综合注浆法在既有建筑物地基加固中的应用

-1-综合注浆法在既有建筑物地基加固中的应用○曾夏生杨泽平罗嗣海（东华理工学院土木工程研究所）○郭贱苟(广东省建筑科学研究院)摘要：为改善地基承载力或变形要求，常需对既有建筑物进行地基加固。本文结合施工经验和研究成果，介绍了综合注浆法的特点、施工方法、部分试验成果等，对类似地基加固工程有重要借鉴意义。关键词：综合注浆法；地基加固；应用0前言改革开放以来，城市用地逐渐紧张，对于常出现的既有建筑物需要加层改造，或建筑用途改变需要增加荷载，而地基承载力和变形不能满足要求；或者建筑物在使用过程中由于地基原因出现裂缝、倾斜而影响正常使用甚至危及建筑物安全的情况，可以采用综合注浆法对既有建筑物进行地基加固，使其可以满足相关要求。我院(广东省建筑科学研究院)加固的200多项工程充分证明了综合注浆法是一个经济、有效、安全、可行的加固新技术。1常规注浆方法简介注浆方法按常规可以分为高压旋喷注浆法和静压注浆法两大类，这两种注浆方法都可以应用在地基加固工程中，有其各自的优缺点和适用条件，详见表一。表一常规注浆法的优缺点和适用土质方法高压旋喷注浆法静压注浆法优点浆液可控性好，固结体强度高，可以定向定位，能形成连续的圆柱状的旋喷桩体，直接承受上部荷载。适用土质范围大，在砂层中注浆效果尤佳。加固处理地基时浆液扩散范围大，对砂砾石、砂卵石地层注浆效果好，注浆固结体强度较高，注浆浆液全部进入地层中，浆液利用率高。缺点浆液只能在喷射破坏土体的极限范围内固结，扩散范围较小。浆液受喷射流动性的制约，水灰比较大，固结体收缩也较大。对卵砾石地基及含有大量纤维质的腐殖土注浆效果较差。注浆浆液的可控性较差，不能定向定位，易出现串浆及跑浆现象，浆液易流失到加固区域以外的地方。适用土质砂类土、粘性土、湿陷性黄土和淤泥中粗砂及砂砾石，破碎岩石与卵砾石，软粘土和湿陷性黄土2综合注浆法工艺综合注浆法是将高压旋喷注浆法和静压注浆法进行时序结合可以发挥以上两种注浆技术优势的一种新型地基加固方法。其工艺流程是：利用质检钻孔、预埋孔或专施钻孔，先用高压水冲洗虚土或沉渣以扩孔，再用高压旋喷注浆形成桩体，最后应用静压注浆增强旋喷效果，扩散加固浆液，防止固结收缩，消除注浆盲区，以保证旋喷固结体与承台或桩底紧密连接。将综合注浆法应用在地基加固中，能充分发挥上述二种注浆加固方法各自的优点，克服各自的缺点，从而达到最大的适用地层范围和最佳的加固效果，保证加固的有效性和成功率。2.1综合注浆法的加固机理综合注浆法在既有建筑物地基加固中的加固机理主要有以下几个方面：1）对于条形基础下土层或承台下群桩承载力低，可以根据需要在条形基础或群桩承台下面增设综合注浆法形成的旋喷桩，这样上部荷载由旋喷桩和地基土共同承担，并-2-将荷载传递到深部坚实土层中去，保证了荷载传递均匀、有效，从而满足了建筑物对承载力和变形的要求。2）在条形基础或群桩承台下面、桩底进行高压旋喷注浆，将原持力层中的软弱层置换成具有较高强度的注浆固结体，从而改善持力层条件，提高地基承载力，控制变形。3）通过对旋喷注浆后的软弱持力层进行静压注浆，浆液发挥渗透、劈裂和挤密作用，可以扩大注浆范围，使注浆固结体与条形基础或群桩承台、桩底紧密结合，从而使持力层整体强度得到充分发挥，以提高地层或桩端承载力。在桩端持力层注浆时固结体还可以形成扩大头，增大桩端受力面积。4）采用综合注浆法可以大幅提高旋喷桩或既有桩的桩侧摩阻力。综合注浆法加固时浆液在压力作用下从桩端沿桩侧向上流动，通过渗透、劈裂、充填和挤密将置换和填充桩侧空隙，胶结后与桩结合紧密，并在桩侧形成硬皮和脉状结石体，相当于扩大了桩径，使桩承载力大为提高。2.2综合注浆法的特点1)综合注浆法适用地层范围广，既适用于加固渗透性大的砂卵石层、基岩裂隙，又可适用于渗透性较差的填土、淤泥、淤泥质土、粉土和粉细砂层，还可以用来加固溶岩地层的土洞、溶洞及溶蚀裂隙。2)综合注浆法适用工程范围广，既可以加固既有建筑物的条形基础下地基，还可以用来加固桩底沉渣等软弱土层。