水泥工程膨脹土基礎沉降與抬升的原因分析及治理

李春華

1 前言

膨脹土（expansive soil）亦稱“脹縮性土”，是一種高塑性黏土，一般承載力較高，但具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發育等特性，脹縮極不穩定。位于膨脹土之上的建筑物，常常產生不均勻的豎向或水平的脹縮變形，使建筑物發生位移、開裂、傾斜甚至破壞。

2 項目概況

非洲某水泥廠項目，由詳勘資料可知，整個水泥廠場區均存在膨脹土，且為高膨脹性。受膨脹土影響較大的項目子項基礎情況及設計處理方案如下：

石灰石預均化堆場、輔料預均化堆場、原煤預均化堆場三個子項的埋深均為-2.5m，采用獨立基礎；原料配料站、窯頭、煤磨、原料磨四個子項埋深均為-5.1m，其中，原料配料站為整板基礎，窯頭為筏板基礎加獨立基礎，煤磨為筏板基礎，原料磨為獨立基礎。這七個子項，為防止因膨脹土導致的基礎沉降，均設計了如下處理方案：基礎底面采用1 400mm厚角礫土壓實換填，壓實系數為0.95，并做好防水處理。換填土下面為第3層粘土層，地基承載力特征值fak=250kPa。

3 現場基礎沉降情況

3.1 雨季施工發生基礎沉降的情況

該項目于2017年5月建成投產。在2015年10月～2016年4月，當地經歷了漫長的雨季，連續降雨導致在這段時間內施工的石灰石預均化堆場網架基礎、原料磨磨機基礎、窯頭篦冷機等多個車間的基礎產生了不均勻的沉降或抬升。最大沉降發生在石灰石堆場車間，下沉量為-97mm；最大抬升發生在輔料堆場車間，抬升量為107mm。石灰石堆場產生沉降或抬升的基礎情況見圖1，石灰石堆場T7號基坑情況見圖2。

圖1 石灰石堆場產生沉降或抬升的基礎

圖2 石灰石堆場T7號基坑

3.2 雨季前完成回填的基礎的沉降情況

雨季前，現場有數個子項已經完工，對這些完工的子項進行沉降觀測記錄，與前面介紹的雨季期間施工發生的基礎沉降情況進行對比分析。

選取已經完工的行政辦公樓、CPP油罐及總降壓變電站三個子項進行沉降觀測。其中，行政辦公樓（設6個觀測點）的基礎最大抬升量為3mm，且僅有一處，另外三處為1mm，兩處為0mm；CPP油罐（設4個觀測點）基礎最大沉降量為4mm，最大抬升量為5mm，其余均在兩者之間；總降壓變電站（設4個觀測點）基礎無明顯沉降。這三個子項均在雨季來臨前完成了基礎回填，而且散水及其他排水措施做的比較好，有效防止了雨水對土壤的滲透。

由此可見，雨季期間施工的基礎發生了嚴重的沉降，而雨季前完工的基礎沉降輕微或者沒有沉降，二者形成鮮明對比。

4 問題原因分析

通過工程測量、鉆孔勘察、現場開挖三種方式，對多個子項的基礎進行觀測發現，雨季前完成回填且排水良好的基礎均無沉降問題，而雨季施工及未及時回填的基礎有嚴重沉降或抬升。由此得知，造成該項目基礎沉降或抬升的主要原因有以下三個方面，這也是日后其他膨脹土區域建設項目需要特別注意的關鍵點。

（1）排水問題。泡水基坑沒有及時排水或排水不徹底，導致雨水進入膨脹土層。

（2）回填問題。本項目基礎施工時正值雨季，基礎回填后，沒有對地表采取有效防水抗滲措施。

（3）壓實質量問題。多次檢測發現，回填壓實不合格，沒有達到設計要求。

5 處理措施

因該項目涉及工期、成本、索賠等一系列問題，經過多方多次分析研判，比選了換土、土性改良、灰土樁、水泥樁加固及拆除重建等方案后，最終確定采用注漿方案進行基礎加固處理。

該項目注漿技術執行中國標準，主要對基礎基底泡水后的換填土層進行注漿加固處理。需要處理的子項包括石灰石預均化堆場、輔料預均化堆場、煤預均化堆場三個車間的網架柱獨立基礎及軌道基礎，原料配料站的整板基礎，原料磨輥磨以及黃料庫庫壁基礎共六個子項基礎。

就石灰石預均化堆場而言，堆場直徑100m，均勻布置36個網架獨立基礎，共有15個基礎發生沉降或抬升。這15個基礎經過兩次注漿后才達到穩定，其余車間基礎均一次注漿后即達到穩定。下文將以石灰石預均化堆場T7號基礎為例進行分析說明。

5.1 第一次注漿方案

（1）注漿平面布置。采用φ90mm的注漿孔，內插φ80mm鋼套管，與水平面成45°的傾角注漿，每孔注漿量≮260L，注漿孔豎向間距為900mm。第一次注漿平面布置及注漿傾角示意分別見圖3、圖4。

