西北濕陷性黃土區劈裂注漿試驗及地基加固應用

羅小博 宋彧 郭啟明

摘? ?要：為驗證劈裂注漿加固法在處理西北濕陷性黃土地基的有效性與實用性，并指導安全施工，首先在加固建筑物所在場地進行劈裂注漿現場試驗，56 d后分別對天然地基與注漿后復合地基進行靜載荷試驗;在此基礎上，進行30 d浸水試驗，采集注漿微觀圖、承載力及濕陷量等原始數據. 利用試驗結果，并結合現場待加固建筑，用同種材料及試驗方法等對其進行糾傾加固. 結果表明：在一次注漿最大壓力為0.3 MPa、二次注漿最大壓力為0.6 MPa的條件下，采用1 ∶ 1（質量比）水泥漿液的鋼花管兩次、分層劈裂注漿法表現出了良好的劈裂效果;劈裂注漿法加固處理后的黃土地基承載力較原有地基提高了近3倍，極大地改善了黃土的工程性質;注漿后能夠有效消除黃土超過67%的濕陷性;建筑物發生均勻沉降，穩定性較好. 同時，提出了一種適用于樁徑較小的基于樁土應力比計算的復合地基沉降計算新方法.

關鍵詞：劈裂注漿;地基加固;濕陷性黃土;現場試驗;沉降計算

中圖分類號：TU472.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Split Grouting Test and Application of Foundation Reinforcement

in Collapsible Loess Area in Northwest China

LUO Xiaobo，SONG Yu，GUO Qiming

（College of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Abstract：In order to verify the effectiveness and practicability of splitting grouting reinforcement method in treating collapsible loess foundation in northwest China，and to guide the safety construction，firstly，the split grouting field experiment was carried out on the site where the reinforced building is located. After 56 days，static load tests were carried out on? ?the natural foundation and the grouting composite foundation. On this basis，a 30-day immersion test was carried out to collect the raw data such as grouting micrographs，bearing capacity and collapsibility. According to the test results，combined with the on-site building，the same materials and test methods were used to correct the tilting and reinforce the building. The results showed that： under the condition? that the maximum pressure of primary grouting was 0.3 MPa and the maximum pressure of secondary grouting was 0.6 MPa，the method of split grouting with steel tube with mass ratio 1 ∶ 1 cement slurry and split grouting in two layers showed a good splitting effect. The bearing capacity of the loess foundation strengthened by splitting grouting method was nearly three times higher than that of the original foundation，which greatly improved the engineering properties of the loess. After grouting，more than 67% loess collapsibility could be effectively eliminated. The building underwent uniform settlement and had good stability. In addition，a new settlement calculation method based on pile-soil stress ratio for composite foundation with small pile diameter was proposed.

Key words：splitting grouting;foundation reinforcement;collapsible loess;field test;settlement calculation

隨著“一帶一路”倡議的不斷推進，從國家發展戰略出發，西北地區贏得了廣闊的發展空間，尤其在建筑工程領域取得了快速發展[1]. 眾所周知，西北地區地質條件主要以濕陷性黃土[2]居多. 該土有別于軟土、黏土等，具有浸水后的原狀黃土微觀顆粒間發生物理、化學反應，原穩定結構遭到嚴重破壞，土體強度明顯下降，在力的作用下產生濕陷性變形等顯著特征，導致建筑結構產生不均勻沉降，影響安全與穩定[3].

