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工程案例

業務范圍

灌漿法在加固處理軟路基中的應用

發布時間：2014-08-05

1　工程概況

廣州市內環路南田東段k1＋229．782～427．647路段（長198m，寬36m～40m）工程地質條件較差，上部地層（主要受力層）主要由雜填土（厚度1．3m～3．2m，平均2．0m）、淤泥或淤泥質土（厚度0．4m～1．4m，平均0．64m）、粉、細砂（厚度0．6m～3．6m，平均1．8m）組成。由于雜填土結構疏松（fk＝90kPa）、淤泥或淤泥質土呈軟～流塑狀（fk＝50kPa）、粉、細砂飽和松散（標貫試驗錘擊數平均6擊，fk＝100kPa），滿足不了上部荷載對路基的要求，因而導致路基在通車后將產生較大沉降。為保證該段路基的穩定，提高地基土強度和變形模量，以滿足上部荷載對地基土承載力的要求，提出了對該段路基采取灌漿加固處理方案。這主要是基于雜填土孔隙大，可灌性好，灌漿后其力學強度、抗變形能力和均一性會有所提高，整體結構得到加強；淤泥或淤泥質土和粉、細砂通過鉆孔灌入濃漿后，使土體壓密和置換；雜填土之上已施工完的30cm厚6％水泥石屑穩定層為良好的灌漿蓋板。

2　灌漿加固機理

灌漿就是要讓水泥或其他漿液在周圍土體中通過滲透、充填、壓密擴展形成漿脈。由于地層中土體的不均勻性，通過鉆孔向土層中加壓灌入一定水灰比的漿液，一方面灌漿孔向外擴張形成圓柱狀漿體，鉆孔周圍土體被擠壓充填，緊靠漿體的土體遭受破壞和剪切，形成塑性變形區，離漿體較遠的土體則發生彈性變形，鉆孔周圍土體的整個密度得到提高。另一方面隨著灌漿的進行，土體裂縫的發展和漿液的滲透，漿液在地層中形成方向各異、厚薄不一的片狀、條狀、團塊狀漿體，縱模交錯的漿脈隨著其凝結硬化，造成結石體與土體之間緊密而粗糙的接觸，沿灌漿管形成不規則的、直徑粗細相間的樁柱體。這種樁柱體與壓密的地基土形成復合地基，相互共同作用起到控制沉降、提高承載力的作用。

3　灌漿設計

3．1　灌漿標準

3．1．1　強度控制標準

灌漿后，雜填土承載力標準值（fk）要求達到130kPa，淤泥或淤質土fk值80kPa～100kPa，粉細砂fk值大于110kPa；復合地基承載力標準值不小于130kPa。

3．1．2　施工控制標準

施工控制標準是獲得最佳灌漿效果的保證。本次灌漿對象之一的雜填土，由于均一性差、孔隙變化大、理論耗漿量不定，故不單純用理論耗漿量來控制，同時還按耗漿量降低率來控制，即孔段耗漿量隨灌漿次序的增加而減少。

3．2　灌漿段選擇

本次灌漿分兩個灌漿段，即第一灌漿段為雜填土范圍；第二灌漿段為淤泥或淤泥質土和粉、細砂范圍。

3．3　漿材及配方設計

漿材采用兩種配方的純水泥漿，在第一灌漿段水灰比為0．5，在第二灌漿段為0．75。若雜填土中局部孔隙較大，導致灌漿量過大時，采用水∶水泥∶細砂＝0．75∶1∶1的水泥砂漿灌注。

3．4　漿液擴散半徑（r）的確定

由于雜填土均一性差，其孔隙率、滲透系數變化大，因而僅用理論公式計算漿液擴散半徑顯然不甚合理，現據大量的經驗數據，暫定r值為1．5m。在現場進行灌漿試驗后進一步確定r值。

3．5　灌漿孔位布置

灌漿孔采取梅花形分布，假定灌漿體的厚度b為1．66m，則灌漿孔距L＝2×（r2－b2／4）1／2＝2×1．52－1．662／4）1／2＝2．5m，最優排距Rm＝r＋b／2＝1．5＋1．66／2＝2．33m。