圖3 第一次注漿平面布置圖（T7）

圖4 注漿傾角示意圖

（2）注漿參數。水泥漿液配比為W：C=1:1，注漿壓力為0.4～0.6MPa。

（3）注漿量控制。當注漿量達到設計量，注漿壓力滿足約0.5MPa時，終止注漿。

（4）注漿順序。先注外圍，后注內部，以防漿液流失；為防止鄰孔串漿，按隔孔注漿方式進行。

5.2 第二次注漿方案

第一次注漿后，除石灰石預均化堆場獨立基礎仍存在沉降或抬升外，其余車間基礎的沉降或抬升都較小，達到穩定程度，不需再注漿加固。為此，石灰石預均化堆場獨立基礎需采用鋼花管工藝進行第二次注漿。鋼花管注漿施工工藝是目前注漿處理地基的一種常用方法，它集中了壓（擠）密注漿法和滲入注漿法的優點，能進行定深、定量、分段、間歇注漿，適用于多種地質條件下的地基注漿加固，同樣適用本項目。

（1）注漿平面布置。鋼花管垂直于水平面注漿，每孔注漿量≮800L，注漿壓強為0.1MPa，注漿孔間距為1 100mm。第二次注漿平面布置見圖5。

圖5 第二次注漿平面布置圖（T7）

（2）灌注材料及配比。用P·O42.5R普通硅酸鹽水泥作灌注主料，保證各種灌注材料的合理配比。在施工中使用的灌注材料配比（重量比）如下：

固管漿料為單液水泥漿，水：水泥配比為1：1.5。水玻璃或氯化鈣作速凝劑。

在花管注漿的漿液中，水泥與水的配比為1～0.6：1，先稀漿后稠漿。

（3）施工工藝流程。將鋼花管采用振動方式沉入待注漿地層→固管止漿、安裝注漿軟管→待凝→壓力灌漿→終止灌漿→壓力注漿監測。鋼花管結構示意圖見圖6。

圖6 振動沉入φ42mm鋼花管示意圖

鋼花管施工的優點是，施工設備易采購，大面積施工設備來源多，不會因采購設備而影響施工進度；缺點是，在有地下障礙物時，鉆進效率易受影響。本項目不存在地下障礙物，故采用此方式。

6 檢測評價

以石灰石預均化堆場、輔料預均化堆場兩個車間為例，對注漿加固效果進行評價分析。

6.1 SPT檢測對比分析

注漿后的SPT檢測值與地勘實驗值的結果對比見表1。由表1可知，第一次注漿后，石灰石預均化堆場泡水后的換填土SPT值，由3.750提升至11.375，輔料預均化堆場泡水后的換填土SPT值，由5.875提升至9.625。經檢測，石灰石預均化堆場獨立基礎自第二次注漿后，未發生明顯抬升或下沉，滿足網架安裝要求。經注漿加固后的地基土，標貫值和地基承載力明顯提升，滿足設計要求，加固效果良好。

表1 注漿后SPT檢測值與地勘實驗值結果對比

6.2 地基承載力分析

兩個網架基礎設計承載力特征值fak要求分別為：石灰石預均化堆場fak=120kPa；輔料堆場fak=140kPa。根據SPT值與地基承載力特征值的關系，通過對比分析SPT的設計值與注漿加固后的實測值可知，現場SPT實測值大于或接近設計值，滿足地基承載力要求。

6.3 注漿量分析

輔料預均化堆場B14基礎試驗結果表明，注漿率為10%，注漿量為2 570L時，地基承載力特征值fak=175kPa，滿足設計要求。反推其他基礎，注漿量=注漿率×換填土體積。

注漿加固的基礎，多數出現抬升或地面冒漿的現象，證明這些基礎基底漿液已經飽和。未出現抬升，也未出現地面冒漿的基礎，注漿量和注漿率都已超過設計要求，為避免基礎抬升，終止注漿。綜上所述，兩個堆棚網架基礎的注漿量和注漿率基本超過設計要求。輔料堆場和石灰石預均化堆場設計注漿量與實際注漿量對比見表2。

表2 設計注漿量與實際注漿量對比

6.4 沉降觀測分析

在注漿前需要進行加固的基礎，在沒有施加上部荷載時，均發生了沉降或抬升，相對于其他基礎，這些基礎的地基較為薄弱。沉降測量結果顯示，這些基礎進行注漿加固后，在已經施加了上部荷載的情況下，沉降量較小，滿足規范要求。石灰石預均化堆場網架典型基礎沉降觀測記錄見表3。

6.5 工期與費用

本項目注漿加固工作由非洲當地的一家中國公司承擔，從2016年9月開始，到2017年初結束，共歷時3個多月，完成全部注漿工作。

*表3石灰石預均化堆場網架典型的基礎沉降觀測記錄

整個注漿加固工作的材料費、機械費、檢測費等全部費用均控制在預算范圍內，且少于樁基或其他加固方案的預算。從費用方面也證明了注漿加固方案的經濟性和合理性。

7 結語

該水泥廠項目的基礎沉降處理案例說明，注漿加固方案可以有效地解決膨脹土導致的基礎下沉和抬升問題，這種方案具有顯著的適用性、合理性和經濟性，尤其在現場施工條件受限、機具種類有限的約束情況下，更具有施工簡單易行、加固效果顯著的優勢，可供日后處理類似問題參考。

膨脹土是一種特殊土，常用的地基處理還有換土、土性改良、灰土樁加固、水泥樁加固等方法，在完成加固方案工程施工的基礎上，還應做好地表的防滲與排水、保證回填土質量等工程措施，將膨脹土不利影響控制到最小程度。不管哪種處理方案，都應綜合考慮現場的沉降情況、當地的機具條件、工期、費用、施工水平等，并通過多方案比選，最終確定出安全、合理、經濟、適用的解決辦法。