目前，在工程結構地基加固方面通常采用的傳統方法有夯實法、灰土墊層法、擠密樁法，但它們分別具有對既有建筑擾動大、易受水侵蝕、施工冗雜及污染環境等缺點，因而在現代化生產中逐漸被棄用. 相應地，新型劈裂注漿法由于具有施工速度快、影響范圍小、經濟效益高等優點，很快被納入地基處理的理論研究與工程實踐應用當中. 周茗如等[4]依據漿液性能試驗及室內模型試驗對水泥基漿料在黃土劈裂注漿中的應用進行研究;周書明等[5]利用洞內超前預注漿方法對隧道拱部淤泥質黏土地層進行加固，效果良好;孫峰等[6]采用劈裂注漿對已沉降變形的地下管道進行抬升處理，并結合三維有限差分數值法對其進行驗證，結果與試驗相吻合;為了提高鋼花管微型樁的水平抗剪及抗彎性能，王開洋等[7]提出了一種二次注漿豎向鋼花管微型樁新技術;周茗如等[8-9]從斷裂力學角度出發，提出了一種黃土劈裂注漿土體裂紋擴展模型，在注漿壓力及土層地應力作用下，漿液在裂紋中形成漿脈，對土體起到骨架支撐作用. Li等[10-14]眾多學者對劈裂注漿理論、試驗及應用方面也進行了大量的研究.

然而，對于濕陷性黃土地區劈裂注漿[15]復合地基的相關研究仍處于起步階段，未見對其穩定性、承載能力及沉降計算進行過確定的分析與評價.各種重要參數只能依靠施工經驗來確定，具有很大的不確定性，甚至對一些施工精度較高的結構來說，其安全性更加無法保證. 基于此，本文以甘肅省定西市某工程場地為研究對象，對劈裂注漿加固后的復合地基進行靜載荷試驗及浸水試驗，并對完工后的建筑物進行沉降監測，提出一種適用于樁徑較小的復合地基的沉降計算新方法，并與傳統計算方法進行對比分析，為今后類似場地同類型地基結構的設計、施工及加固等提供參考.

1? ?工程概況及地質條件

1.1? ?工程概況

甘肅定西地處黃土高原和西秦嶺山地交匯區，試驗場地位于定西北部的黃土丘陵溝壑區，占地面積約1 642.45 m2，濕陷性較強. 此處建有一棟長21.5 m、寬15.8 m、高13.7 m的三層磚混結構建筑物，基礎形式采用條形基礎，埋深1.5 m，設計使用年限為50年.

1.2? ?地質條件

根據相應工程地質勘查報告可知，建筑場地土層自上而下依次分為：素填土（Q4ml）、粉質黏土（Q4al+pl）、黃土狀粉土（Q4eol）及泥巖（N），其基底下各土層示意圖如圖1所示，具體參數見表1.

2? ?劈裂注漿試驗

由于加固工程時間緊迫，且考慮到后續一系列試驗，在該工程場地范圍內（土層分布基本一致）選取某一區域，采用與實際加固工程完全一樣的材料、方法等，進行劈裂注漿基礎性試驗.

2.1? ?原材料及設備的選擇

注漿主要材料選用PO.42.5普通硅酸鹽水泥，物理力學性能指標見表2，采用滿足規范[16]要求的自來水，并依照文獻[17]，按1 ∶ 1水膠（質量）比配制成水泥漿備用.

試驗中常用設備有：水泥攪拌桶、履帶式潛孔鉆車、KS100/120液壓注漿機及耐振型壓力表，主要儀器如圖2所示.

2.2? ?孔位布置、注漿方式及過程

注漿鉆孔直徑取160 mm，孔距800 mm，深度7.2 m，共計23孔，按正三角形布設（避免了單樁置換面積重疊效應的發生，在滿足設計強度要求的前提下，節約成本，使得經濟效益最大化），并對每孔進行編號，如圖3所示.

然后采用底端密封、可拆卸的、用螺紋連接的五等段鋼花管自下而上的兩次分層注漿法，即第一次采用全段開孔鋼花管注漿（如圖4（a）所示），第二次注漿時所用鋼花管僅在末端1.4 m處開孔（如圖4（b）所示）.

為了后續開挖方便且不影響附近注漿孔，選擇圖3中邊緣處的孔1與孔2為研究對象. 一次鉆孔注漿時，在壓力表上控制最大注漿壓力為0.3 MPa，待指針出現明顯回落時，表明孔周土體已被劈裂，此時繼續注入水泥漿液至設計量;1 d后再進行二次鉆孔注漿，分別對第5層、第4層、第3層、第2層、第1層注漿，每次保證最大注漿壓力0.6 MPa，指針有明顯回落時停止注漿;最后對由于吸水下陷的每孔進行補漿，循環4～5次至補滿為止，以保證樁身的完整性.

