特殊地基处理化学固结法.docVIP

浅谈顶管中硅化加固法施工工艺在北京市五环路二期工程宛平城立交工程，我方承建了宛平城立我雨水泵站进水管线工程。其位置紧邻五环路型槽的纵向开挖上口线与东侧社会交通道路相距仅 4m ，雨水管线即在二者中间。此外，结合施工图纸和拆迁现场调查，管线局部开挖超出占地红线；局部雨水管线管底高程低于 U 型槽底，如管线采用明槽开挖， U 型槽底板稳定性也将受到影响。而本工程拆迁严重滞后，工期又不能顺延，工期紧迫。在这样的条件下，经过综合分析，决定采用内径 1350mm （ T12 ）顶管施工，埋深 10m 左右。施工起始阶段，因顶管高程处砂卵石级配不良，有塌方出现，施工中采取了以硅酸钠（水玻璃）为主剂的混合溶液进行地基化学加固方法，即硅化加固法，起到了良好效果。该方法提高了土层的强度且价格合理，设备工艺简单，技术易于掌握，使用机动灵活。现简单介绍硅化加固在此工程中的应用。 化学加固法是利用化学溶液或胶结剂通过压力灌注或搅拌混合等措施将土粒胶结起来的地基处理方法。目前化学加固的浆液主要有：水泥浆液、以丙稀氨为主的浆液、以纸浆为主的浆液、以水玻璃为主的浆液。施工方法分为：高压旋喷法、旋转搅拌法、规划加固法、干粉喷射搅拌法。这些多见于建筑施工当中的地基处理，国内外都有使用。本工程采用以水玻璃为主的浆液硅化加固法。 1 、顶管中的地质条件 根据北京市政勘察设计院提供的勘探资料，雨水顶管所在区域的地质条件如下： （ 1 ）表层为人工填土，杂填土层厚 0.86.0m 。 （ 2 ）其下为第四纪冲洪积成因的卵石层（局部夹漂石、细砂、亚黏土），卵石粒径一般为 812m ，最大为 20cm ，层厚 6.513.3m ，土壤粘聚力 C=0 ，土壤内摩擦角 =55 0 。 （ 3 ）其下为亚黏土层，层厚 0.60.8m ，土壤粘聚力 C=30 ，土壤内摩擦角 =18 0 。 （ 4 ）其下为漂石层：漂石粒径一般为 20cm 左右，最大为 30cm ，层厚 6.09.9m ，土壤粘聚力 C=0 ，土壤内摩擦角 =55 0 。 雨水管线顶管高程基本位于第四纪的卵石层。 2 、塌方原因分析 管道顶进过程中发现顶管前方的砂粒料层含水量较大，并发生了塌溜现象，遂停止顶进。根据土力学原理及有关数据试验资料，土体的原始粘聚力与土体料质密实时土粒间的距离有关。在一定范围内，土粒间距离减小，粘聚力增大；土粒间距离增大，粘聚力减小。鉴于上述的地质条件下，管道顶进高程正处于砂卵石层，料层松散，土颗粒之间距离较大，没有粘结即 C=0 ，强度低。 坍塌原因分析，管道顶进高程距况地面 h=10m ，砂卵石密度 r 采用 23.25kN/m 3 ，将顶管上部砂卵石土层视为均匀同性的半无限弹性体。因土层间的性质差异并不十分悬殊，弹性理论计算土中应力在实用上是允许的。土体因自身重力产生的竖向应力 cz =232.5kPa ，此类松散砂卵石土层承载力 0 =220 kPa ， cz 0 ，可见砂卵石层的承载应力不能承受土体自重应力。 另一方面，正常状态下砂卵石土层的含水量为 1%2% 。而现场酒精燃烧试验，测得顶管高程处地层砂料的含水量为 3.7% 左右。根据经验资料，含 水量为 1%2% ， 降低 8%28% ， C 降低 68%97% ，再加上砂卵石级配不良，含砂量较少，致使实际施工中出现管顶上部坍塌现象。雨水管线 7 # 坑向北至 6 # 井顶进，管顶上部塌方，进度十分缓慢，使施工无法继续进行。 3 、硅化加固法的选用 为保证正常进度，决定采用化学加固的方法。以水玻璃为主的浆液配方较多，适用于渗透系数范围较广的土质，使用起来灵活方便。使用砂卵石硅化法加固土体颗粒可使其间胶结而形成固化粘聚力，提高土层的承载力。经过技术经济比较，决定采用水玻璃固化施工来加固管外壁土层，加固后的土体强度可达到 1.01.5MPa ，满足顶进要求。 4 、顶进加固范围的确定 土的休止角是指在某一状态下的土体可以稳定的坡度。