3)综合注浆法浆液扩散范围大，不仅对高压喷射流喷射破坏土体的极限范围之内土体进行置换加固，而且对喷射破坏土体的极限范围之外的土体以充填、渗透、挤密和劈裂等方式进行注浆加固，在成桩的同时对地基土有灌浆加固和置换作用。4)综合注浆法可以定向定位，能形成连续的圆柱状的旋喷桩体，与原基础承台或桩体结合紧密，可以直接承受上部荷载，承载力较高。其固结体强度较高，并可根据设计需要通过改变工艺参数进行调节。5)综合注浆法施工简便，钻孔施工口径较小，施工机具适合既有建筑物狭窄和低矮的现场施工，可以不开挖基础，对基础和地面破坏小，施工时基本无噪声，甚至可以不影响正常生产。6)综合注浆法可以调节浆液凝固时间，施工期间建筑物附加沉降小，成功率高，耐久性好，经济可行。2.3综合注浆法的施工工序(示意图见图1、图2)1设计深度条形基础或桩承台设计深度2345孔口管旋喷桩体静压浆脉静压封孔1.注浆钻孔施工2.建立孔口注浆装置3.高压旋喷成桩4.静压补浆5.封孔图1综合注浆法加固既有建筑物条基或承台下地基施工工序1)注浆钻孔施工：先采用地质钻机钻穿既有建筑物原基础或承台，然后选择地质钻机或高压旋喷钻机钻孔到设计深度。一般以土层和强风化层作为注浆持力层时可以采用高压旋喷钻机钻进，以卵砾石层和中风化以上岩层作为注浆持力层时需采用地质钻机钻至终孔。-3-钻孔孔径为一般开孔为101mm，终孔为91mm，垂直度保证1%，并需采取必要措施保证钻孔不跨孔不堵塞。2)建立孔口灌浆装置：注浆钻孔施工完成以后，在注浆孔口建立注浆装置。孔口灌浆装置需满足静压灌浆要求，又需满足高压旋喷注浆管可以从其中下钻的要求。3)高压旋喷注浆：孔口注浆装置埋设1~2天后，先采用高压旋喷注浆方式进行旋喷注浆，将注浆管分段下入孔底，每段注浆钻杆需连接紧密并采用麻丝密封。喷射注浆从下而上，在既有建筑物地基基础加固中为减少附加沉降，一般采用单管旋喷注浆方式，旋喷时采用不喷水直接喷浆一遍的方式。在底部和顶部需增加复喷次数。为加速浆液凝固，可以采用先喷一遍水泥浆液后喷射一遍水玻璃的方式进行旋喷。543216既有桩体沉渣等软弱层坚实地层高压水扩孔孔口管静压浆脉旋喷成桩1.注浆钻孔施工2.建立孔口注浆装置3.高压喷水扩孔4.高压旋喷成桩5.静压补浆6.封孔图2综合注浆法加固既有桩端软弱土层施工工序4)静压注浆：高压旋喷注浆结束后，利用孔口注浆装置封住孔口进行静压注浆。注浆开始时采用较稀的浆液和较低的注浆压力，随后逐渐增加浆液浓度和注浆压力，直至设计注浆量和注浆压力为止。必要时，在浆液终凝前可进行多次灌注。5)封孔：注浆结束后，若注浆孔口冒浆，需对孔口进行封闭处理，防止浆液流出。若注浆结束后孔内浆液有流失需补灌浆液到注浆孔内浆液饱满为止。3综合注浆法的部分试验成果3.1纯水泥浆的基本性能所谓纯水泥浆是指不包括附加剂，只有水泥和水调制而成的浆液，有关室内纯水泥浆性能的试验结果如表二所示：表二纯水泥浆的基本性能水灰比粘度(×10-3Pa.s)密度g/cm3凝胶时间结石率%抗压强度（Mpa）初凝终凝3d7d14d28d0.5:11391.867h41min12h36min994.146.4615.3022.000.75:1331.6210h47min20h33min972.432.605.5411.271:1181.4914h56min24h27min852.002.402.428.901.5:1171.3716h52min34h47min672.042.331.782.222:1161.3017h7min48h15min561.662.562.102.80从试验结果可以看出，随着水灰比的增大，水泥浆的粘度、密度、结石率、抗压强度等都有十分明显的降低，初凝、终凝时间逐渐延长。综合注浆法注浆浆液受喷射流动-4-性的制约采用纯水泥浆时，喷射常用水灰比为1:1，静压注浆常用的水灰比为0.7:1~1:1。