2.3? ?靜載荷及浸水試驗

2.3.1? ?天然地基與注漿復合地基靜載荷試驗

為了驗證劈裂注漿后地基較天然地基承載效果，需對兩者分別測出Q-s關系曲線，進而對比分析所得特征值大小. 在場地內隨機選取3塊區域作為天然地基，選取注漿56 d后樁身較完整的1號、5號、8號、18號樁作為單樁復合地基. 主要儀器采用：50 t液壓千斤頂、量程為1 cm及精度為0.001 mm的千分表、直徑800 mm及厚度30 mm的圓形鋼載荷板、一輛空載約40 t的雙橋車，如圖5所示.

利用10 kg重的觸探儀錘依據規范[18]選取5點進行輕型動力觸探試驗，測出天然地基的最大加載量約為140 kN;劈裂注漿復合地基可參考文獻[19-20]估算出所需要的最大加載量為400 kN.試驗前期準備就緒后，分9級進行現場加卸載試驗，每級加載量見表3.

2.3.2? ?浸水試驗

為了進一步評價劈裂注漿對黃土濕陷性的消除效果，在原靜載試驗的基礎上，分別在天然地基與注漿后的復合地基上開挖長、寬、高分別為2.8 m、2.4 m及0.3 m的試坑（兩坑浸水互不影響），其中復合地基的開挖位置如圖6所示，試坑內包括10根完整的劈裂注漿樁，且四周均處于漿脈作用范圍之內，以示充分代表劈裂注漿復合地基. 在每個試坑中分別設置4個沉降觀測點，復合地基考慮到漿脈填充擠密作用下樁周土的濕陷性，因此，沉降觀測點的設置要盡量避開樁芯所在位置，設置在樁間土之間，如圖6所示. 距試坑邊10 m處設置2個基準點，分別用于日常觀測及校核.

然后向試坑中注水，水頭控制在15～20 cm，此次浸水試驗共注水30 d，總注水量約為168 m3，現場注水情況如圖7所示.

對浸水階段（30 d）及停止注水階段（30 d）的濕陷量進行統計，記錄如表4 所示.

3? ?試驗結果與分析

3.1? ?劈裂注漿開挖結果分析

注漿7 d后，用挖機開挖試驗孔1和2至3 m深，對裸露的注漿樁芯及樁周漿脈形狀進行初步觀察，并用鋼卷尺測量漿脈擴散距離及其厚度，觀察分層劈裂注漿效果. 現場開挖情況及效果如圖8所示.

從圖8（b）可看出，試驗孔1、2形狀良好且大致呈圓柱形，在樁頂以下24 cm處開始出現不規則形漿脈. 圖8（c）顯示，在同一平面上，漿脈以樁芯為中心向外逐漸擴散，由于上部土層相對疏松，漿脈伸展長度較下部土體亦大，長度控制在39～52 cm;其次，也可清楚地看到，在土層松軟處，且注漿壓力較大時，漿液會在鋼花管開孔處噴射而出，劈裂土體，漿脈近似呈“十”字形分布;當某一側土體松軟時，漿液會優先劈裂松軟土體，涌入大量漿液，使得壓力降低，不易劈裂其他方向上的土體，這時漿脈會近似呈“Y”形分布;各層土體漿脈數量保持在3～5之間;在豎向，上部土體較為松軟，使得漿脈縱向相連，類似“片狀”體，從而增強了漿脈的豎向抗剪能力，同時提高了對樁周土體的擠密作用，使樁土作用更加協調，增強了復合地基的承載能力;靠近樁芯的漿脈厚度較大，無法對其準確測量，粗略估計在4～7 cm之間，遠端漿脈厚度較小，在0.1～0.9 cm之間，如圖8（d）所示. 綜上，在西北濕陷性黃土區采用鋼花管兩次、分層的劈裂注漿方式是可行的，且劈裂效果良好.