据经验资料得知，潮湿卵石的休止角度与底宽度比为 1 : 2.75 ，角度为 25 0 ，内径 1350mm 顶管外侧下半拱砂卵石的高度为 817mm ，顶管右侧底宽度为无限长，顶管左侧底宽度为 1417m （左侧有 U 型槽底开口线），此两侧土体的休止角小于 25 0 ，下半拱土体稳定，因此固化顶管外侧上半拱的土体就可以满足要求。 5 、施工前的准备 5.1 固化土层度确定 水玻璃模数一般为 2.43.8 （地基加固时），其模数大小对土层加固的效果影响当当较大，模数越大越好。其浓度在 3642 波美度时，水玻璃为液体；浓度在 50 波美度时，呈粘滞性； 60 波美度时呈延展性。根据现况，土层加固所需承载力要大于 220kPa 。使用前先用水稀释，但稀释程度视土层孔隙率的大小决定，浓度高时瞬时凝固，浓度低时影响加固效果，要恰到好处。经过现场试验，确定胶凝时间 1315min 。 顶管处砂卵石层采用水玻璃溶液和硫酸溶液合液，其中硫酸为纯度 98% 的硫酸。经过试配试验确定固化溶液体积比例为： 98% 硫酸水溶液： 98% 硫酸 : 水 =1:6 水玻璃水溶液：水玻璃 : 水 =1:3.6 混合液：硫酸水溶液 : 水玻璃水溶液 =1:8 硅化加固半径与土的孔隙大小、浆液黏度、凝固时间、灌浆速度、灌浆压力、灌浆量等因素有关，可按土层的渗透系数确定。此外砂卵石层的渗透系数 25m/d ，经试验，硅化加固半径最小为 0.30.4m ，为保证搭接紧密，取固化土层厚度 60cm ，可满足施工要求。 5.2 注浆花管根数的确定 注浆花管的平面布置间距与土的透水性有关，单管灌注浆液的现场试验，确定为花管的间距不大于 40cm ，所以花管的根数取 10 根。 5.3 灌浆硅化压力的确定 按砂砾地基容许灌浆压力公式计算： 式中： P 溶许灌浆压力， 10 5 Pa ； 经验系数， 13 内选择； 地表以上覆盖层的厚度， m ； T 地基覆盖层厚度， m ； c 与灌浆期次有关的系数。第一期孔 c=1 ，第二期孔 c=1.25 ，第三期孔 c=1.5 ； K 与灌浆方式有关的系数。自下而上 K=0.6 ，自上而下 K=0.8 ； 与地层性质有关的系数，在 0.51.5 之间选择（结构疏松、渗透性强的取低值；结构紧密、渗透性弱的取高值）； h 地面至灌浆段的深度， m 。 P 始 =0.3MPa ， P 终 =0.9MPa 。 因此，灌浆压力控制在 0.30.6 MPa （始）和 0.81.0 MPa （终）。 5.4 灌浆钢管 灌注溶液的钢管采用内径 33mm ，壁厚 1.5mm 。它由管类（钢筋直径 25mm ，长 25cm ）、钢管组成，共 3m 长。直径 3mm 的孔眼呈梅花形布置于其上，且孔眼间距 30mm ，以保证浆液充分注入砂卵石层中。 6 、施工过程 6.1 固化设备及流程 空压 高压风管、溶液桶 牛角泵 高压水管 枪头 溶液 注入 6.2 具体过程 将水玻璃与 98% 硫酸各自的水溶液按一定比例混合后，用注浆泵压入砂卵石层中，经过短时间生成硅胶，与土壤颗粒胶结在一起，使土层具有强度，提高局部砂卵石层承载力，达到土层稳定。 顶管前，为避免砂卵石的不稳定，在顶管中心上半拱的 180 0 位置，紧贴管外壁上前方沿着预固化位置码放 12 层草土袋。注浆花管平均布置于顶管外侧的上半部，混凝土管外壁以上 30cm 处。花管一端焊上长 25cm ，直径 25mm 螺纹筋作为打入端，将加工成型的 3m 长的注浆花管穿过草袋间隙一部打入砂卵石层中。通过枪身与高压胶皮水管相接，水管的另一端与地面上牛角泵相接。 2 种水溶液按 1 ： 8 勾兑好，将混合液加入牛角泵容器中，采用气压压进式（由空压机通过高压胶皮风管向牛角泵容器中加压），由牛角泵压入高压胶皮管至枪头，再到注浆花管，最终注入砂卵石土层中。因 15min 混合液就可凝固，水溶液要随用随兑，否则将形成浆糊状而凝固，失去效用。 由于胶凝很快，注入混合液 15min 后即可开挖。