复合注浆法在基础加固中的应用

收稿日期:2004 - 05 - 09 作者简介:郑利松(1958 - ) ,男(汉族 ) , 广东揭阳人,广州市市政工程设计研究院主任工程师、 高级工程师,水文工程地质专业,从事岩土工程 工作,广东省广州市环市东路348号(东梯) ,(020)83869546。 复合注浆法在基础加固中的应用 郑利松 (广州市市政工程设计研究院,广东 广州510060) 摘 要:复合注浆法是将静压注浆法和高压旋喷注浆法进行时序上的结合,分别发挥两种注浆加固方法各自的优 点,又可克服各自的技术和工艺缺陷的一种基础加固新方法,它可以较好地对既有建筑物地基和新建建筑基础出 现质量问题进行加固处理。简述了复合注浆法的加固作用机理、 设计及计算模型,在此基础上通过工程实例介绍 其施工技术并分析其加固效果和经济性。 关键词:复合注浆法;静压注浆法;高压旋喷注浆法;基础加固 中图分类号:TU472. 3+6 文献标识码:B 文章编号:1672 - 7428(2004)11 - 0011 - 04 Application of Composite Injection Method in Subgrade Reinforcement/ZHENG Li2song( Guangzhou Municipal Engi2 neering Design Institute , Guangzhou Guangdong 510060 , China) Abstract : This paper presents composite injection method , and it consists of static pressure injection method and high2 pressure whirl injection method sequence in time. The composite method has all the advantagesof the two individual injec2 tion methods and eliminates the disadvantagesof them. It also increases thepossibility of success and the range of subgrade reinforcement. Its effect is very good for the reinforcement of subgrade to many old buildings and new buildings which have problems in their subgrade. Key words : composite injection method; static pressure injection method; high2pressure whirl injection method; subgrade reinforcement 1 概况 我国建筑业发展至今,大量的软土地基需进行 加固处理,同时有大量既有建筑物地基和新建建筑 物基础出现质量问题需进行加固处理,但单一的注 浆技术有其固有的缺陷,满足不了各种复杂条件下 的工程需要,而复合注浆法能够满足这一市场需要, 应用范围更广,加固效果更好。 复合注浆法是将静压注浆法和高压旋喷注浆法 进行时序上的结合,分别发挥两种注浆加固方法各 自的优点,又可克服各自的技术和工艺缺陷的一种 加固方法,它使地基加固的成功率得到了提高并且 扩大了加固范围。 2 复合注浆法加固作用机理 2.1 高压旋喷注浆的加固机理 高压旋喷注浆的加固机理主要是高压喷射流对 土体的破坏作用以及浆液与土的搅拌置换固结作 用。 采用高压喷射流冲击破坏土体时,能量集中冲 击土体的一个很小的区域,在这个区域内及其周边 的土与颗粒结构之间,产生很大的土压力,即破坏应 力,当这些破坏应力超过土颗粒结构的强度临界破 坏值时,土体即被破坏。复合注浆法采用高压旋喷 注浆时,钻杆在旋转提升过程中,喷射流对土体进行 冲切破坏,在喷射流后部形成空隙,在喷射压力作用 下,迫使土粒向着与喷嘴移动相反的方向移动位置, 从而与喷射流浆液搅拌混合,一部分细小的土粒被 喷射浆液转换,随浆液带到地面,其余的土粒与浆液 搅拌混合。