3．6　灌漿孔孔深

根據工勘資料，暫定孔深3．5m～6．0m，平均約4．5m，以孔底到粘性土層為準。

3．7　灌漿壓力

由于灌漿壓力與土的重度、強度、初始應力、孔深、位置及灌漿次序等因素有關，而這些因素又難以準確地確定，因而本次灌漿的壓力通過灌漿試驗來確定。現據有關公式計算，暫定灌漿壓力在第一、第二灌漿段灌漿時分別為0．1MPa～0．2MPa、0．3MPa～0．4MPa，在灌漿過程中根據具體情況再作適當的調整。

3．8　灌漿量

灌漿量主要與灌漿對象的體積v、土的孔隙率n和經驗系數k值有關，據Q＝k．v．n公式，理論估算雜填土、淤泥或淤泥質土和粉、細砂的單位吸漿量分別為0．35m3、0．28m3和0．18m3。

3．9　灌漿結束標準

在規定的灌漿壓力下，孔段吸漿量小于0．6L／min，延續30min即可結束灌漿，或孔段單位吸漿量大于理論估算值時也可結束灌漿。

4　灌漿施工

4．1　正式施工前準備工作

　　正式施工前，保證設備器具和材料按時到場，著重做好灌漿試驗工作，調整灌漿壓力、漿液擴散半徑、孔距和排距后及時將孔位放樣至實地。

4．2　施工設備機具選型

針對地層條件和設計要求，選擇的主要施工設備機具及材料見表1。

4．3　施工工藝

4．3．1　施工順序

根據多臺機同時作業、現場施工條件、工程地質條件和灌漿方法等，施工順序采取從里往外的方式進行。

4．3．2　施工程序

成孔→安放灌漿管并孔口封堵→攪漿→灌漿→待凝→成孔→安放灌漿管并孔口封堵→攪漿→灌漿→封孔。

4．3．3　施工技術要點

（1）成孔鉆頭（Φ110mm）對準孔位后，采取沖擊成孔的方法鉆進。在雜填土中鉆進時，若孔壁不穩，可下入導管護壁；當鉆進到淤泥或淤泥質土和粉、細砂時，下入導管護壁，然后采取撈砂筒取砂成孔的方法直至下臥粘性土層。

（2）灌漿管安放及孔口封堵灌漿管下端設置0．7m～1．0m長且下端封口的花管，花管孔徑Φ8，孔隙率15％左右；在花管外壁包扎一層軟橡皮，以防流砂涌進花管導致灌漿無法進行。當成孔達到預定深度后，將灌漿管下到位，再用水泥袋放入孔中水穩層底部包裹灌漿管并接觸孔壁即“架橋”，然后投入粘土分層夯實至孔口。

（3）攪漿先往攪拌漿筒內注入預定的水量并開動攪漿機后，再逐漸加入425＃普通硅酸鹽水泥直到預定的用量，攪拌3min～5min后將漿液通過過濾網流到儲漿筒內待灌。

（4）灌漿灌漿采用自上而下孔口封閉分段純壓式灌漿方法，即自上而下鉆完一段灌注一段，直到預定孔深為止。灌漿段的長度以雜填土和淤泥或淤泥質土、粉、細砂厚度來確定；灌漿壓力采取二次或三次升壓法來控制，即灌漿開始采用低壓（小于0．1MPa）或自流式灌漿，對雜填土而言，當吸漿量較大時采取間歇灌漿或用砂漿灌注，終灌時的壓力要達到設計值；灌漿結束標準嚴格按設計執行。

（5）封孔灌漿結束后及時封孔，即第二灌漿段灌漿結束過半小時后，排除孔口封堵物，再往孔內投入砂石直到水穩層頂面，過24h后，若漿液下沉，再補充水灰比0．5的漿液至水穩層頂面。

4．4　特殊情況下的技術處理措施

（1）在灌漿過程中，發現漿液冒出地表即冒漿，采取如下控制性措施：①降低灌漿壓力，同時提高漿液濃度，必要時摻砂或水玻璃；②限量灌漿，控制單位吸漿量不超過30L／min～40L／min或更小一些；③采用間歇灌漿的方法，即發現冒漿后就停灌，待15min左右再灌。