因固化的土层不小于 60cm ，人工开挖后一次顶进 2025cm ，两顶后停止顶进。 停止后再向管子前砂卵石层斜上方打一排注浆花管，而这排花管与水平方向上仰 7 0 25 0 ，注入 1 ： 8 勾兑水溶液， 15min 后入人工挖料，一次顶进 2025cm ，两顶后停止顶进。至此，一次循环工作完成，依此类推，周而复始，一定要保证土层的固化厚度，前后硅化层的衔接。 6.3 注意事项 （ 1 ）在下列情况下不宜采用硅化法加固：被沥青油脂和石油化合物所浸透的土层，地下水的酸碱度 PH 值大于 9 的土质。 （ 2 ）水玻璃与 98% 硫酸各自水溶液按一定比例勾兑的混合液施工时，每 10min 勾兑 1 次，随用随兑，否则凝结而造成浪费。 （ 3 ）本工艺适用砂卵石声能（即土壤粘聚力 C=0 ），若在其他土质中，可先进行试验，再决定是否使用。 （ 4 ）土的渗透系数与浆液灌注速度有密切关系，而灌注速度又与灌浆压力有关，溶液灌注的速度过快，来不及向土内均匀渗透，易形成薄弱环节。 7 、结语 砂卵石层经硅化加固后的强度是其无侧限抗压强度，可达到 400500kPa ，满足深度 10m 处的承载力需要。日顶进量可以保证，从而使顶管顺利完成。工程进度，从固结前每工日平均 1.0m 左右直至不能顶进，提高到固结后的 3m ，未出现坍塌、沉陷，效果良好。 综上所述，在施工场地受到制约，施工交叉影响较大，无法明挖的情况下，采取顶管施工时，如遇到地质土层较差、料粒松散、土壤粘聚力很小、含水量较大的砂卵石深土层，用硅化法使土层提前固结，防止顶管时土层坍塌是有效的。在今后的类似工程中，有着广泛的应用前景。某办公楼地基基础处理实例 摘要针对某办公楼出现大量裂缝的现象，进行了事故原因分析，在此基础上提出了压力灌浆加静压的地基基础处理方案，较好地解决了防止裂缝继续开展，保证正常使用。 关键词地基基础；不均匀沉降；压力灌浆；静压桩 某办公楼为4层框架结构，长56m，宽16m，柱网跨度为6.8m、2.4m、6.8m，开间8m。(详见图1)该楼于1999年竣工投入使用，1年后发现房屋中间部位的墙体和梁上出现了多条斜向裂缝(图2)，最大裂缝宽度达到2.5cm，已严重影响了正常使用，经有关部门签定，结构安全存在隐患，需要进行加固处理。 裂缝情况及产生原因分析 裂缝产生的部位较为集中于轴线间，基本上由墙洞部位开始沿内外纵墙裂缝呈45角斜向开展，最大裂缝宽度达2.5cm；框架梁在梁端部位也有大量45斜裂缝出现，裂缝宽度最大为56mm；横隔墙上有部分裂缝，但宽度较小；楼板面上有通长的基本平行于横墙的裂缝，宽度约为2mm。从裂缝发生部位、形状来看，由不均匀沉降产生的沉降裂缝的可能性很大，据工程地质勘察报告，场地由上至下土层情况依次为： （1）填土：浅黄色，土质松软，组成成分为建筑垃圾及余土，新近填成，层厚0.792.00m； （2）粉质粘土：灰灰黄色，上部0.400.60m为耕土，软塑，N=2击，fk=8090kPa； （3）淤泥(泥灰土)：黑褐色，局部夹粉土，流塑，N=12击，fk=4060kPa。层厚0007.87m，层面埋深1.003.75m； （4）花岗岩风化坡积土：土性为砂质粘性土，灰白、浅黄色，含中粗砾，可塑，N=513击，fk=100230kPa，层厚1.707.30m，层面埋深2.109.07m； （5）花岗岩风化残积土：土性为砂质粘性土，浅黄褐色，含中粗砂，可塑一硬塑，N=1324击，fk=230320kPa，层厚2.909.00m，层面埋深4.0012.26m； （6）强风化花岗岩：N50击，层面埋深8.1722.68m（详见图3)。场地地下水丰富，水位埋深约为0.3m。从报告分析，场地东面存在9m厚的软弱土层，属高压缩性土，在建筑附加压力作用下后期沉降量大。 建设场地土层变化较大，淤泥(含腐木)等软土的分布极不均匀，层厚由西向东递增。花岗岩风化层层面由西向东倾斜，西面埋深较浅，为1.03.0m，而东面最深处为9.07m。