3.2? ?靜載荷試驗結果分析

對天然地基區域1、2、3的靜載荷試驗數據進行整理，可得各區域Q-s關系曲線，如圖9所示. 由圖可知，天然地基沉降速率隨荷載增加逐漸增大，說明該地區土質較為均勻;區域1、2沉降曲線較為相近，當荷載增加至140 kN時，二者沉降速率均出現明顯增大，沉降量迅速增加至10 mm，說明已達到天然地基的極限承載能力，取上一級荷載126 kN為其極限荷載;區域3的沉降曲線明顯區別于區域1、2，當荷載超過84 kN后，其沉降速率迅速增加，加載至126 kN時，沉降量迅速增大至10 mm，取上一級荷載112 kN為其極限荷載;與動力觸探試驗結果基本相同，取三者的均值120.8 kPa作為天然地基的承載力特征值.

對1號、5號、8號及18號單樁復合地基靜載荷試驗數據進行處理，可得復合地基Q-s關系曲線，如圖10所示. 曲線顯示，各試樁的沉降曲線基本相同，0～200 kN時均處于線彈性階段，樁土作用協調、共同承擔荷載;200～360 kN時處于塑性階段，土體被壓縮，部分漿脈被剪斷，樁體相對土體開始向下移動;360～400 kN時處于破壞階段，沉降量迅速增大，復合地基喪失原始樁土結構，因此可判斷1號、5號、8號及18號單樁復合地基的極限承載力均為716 kPa，承載力特征值均為358 kPa.

荷載較小時，各試樁的沉降變化高度一致，當加載超過120 kN后，開始出現分化，1號樁與5號樁的沉降速率逐步快于8號樁與18樁，而8號樁的沉降速率變化最為緩慢. 原因是1號、5號樁位于注漿區域的最外側，注漿后的土體依然存在部分缺陷，而位于注漿區域內側的18號樁及中心處的8號樁，由于相鄰樁芯及漿脈的擠密作用，使得土體更加密實，土體缺陷也得到充分彌補，因此其注漿加固效果也更加明顯. 針對此類問題，可適當加大外圍注漿孔的注漿量，以增加外圍土層中的漿脈數量，填充土體空隙，擠密樁周土體，提高承載能力. 與前面天然地基相比，劈裂注漿法加固后的黃土地基承載能力較其提高近3倍，極大地改善了黃土的工程性質，說明該方法用于加固濕陷性黃土地基是可行的.

3.3? ?浸水試驗結果分析

依據表4中所記錄的原始數據，將其繪制成如圖11所示的濕陷量隨浸水時間變化的關系曲線圖. 曲線反映出，天然地基在注水停止5 d后濕陷量增長緩慢且呈現收斂趨勢，劈裂注漿復合地基在注水27 d時就呈現收斂趨勢，濕陷已基本完成，再次注水對其濕陷量影響不大;注水60 d后天然地基的濕陷量達到了111.2 mm，而復合地基的濕陷量僅有36.9 mm，能夠有效消除黃土近67 %的濕陷性.

4? ?復合地基沉降量計算公式推導

前面部分對劈裂注漿（如圖12所示）現場試驗、承載及濕陷性等方面做了研究，并用同樣手段對場地內建筑物進行了地基注漿加固.以此為契機，將試驗數據與實際工程相結合，在樁土變形協調假設[21]的基礎上，提出一種適用于樁徑較小的剛性樁復合地基沉降計算新方法，但其也有一定的局限性，即當樁徑較大時，樁體下沉對樁周土影響較大，此時樁體沉降量與樁周土沉降有所差異，與該計算方法假設相悖.