浆液与土混合,经一系列水化作用后形 成固结体。 在地基基础加固过程中,对于同一地层,复合注 浆法形成的固结体的强度主要取决于固结体中水泥 强度以及水泥的含量。因而我们可以采取先喷清水 的方法,将地基土中的土粒用高压水尽量多置换出 地面,提高水泥对土体的置换率,增加固结体的水泥 含量,从而提高固结体强度。此外,我们也可以采用 高标号水泥来提高固结体强度。 2.2 静压注浆的加固机理 复合注浆法采用高压旋喷注浆后再进行静压注 浆,静压注浆浆液对土体的加固主要有渗透、 劈裂、 挤密3方面的作用。对不同地层注浆,这3种作用 方式在注浆过程中所起的作用主次地位也有所不 11 2004年第11期 探矿工程(岩土钻掘工程) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 同,但在任何一种地层中这3种作用都会同时存在。 渗透注浆作用是指在压力作用下使浆液充填土 的孔隙和岩石的裂隙排挤出孔隙中存在的自由水和 气体,而基本上不改变原状土的结构和体积(砂性土 注浆的结构原理 ) , 所用注浆压力相对较小。 劈裂注浆作用是在压力作用下,浆液能量大于 土体结构强度而产生的剪切力劈入土层,在土层中 形成许多似树枝状的浆脉,浆脉在土体中固结后提 高了土体的强度。在劈裂作用过程中,浆液劈入土 层中但并不与土体混合,而是两者相互独立存在。 劈裂注浆作用所用的注浆压力相对较高。 在浆液渗透注入地层或劈裂注入地层的过程 中,同时还存在挤密作用。挤密作用是浆液在压力 作用下向土体中扩张,对浆液四周土体产生一种挤 压力,迫使土体被挤密,从而使土体密度增加。在对 粉细砂层的注浆中,这种挤密作用比较突出,在浆液 浓度达到一定程度时,其挤密作用甚至超出劈裂作 用的效果。 3 复合注浆法加固设计及计算模型 3.1 复合注浆法设计原则 (1)对地质资料、 桩的设计、 施工资料以及检测 情况有比较充分的掌握,地质情况和桩的缺陷情况 要在注浆钻孔施工时进行校核。 (2)复合注浆对桩周土的强度以及对桩身完全 松散破碎段的强度提高很大,但对蜂窝面、 麻面段的 桩身强度提高有限,复合注浆加固的主要作用是充 填,加固后桩身强度以20 MPa为上限。 (3)复合注浆加固设计的重点在于对桩底持力层 的补强加固,桩底持力层加固后强度在13 MPa以上, 能减少变形50 %或更多,承载力可以成倍提高。 (4)复合注浆加固孔数需根据原桩径及桩的设 计承载力以及持力层情况综合确定,一般桩中为1 8孔,桩侧可25孔。 (5)遇溶洞、 土洞时注浆材料数量成倍增加,设 计重复注浆次数 3次。 3.2 计算模型 3.2.1 旋喷注浆量 复合注浆法加固地基基础时的旋喷注浆量计算 有两种方法,即体积法和喷量法,取其中大者作为设 计喷射浆量。 3.2.1.1 体积法 Q = ( / 4) De2Kh(1 +)(1) 式中:Q需要用的浆量,m3;De旋喷体直 径,m;K填充率,取0175019 ;h旋喷长 度,m;损失系数,取011012 ;折减系 数,取016110。 3.2.1.2 喷量法 以单位时间喷射的浆量及喷射持续时间,计算 出浆量,计算公式为: Q=( H/ v) q(1 +)(2) 式中:H喷射长度,m;q单位时间喷浆量, m3/ min ,它与喷射压力与喷嘴直径有关;v提 升速度,m/ min。 3.2.2 静压注浆量 复合注浆的静压注浆量可按下式计算: Q=KV n(3) 式中:Q灌浆浆液总用量,m3;V灌浆加固 对象的土量,m3;n土的孔隙率;K经验灌 注系数,取013018。 3.2.3 地基承载力及旋喷桩单桩承载力 用复合注浆法加固处理地基,若原地基采用天 然地基,则加固处理后的地基可按复合地基计算。 复合地基承载力标准值可通过现场复合地基荷载试 验确定,也可按(4)式计算或结合当地情况与其土质 相似工程的经验确定。 fsp ,k= (1/Ae)Rkd+fs ,k(Ae+Ap)(4) 式中:fsp ,k复合地基承载力标准值, kPa ;Ae 一根桩承担的处理面积,m2;Ap桩的平均 截面积,m2;桩间天然地基土承载力折减系 数,可根据试验确定,在无试验资料时,可取012 016 ,当不考虑桩间软土的作用时,可取0 ;Rkd 单桩竖向承载力标准值,kN。 