（2）在灌漿過程中，當漿液從附近其他鉆孔流出即串漿，采取如下方法處理：①加大第Ⅰ次序孔間的孔距；②在施工組織安排上，適當延長相鄰兩個次序孔施工時間的間隔，使前一次序孔漿液基本凝固或具有一定強度后，再開始后一次序鉆孔，相鄰同一次序孔不要在同一高程鉆孔中灌漿；③串漿孔若為待灌孔，采取同時并聯灌漿的方法處理，如串漿孔正在鉆孔，則停鉆封閉孔口，待灌漿完后再恢復鉆孔。

5　效果檢驗與評價

5．1　效果檢驗

5．1．1　灌漿資料分析

本次施工路段共完成灌漿孔1209個，計5579．72m，共灌入水泥1855．4t，平均每孔灌入水泥1．535t，平均灌入水泥0．333t／m，第Ⅰ序孔單位耗漿量比第Ⅱ序孔大，并且地面上抬數厘米。

從總灌入量和單位灌入量數據分析，受灌段土體空隙均有大幅度地降低，從而也說明了施工段地層的可灌入性。

5．1．2　靜載荷試驗

施工結束15d后，監理在施工段范圍內選擇了5個代表性地點（其中2個在灌漿點位，2個在兩相鄰灌漿點位中間，1個在相鄰對角灌漿點中間），由廣東省建設工程質量安全監督檢測總站做復合地基壓板（0．5m2）靜荷試驗。當在雜填土頂面單點加載達130kN或140kN即滿足設計要求后便停止加載，這時最大沉降量僅9．31mm～11．70mm，平均10．30mm。表明該點地基土未達極限破壞狀態，說明了施工段復合地基承載力標準值大于130kPa，同時也驗證了雜填土承載力標準值大于130kPa。

5．1．3　鉆孔取芯

　標貫試驗和探槽開挖檢查施工結束半個月后，監理在施工段范圍內選擇了12個鉆孔檢驗點（其中6個鉆孔距灌漿點0．5m，6個鉆孔距灌漿點1．0m），由廣東省建設工程質量安全監督檢測總站進行鉆孔取芯和標貫試驗。從鉆孔取上的芯樣中可見：雜填土中水泥結石較多，并且結石與土體膠結緊密；淤泥或淤泥質土體中水泥結石成團塊狀，有的塊狀結石由淤泥或淤泥質土膠結；粉、細砂中也可見水泥結石，土工試驗表明了其密度有所增加，狀態也由原來的松散狀變為密實狀（e＝0．637）。標貫試驗結果表明：雜填土較密實，平均擊數11．2擊；粉、細砂平均擊數由原來的6擊增加到11擊，承載力標準值也由原來的100kPa增加到148kPa。從探槽開挖剖面可見：雜填土中的水泥結石呈片狀、條帶狀，尤其是雜填土頂面與石屑墊層底面之間和石屑墊層頂面與水穩層底面之間普通充填條帶狀水泥漿石，厚1cm～5cm，構成了路基硬殼表層。

5．1．4　彎沉試驗

在施工段范圍內，正式水穩層施工一周后，由交通部四航局科研所進行了30個點的彎沉試驗，結果彎沉值為0．16mm～0．80mm（平均0．41mm），均小于設計彎沉值0．9mm，完全滿足設計要求。

5．2　效果評價

從上述效果檢驗分析可見，灌漿施工范圍內的雜填土層空隙得到有效充填，淤泥或淤泥質土受到充填、擠密和置換，粉、細砂層得到有效充填和壓密，由松砂變為密砂。這三種土體經灌漿后，不同程度地得到加固，承載力明顯提高，達到了控制沉降目的。

6　結語

6．1　灌漿技術加固軟路基，在技術上是可行的，在施工質量和處理效果上是好的，對其承載力和穩定性將得到較大的提高；

6．2　灌漿技術的關鍵是灌漿壓力的選擇和控制、漿材配比和灌漿工藝；

6．3　灌漿參數的選擇是一個復雜的問題，只有通過現場試驗才能切實地確定；

6．4　在城市道路軟基加固處理方面，選擇灌漿方法比其他諸如碎石樁、大開挖換填等處理方法，不但技術上可行、經濟上合理、工期上縮短，而且極大地減少了環境污染問題。

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