4.1? ?樁土應力比推導法

與獨立算法相同，該方法認為樁土變形協調一致，在荷載作用下，樁體的沉降等于樁間土沉降ss，而樁體沉降由褥墊層壓縮量su、樁身壓縮量sc及樁端下土體壓縮量sz組成，則滿足式（1）：

su + sc + sz = ss? ? ? ? ? （1）

樁端下土體壓縮量sz可認為由樁端應力作用而成，樁端應力 σz為：

式中：Qp為樁頂荷載，kN;f為樁側摩阻力，kPa;Ar為樁側表面積，m2;Ap為單樁樁身橫截面面積，m2.

則由分層總和法可求得樁端下土體壓縮量sz：

式中：Es j為基底下第j層土的壓縮模量，MPa;zj為樁端下第j層土底部深度，m;αj為基底下第j層土底部的平均附加應力系數.

當樁徑較小時，可認為樁間土沉降ss不受樁側摩阻力影響，僅由樁間土的附加應力σs作用而成，如式（4）.

褥墊層壓縮量su、樁身壓縮量sc則可用樁頂的附加應力σp表示為：

式中：L為基礎長度，m;h為加固區頂部到下臥層頂部的深度，m;Ec為墊層壓縮模量;Ep為樁身壓縮模量，MPa.

聯立式（1）～式（5）可得：

由樁土變形協調可知，樁頂應力σp與樁間土應力σs還滿足關系式：

Nσp Ap + σs As = F? ? ? ? （7）

式中：As為基底樁間土面積，m2;F為上部結構總荷載.

聯立式（6）（7）可得樁土應力比n，將 σs回代入式（4）就可得復合地基的總沉降量.

4.2? ?同期建筑地基注漿加固沉降監測

將建筑物四周各觀測點的沉降數據繪制成圖13所示曲線，表明建筑物基礎發生均勻沉降，整體沉降速率一直減緩，并呈現收斂趨勢，在安全使用范圍之內. 因為測點1、2位于排水溝渠附近，導致其沉降稍大于觀測點3、4，從而證明了劈裂注漿加固方式處理濕陷性黃土地基的有效性.

觀測時間t/d

4.3? ?計算實例及對比分析

由圖13可看出，建筑物沉降基本均勻，因此取其豎向的某一條形基礎進行分析，該條形基礎尺寸及基礎下的注漿樁分布如圖14所示.

計算基礎上部總荷載約為2 800 kN，則求得基底處應力170.73 kPa，土體的自重應力25.35 kPa，因此基底附加應力為145.38 kPa.

由公式（2）求得樁端應力σz為：

再用分層總和法求出sz，沉降計算見表5，可知，sz = 0.191 2σp - 504.051（mm）.

再用分層總和法求出樁間土沉降ss，沉降計算統計見表6，可知，ss = 0.44 σs（mm）.

將各參數代入公式（4）（6）（7），求得最終沉降量為23.945 mm.

考慮到文章篇幅，采用其他計算方法[22]求得劈裂注漿后復合地基沉降量的具體計算過程已省略. 將各方法的沉降計算結果匯總于表7.

以試驗法記錄沉降量為基準值，其他算法誤差相對較大，推導法所得樁土應力比與試驗法基本相同，表明了該方法的實用性.

5? ?結? ?論

1）鋼花管兩次、分層劈裂注漿后，每層土體漿脈數量在3～5之間，呈“Y”形或“十”形分布;在水平方向擴散距離超過約40 cm，相鄰樁體間的漿脈出現相互連接;漿脈豎向相連呈“片狀”，增強了復合地基的整體性與豎向抗剪能力.

2）劈裂注漿法加固處理后（承載力特征值為358 kPa）的黃土地基承載力較原有地基（120.8 kPa）提高了近3倍，極大地改善了黃土的工程性質，也表明了劈裂注漿復合地基應用于工程實踐的可行性.

3）注水60 d后，同一場地劈裂注漿加固方式（濕陷量為36.9 mm）較天然地基（濕陷量為111.2 mm）能夠有效消除黃土超過67%的濕陷性，表明該方法可用于處理濕陷性黃土地基.

4）為劈裂注漿復合地基樁土應力比的確定及沉降計算提供了一種新思路、新方法，且計算簡便、適用性較強.

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