3.2试验采用在同一喷射提升速度和回转速度，在两种喷射压力和不同地层条件下进行综合注浆，试验得到的固结体直径结果如表三所示：结果表明：在相同的喷射注浆参数和不同的地层条件下，固结体直径不同。一般地，土质越硬，固结体直径越小。因而综合注浆法的注浆参数需根据地层条件来进行相应的调整。如地层相对较硬，则需采用提高注浆压力、减小提升速度、增加喷水或喷浆次数等方式来增大固结体直径。3.3综合注浆法固结体强度与土层条件的关系试验采用常规的喷射压力、喷射提升速度和回转速度下对不同土层条件的地层采用纯水泥浆进行一遍喷浆，在达到强度后对综合注浆固结体抽芯取样进行抗压强度试验，试验结果如表四所示：表四不同土层条件下综合注浆法固结体强度值土层名称喷射压力(MPa)提升速度(cm/min)固结体平均强度(MPa)土层名称喷射压力(MPa)提升速度(cm/min)固结体平均强度(MPa)人工填土20207砂质粘土202010淤泥20205粉细砂土202012淤泥20206中粗202013表三相同喷射参数在不同土层条件下固结体直径土层名称平均标贯击数(击)喷射压力(Mpa)提升速度(cm/min)固结体平均直径(cm)土层名称平均标贯击数(击)喷射压力(Mpa)提升速度(cm/min)固结体平均直径(cm)人工填土4202033人工填土4252065淤泥1202065淤泥1252075淤泥质土2202062淤泥质土2252070粘土5202045粘土5252051粉质粘土7202048粉质粘土7252054粉细砂土17202055粉细砂土17252060中粗砂土14202048中粗砂土14252053残积粉土13202041残积粉土13252045强风化岩55202028强风化岩55252037-5-质土砂土粘土20208残积粉土20209粉质粘土20209强风化岩202012注：固结体平均强度均为28天后的抗压强度，水泥采用425＃普通硅酸盐水泥。试验结果表明：在相同喷射注浆参条件数下，在不同的土质中，固结体强度存在差异，砂质土的固结体强度较高，粘性土的固结体强度较低，其中淤泥固结体强度最低。一般地，含砂质土的成分越高，固结体强度也较高。3.4综合注浆法的固结体强度与复喷的关系试验在相同的喷射压力、提升速度和回转速度下采用先喷射一遍或几遍清水后喷射一遍水泥浆液的方式进行综合注浆，得到的综合注浆固结体强度如下表所示：表五先喷射一遍清水后再喷射一遍水泥浆液的综合注浆固结体强度值土层名称喷射压力(MPa)提升速度(cm/min)固结体平均强度(MPa)土层名称喷射压力(MPa)提升速度(cm/min)固结体平均强度(MPa)人工填土20208砂质粘土202011淤泥20206粉细砂土202015淤泥质土20207中粗砂土202016粘土20208残积粉土202012粉质粘土202010强风化岩202013表六先喷射2~3遍清水后再喷射一遍水泥浆液的综合注浆固结体强度值土层名称喷射压力(MPa)提升速度(cm/min)固结体平均强度(MPa)土层名称喷射压力(MPa)提升速度(cm/min)固结体平均强度(MPa)人工填土202010砂质粘土202015淤泥20208粉细砂土202017淤泥质土20209中粗砂土202020粘土202010残积粉土202017粉质粘土202012强风化岩202018-6-试验结果表明，在相同的喷射注浆参数条件下，采用先喷射一遍或几遍清水后喷射一遍水泥浆液的方式进行综合注浆，能增强综合注浆固结体的强度，增幅约为15％。一般地，在砂质土、残积土和强风化岩中固结体的强度增幅较大，一般为25％~38.5％，其中在残积粉土试验中，固结体的强度增幅可达41.67％。对于固结体强度要求较高的情况，这种方法较为有效。在采用综合注浆法加固桩底软弱持力层时常采用这种复喷方式来增高固结体强度。3.5不同喷射方法形成的固结体性质旋喷种类固结体性质单管法二重管法三重管法固结体直径平均值（mm）400～800固结体强度极限值（MPa）普通水泥5.0～30.0；高标号水