若原地基基础采用桩基础,则复合注浆形成的 旋喷桩可按桩基础计算,旋喷桩单桩承载力可通过 现场载荷试验确定,也可按下面(5)、(6)式计算,并 取其中较小值: Rkd=fcu ,kAp(5) Rkd=d n i= 1 hiqsi+Apqp(6) 式中:fcu ,k桩身试块的无侧限抗压强度的平均 值,kPa ;强度折减系数,可取0135015 ;d 桩的平均直径,m;hi桩周第i层土的厚度, m;n桩长范围内所划分的土层数;qsi桩周 第i层土的摩阻力标准值,kPa ;qp桩端天然地 基土承载力标准值,kPa。 通常在对既有建筑物的地基基础加固中,复合 注浆形成旋喷桩的单桩承载力设计值为300500 21探矿工程(岩土钻掘工程) 2004年第11期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. kN。在对缺陷桩基补强时,桩底复合注浆固结体极 限抗压强度标准值可取13102010 MPa。 4 工程实例 4.1 工程概况 深圳市清水河某公司集装箱中转站综合楼,其 基础采用人工挖孔灌注桩桩基,桩径为14001700 mm。共施工桩基66根,经对本工程桩进行抽心检 查,发现施工桩长与设计要求桩长相差较大且桩底 未达到设计要求的持力层,经设计复核计算后,确认 原工程桩实际承载力远达不到设计要求,必须进行 加固处理。 4.2 场地工程地质情况 根据委托方提供的地质资料,场地内属于山间 冲积谷地地貌。根据场地内6个钻孔揭示的地质情 况,地层自上而下为: 人工填土,层厚418616 m ,主要是建筑垃 圾、 粘性土等; 埋藏植物层,层厚012015 m; 粉质粘土,层厚013216 m ,标贯击数414 击; 中细砂,层厚010110 m ,标贯击数9击; 卵石、 砾砂层,以卵石层为主,局部分布有砾 砂、 淤泥质土、 粉质粘土等,层厚013415 m ,埋深 517818 m ,重型动力触探平均击数24击; 粉质粘土,层厚3151018 m ,标贯击数10 43击; 强风化砂岩,黄褐、 灰黄色,岩块用手易折。 场地内地下水属上层滞水潜水类型,受大气 降水及地表水补给,埋深为710915 m ,水质在强 透水层对砼有分解性侵蚀(中细砂、 卵石层 ) , 弱透水 层中无侵蚀性。 4.3 原有桩基抽心及设计复核情况 原工程桩的桩长为519811133 m ,平均为 8114 m。除49、50号桩持力层到达卵石层外, 轴其余各桩持力层基本为粉质粘土,而 轴 其余各桩持力层为砂砾层。 4.4 桩基加固处理情况 4.4.1 桩基加固处理方法 考虑到本工程场地内有一层第四系冲积层 卵石层,稍密中密,而部分原有工程桩桩底基本接 近该层,因此,加固拟选取标贯击数 30击、 厚度 3 m的卵石层或强风化岩层作为桩基持力层。采用 高压旋喷与静压灌浆相结合的复合注浆方法,利用 桩中抽心钻孔加固桩底,并根据承载力差值,在桩侧 增加复合注浆旋喷桩的方法处理。 采用桩中复合注浆法可形成旋喷桩直接支承在 桩底增加桩底承载力,同时静压注浆又可改善桩底 持力层性质,增加持力层端承力,桩侧旋喷桩也从桩 侧直接支承在桩底,增加桩底承载力,同时旋喷桩与 桩侧搭接,又增加了桩侧的摩阻力。 4.4.2 复合注浆法加固设计 桩基承载力分析以 建筑桩基技术规范 (J G J 94 - 94)为依据。本工程灌注桩桩基单桩竖向极限 承载力Quk可按下式计算: Quk=Qsk+Qpk=u siqsiklsi+pqpkAp 式中:u桩身周长;qsik桩侧第i层土的极 限侧阻力标准值;lsi桩穿越第i层土的厚度; qpk极限端阻力标准值;si 、 p 桩侧阻、 端 阻尺寸效应系数。 桩中采用复合注浆法加固处理桩底:桩中孔旋 喷桩极限承载力按900 kN考虑;复合注浆加固后粉 土极限承载力标准值取2000 kPa ,砂砾极限承载力 标准值取3000 kPa。 桩侧复合注浆法加固处理桩底:桩侧旋喷桩极 限承载力按700 kN考虑。各类桩处理方法见表1。 