層地下水，分別為潛水(二)和承壓水(三)，潛水(二)水位埋深2.83～6.50 m，水位標高13.33～16.87 m，含水層為粉土②層、粉細砂②3層、粉細砂②5層；承壓水(三)水頭埋深15.70～16.53 m，水頭標高為1.98～5.30 m，含水層為中粗砂③4層、中粗砂⑤1層。根據詳勘報告，施工C區范圍內一共有6個勘察鉆孔對②5層飽和粉細砂進行了液化判別(見表1)，②5層飽和粉細砂液化等級為中等，液化指數為8.6～11.6。

表1 施工C區②5層飽和粉細砂液化判別表

3 注漿加固現場試驗

施工C區為碎石道床區，設計要求部分消除液化，處理后液化指數不大于5.0，滿足輕微液化即可?，F場選擇施工C區范圍內液化較不利位置進行注漿加固試驗，試驗區②5層飽和粉細砂厚度約為5.3 m，液化指數為10.5～10.6，液化等級為中等液化。

3.1 注漿加固原理

注漿法主要是通過地下水的滲流作用將具有膠凝作用的漿液傳輸到指定部位，進而實現土體的固化，以提高土體的強度[10]。對消除或減輕地震液化的地基加固，可采用水泥混合漿，以一定的灌漿壓力使漿液材料均勻滲透到土體孔隙中，形成球形或橢圓形漿泡，離漿泡較遠處的土體在注漿壓力和漿液滲透力作用下發生彈性變形，從而也得到擠壓加密；漿泡球體則通過滲透填充和水化反應形成漿結石，改善原液化土層的工程特性[13]。

3.2 注漿加固設計

外圍注漿孔間距為1.0 m，漿液材料為水泥漿+水玻璃；內部注漿孔采用正三角形布置，孔間距分別為1.7 m、1.5 m，漿液采用純水泥漿，水灰質量比為1∶1。注漿深度為9.6 m，注漿厚度為5.3 m。注漿孔間距1.7 m的試驗注漿壓力控制在1.0 ～1.5 MPa，注漿孔間距1.5 m的注漿壓力控制在0.5 ～1.0 MPa。

采用φ42 mm注漿管注漿，在注漿結束15 d后進行檢驗，采用標準貫入試驗和地層描述對液化和注漿加固效果進行評判。在內部注漿孔間距Sin分別為1.7 m、1.5 m區域的各注漿孔三角形中心分別選擇8個點進行標準貫入試驗。注漿試驗孔及檢驗點布置見圖2。

圖2 施工C區注漿試驗孔及檢驗點平面布置(單位：m)

3.3 注漿加固檢測

注漿孔間距Sin=1.7 m時粉細砂②5層液化判別見表2，間距Sin=1.5 m時粉細砂②5層液化判別見表3，其中地下水位dw=0 m，黏粒含量百分率ρc=3，調整系數β=0.80，液化判別標準貫入錘擊數基準值N0=12[14]。

表2 內部注漿孔間距Sin=1.7 m時標準貫入試驗結果

續表

表3 內部注漿孔間距Sin=1.5 m時標準貫入試驗結果

續表

由表2和表3可知，不同深度標準貫入試驗錘擊數實測值N均大于標準貫入錘擊數臨界值Ncr，整個施工場區地基土無液化。

4 注漿加固施工設計及效果檢測

4.1 注漿加固設計參數

(1)注漿孔間距

注漿范圍在基礎外擴寬度不應小于基底下液化土層厚度的1/2，注漿外圍區域一排注漿孔間距為1.0 m；施工時內部注漿孔正三角形布置，間距為1.5 m。雖然注漿孔試驗間距為1.7 m也符合要求，但在試驗注漿壓力為1.5 MPa時有一定的地面隆起、開裂現象，本次注漿不采用1.7 m的間距。

(2)注漿加固深度

注漿加固深度為10.5 m，注漿厚度為6.0 m。注漿孔深度根據場區實際標高換算，并以基底下可液化土層厚度控制注漿厚度。

(3)注漿壓力

注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa。

(4)材料配比

外圍注漿孔漿液采用水泥漿+水玻璃，以防止漿液竄跑，每立方米漿液中水∶水泥∶水玻璃質量比為726.5∶600∶100；內部注漿孔漿液采用純水泥漿，水灰質量比為1∶1。

4.2 C區注漿加固抗液化處理效果

(1)標準貫入試驗檢測結果

注漿施工結束后，采用標準貫入試驗進行處理后的地基檢驗，樁間土的檢測位置在等邊三角形的中心，檢測深度不小于地基處理深度，施工C區共有樁間土標準貫入試驗22孔(不含試驗區)，單孔貫入深度為10.45 m，其中有20孔的標準貫入試驗錘擊數N(未經桿長修正)大于液化判別標準錘擊數臨界值，樁間土不液化；另外2孔(17#孔、36#孔)標準貫入試驗錘擊數N(未經桿長修正)小于液化判別標準錘擊數臨界值，樁間土判定為液化土，液化指數分別為0.26和0.62，液化等級為輕微液化。施工C區22孔的標準貫入試驗檢測數據統計結果見表4。

表4 施工C區注漿加固后樁間土標準貫入檢測數據統計表

由表4可知，僅當ds=4.45 m時，有部分標準貫入試驗錘擊數實測值N小于標準貫入試驗錘擊數臨界值Ncr，其他標貫深度條件下，標準貫入試驗錘擊數實測值N均大于標準貫入試驗錘擊數臨界值Ncr，整個施工場區地基土為無液化—輕微液化。22個標準貫入試驗中僅有2孔的樁間土判別為液化土，液化指數為0.26及0.62，IlE小于5滿足設計要求，這驗證了施工參數選擇的正確性與合理性，注漿加固抗液化處理效果良好。17#、19#鉆孔的檢測結果見表5。

表5 17#、19#鉆孔標準貫入檢測結果

(2)注漿前后樁間土等效剪切波速對比

在施工C區注漿場地范圍內，在合適位置間隔選擇4個鉆孔，鉆孔深度均為10 m，測試注漿前后的剪切波速，其結果對比見表6。

表6 注漿前后等效剪切波速對比表

從表6中可以看出：注漿后飽和粉細砂②5層的等效剪切波速較注漿前均有一定的提高，降低了地基液化的可能性[15-16]。

5 結論

(1)本工程采用注漿加固處理液化地基的檢測結果說明，處理后地基土的標準貫入試驗擊數、等效剪切波速均有較大提高，可以達到消除液化的目的。

(2)壓力注漿固化法處理液化地基技術，解決了施工振動、噪音、空間條件限制等特殊環境條件下液化地基處理問題。

(3)注漿加固技術參數、施工工藝應結合地層條件、覆蓋層厚度等情況經試驗確定。