基础设计轴轴采用了人工挖孔桩，轴由于花岗岩埋深较深，且上部土层含水丰富。人工挖孔桩无法成孔，设计采用挖除杂填土换填粗沙(1.0m厚)方法进行地基处理，然后采用柱下独立基础(图3)，基础埋置深度为-1.5m。 基础设计在同一结构单元内采用了2种不同的基础形式和选择不同的持力层。地质条件较好的西段，采用了人工挖孔桩基础，桩端支承在坚硬的花岗岩残积土层里，沉降量很小；而地质条件差有较厚软弱土层的东段，则采用了独立基础，基底落在杂填土层上，仅在基础底采用换填砂垫层，对下部68m深的软弱土层未作任何处理。采取这种不正常的基础做法反映设计者缺乏对地基沉降概念以及沉降造成的危害缺乏足够的认识，对设计规范要求也不熟悉，没有严格遵守尽管在设计中采用了加大地梁的做法，但也于事无补。事后根据规范进行地基沉降计算，桩基础的最终沉降量为1.4mm(桩长10m，进入坚硬状花岗岩风化层)，独立基础最大沉降量为线柱基达200mm，-线沉降差约为0.023L。根据实际裂缝发现时的沉降观测，轴线处桩基沉降量为0.7mm，轴线处独立基础的沉降量为100mm，相邻柱基沉降差达到0.01L，远远超过规范规定0.003L的限值。考虑到下部的淤泥质土属高压缩性土层，压缩沉降需要一个较长的过程，因此裂缝发现时，沉降尚未稳定(估计完成60)，裂缝仍将继续开展，结构存在严重的安全隐患，必须尽快进行处理。 2基础处理方案与施工 2.1处理方案 淤泥质土在自重作用下由于失水会产生固结沉降，在建筑物附加重力的作用下固结沉降加速，首先对淤泥质土进行处理，控制地基的继续沉降。经对土层情况的分析，经多方案比选后，决定采用压力灌浆加固法，通过水泥浆体在淤泥土中的渗透和固化作用改善软土土体结构，提高压缩(变形)模量，从而控制住沉降：其次采用静力压桩方法将独立基础荷载扩散传至下部经压力灌浆处理后的土层和花岗岩残积土中，使其与人工挖孔桩部份在后期的沉降趋于一致，避免后期不均匀沉降继续发展，确保结构安全。 采取压力灌浆与静压桩相结合的处理方法，主要是考虑如果仅进行压力灌浆处理，半刚性的复合地基与刚性的人工挖孔桩相比压缩模量之间的差异仍然存在，后期沉降及裂缝难以保证得到控制。压力灌浆的主要目的是解决淤泥质土长期固结沉降带来的使用期间地面沉陷问题，同时能够为静压桩提供侧摩阻力，提高单桩承载力。而采用静压桩，桩端落至坚硬的花岗岩风化层上，能更有效地避免沉降不均匀发展。 2.2压力灌浆施工 压力灌浆的工作机理是以一定的压力，将水泥浆通过双液管注入土中，对软土进行割裂、扩散挤压和充填，并经一定的化学作用凝固后在软土中形成脉状充填，降低空隙率，同时能使土体产生压缩和脱水固结，工艺流程为：制浆成孔下管液压注浆土体割裂挤压与充填固结。 灌浆孔的布置：轴线范围内每个柱周围布置8个孔，孔距小于2.0m，其余范围按纵横间距3m网格布孔；加固深度4.010.5m，孔底部进入花岗岩风化残积土层中；注浆采用跳孔和冒浆回灌以及低压、慢灌、多量的工艺方法，尽量注入较多的浆体；二次注浆：在软土较厚的孔段，为增强灌浆效果，经第一次灌浆在土体一定的范围内形成一道不规则的帷幕后再进行二次注浆，使水泥浆能充分而有效的充填。采取先下后上的注浆方式：成孔后注浆管下落至孔底，并由孔底开始注浆，而后一边注浆一边上拔灌浆管。 压力灌浆施工期间的沉降观测：为了保证压力灌浆的效果，同时也为了随时掌握建筑的沉降情况预防意外发生，施工期间共进行了44d的沉降观测，每天取得一组数据。施工期间(20d)的总沉降量为(每一轴线柱上设一个观测点)：轴沉降6.5mm，轴8.7mm，轴8.0mm，轴9.6mm。此期间，由于灌浆施工导致有效喷射范围内地基受到扰动而强度降低，沉降有所加大。灌浆后期静压桩施工前的沉降(44d)；轴沉降7.0mm，轴沉降9.5mm，轴8.6mm，轴10.5mm。上述数据说明，压力灌浆处理既有建筑物地基。施工期间的附加沉降必须引起重视。本工程施工采取了相应的措施防止和减少附加变形的措施，仍然有较大的附加沉降。在施工期间对地基和建筑物进