表1 各类桩处理方法表 桩基承载力设计值/ kN桩底持力层与设计承载力差值/ kN桩中加固处理方法桩侧加固处理方法 38004200粉土或砂砾20002500桩中1孔复合注浆桩侧增加45条旋喷桩 33003800粉土15002000桩中1孔复合注浆桩侧增加34条旋喷桩 33003800砾砂15002000桩中1孔复合注浆桩侧增加23条旋喷桩 28003300粉土10001500桩中1孔复合注浆桩侧增加23条旋喷桩 28003300砾砂10001500桩中1孔复合注浆桩侧增加2条旋喷桩 22002800粉土或砂砾5001000桩中1孔复合注浆 4.4.3 桩基加固施工情况 (1)采用桩中复合注浆法加固桩底。每条桩均 利用桩中原有1个抽心钻孔钻至桩底以下45 m 至卵石层,从底部开始高压旋喷至桩底以下015 m。 施工时先在底部用高压水喷两遍以扩大旋喷桩径, 然后喷水灰比为1的水泥浆并在桩底复喷。 31 2004年第11期 探矿工程(岩土钻掘工程) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. (2)桩侧高压旋喷加固桩底和桩侧。按设计要 求在桩侧增加25个高压旋喷孔,在距原工程桩桩 侧约80 mm左右采用旋喷钻机钻孔至卵石层并从 下而上旋喷,旋喷桩身与原灌注桩至少应有3 m以 上的搭接长度。 (3)高压旋喷和静压注浆采用以下参数进行施 工:浆液或清水喷射压力为2030 MPa ;喷射提升 速度为20 cm/ min ;旋转速度为20 r/ min ;静压注浆 压力,在砾砂层中018115 MPa ,在粉质粘土中 110510 MPa ;旋喷注浆水灰比为1112 ,静压注 浆时水灰比为015112。 本工程复合注浆采用425普通硅酸盐水泥浆 液,共加固桩66根,桩中复合注浆孔66个,桩侧增 加旋喷桩176根,旋喷用水泥240 t ,静压注浆用水 泥60 t。 4.5 效果分析 4.5.1 加固效果检验 加固结束后,本工程现场随机抽取3根桩作静 载试验,结果如表2所示。 表2 加固桩静载试验结果表 桩号 桩径 / mm 桩底 持力层 加固方法 设计单 桩竖向 承载力 / kN 静载最 大加载 量/ kN 对应 沉降 值 / mm 171400粉质粘土 桩中1孔,桩侧5孔42807276910 481400砾砂 桩中1孔,桩侧3孔33885760815 511400粉质粘土 桩中1孔,桩侧4孔34035785711 静载结果表明,本工程加固效果良好,且加固桩 在达到试验要求最大荷载时变形均很小。本综合楼 至今已建成并使用2年,基础沉降稳定。 4.5.2 经济技术分析 4.5.2.1 采用复合注浆方法加固费用 (1)桩中复合注浆(静压注浆)处理费:共计处理 66根桩,单价1500元/桩,计919万元; (2)桩底和桩侧复合注浆(旋喷注浆)处理费:共 计加旋喷桩240孔,共2000延米,单价220元/ m , 计费用为4410万元; (3)施工水电费共117万元; (4)进退场费014万元; (5)检测费用14万元。 总计加固费用为70万元,总工期为80天,其中 加固施工工期为45天,验收试验为35天。 4.5.2.2 采用增加钻孔桩方法加固费用 每桩需加 800 mm钻孔桩24根,共需加桩 约200根,加桩施工费用为75万元,检测试验费为 14万元,承台加大费用为10万元,共计为99万元。 4.5.2.3 采用增加静压管桩方法加固费用 每桩需加 500 mm管桩24根,共需加桩约 200根,加桩施工费用为60万元,检测试验费为14 万元,承台加大费用为10万元,共计为84万元。 因而采用复合注浆法加固桩基可节省投资 20 %40 % ,而且质量可靠,工期快。 5 结语 复合注浆法是一种新型的基础加固技术。经工 程实例检验,它不仅有良好的加固效果,而且可大幅 度降低工程成本。 参考文献: 1 钟志均,袁平化.综合注浆法在灌注桩施工中的应用J .冶金 矿山设计与建设,1998 ,(1) . 2 杜嘉鸿,张著超.综合注浆技术加固高层建筑地基J .探矿工 程. 1995 ,(5) . 3 余卫京.高压旋喷注浆法在厂房地基加固工程中的应用J .焦 作工学院学报,2000 ,19(5) . 4 刘静,胡焕校.静压注浆在房屋基础加固中的应用J .地质与 勘探,2001 ,37(4) . 5 Maurice Guilaud ,等.灌浆设计与控制的计算机化J .探矿工程 译丛. 1997 ,(4) .