羅小博，宋彧，郭啟明

（蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

隨著“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)，從國家發(fā)展戰(zhàn)略出發(fā)，西北地區(qū)贏得了廣闊的發(fā)展空間，尤其在建筑工程領(lǐng)域取得了快速發(fā)展[1].眾所周知，西北地區(qū)地質(zhì)條件主要以濕陷性黃土[2]居多.該土有別于軟土、黏土等，具有浸水后的原狀黃土微觀顆粒間發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，原穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，土體強(qiáng)度明顯下降，在力的作用下產(chǎn)生濕陷性變形等顯著特征，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降，影響安全與穩(wěn)定[3].

目前，在工程結(jié)構(gòu)地基加固方面通常采用的傳統(tǒng)方法有夯實(shí)法、灰土墊層法、擠密樁法，但它們分別具有對既有建筑擾動大、易受水侵蝕、施工冗雜及污染環(huán)境等缺點(diǎn)，因而在現(xiàn)代化生產(chǎn)中逐漸被棄用.相應(yīng)地，新型劈裂注漿法由于具有施工速度快、影響范圍小、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，很快被納入地基處理的理論研究與工程實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中.周茗如等[4]依據(jù)漿液性能試驗(yàn)及室內(nèi)模型試驗(yàn)對水泥基漿料在黃土劈裂注漿中的應(yīng)用進(jìn)行研究；周書明等[5]利用洞內(nèi)超前預(yù)注漿方法對隧道拱部淤泥質(zhì)黏土地層進(jìn)行加固，效果良好；孫峰等[6]采用劈裂注漿對已沉降變形的地下管道進(jìn)行抬升處理，并結(jié)合三維有限差分?jǐn)?shù)值法對其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果與試驗(yàn)相吻合；為了提高鋼花管微型樁的水平抗剪及抗彎性能，王開洋等[7]提出了一種二次注漿豎向鋼花管微型樁新技術(shù)；周茗如等[8-9]從斷裂力學(xué)角度出發(fā)，提出了一種黃土劈裂注漿土體裂紋擴(kuò)展模型，在注漿壓力及土層地應(yīng)力作用下，漿液在裂紋中形成漿脈，對土體起到骨架支撐作用.Li等[10-14]眾多學(xué)者對劈裂注漿理論、試驗(yàn)及應(yīng)用方面也進(jìn)行了大量的研究.

然而，對于濕陷性黃土地區(qū)劈裂注漿[15]復(fù)合地基的相關(guān)研究仍處于起步階段，未見對其穩(wěn)定性、承載能力及沉降計算進(jìn)行過確定的分析與評價.各種重要參數(shù)只能依靠施工經(jīng)驗(yàn)來確定，具有很大的不確定性，甚至對一些施工精度較高的結(jié)構(gòu)來說，其安全性更加無法保證.基于此，本文以甘肅省定西市某工程場地為研究對象，對劈裂注漿加固后的復(fù)合地基進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)及浸水試驗(yàn)，并對完工后的建筑物進(jìn)行沉降監(jiān)測，提出一種適用于樁徑較小的復(fù)合地基的沉降計算新方法，并與傳統(tǒng)計算方法進(jìn)行對比分析，為今后類似場地同類型地基結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工及加固等提供參考.

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

甘肅定西地處黃土高原和西秦嶺山地交匯區(qū)，試驗(yàn)場地位于定西北部的黃土丘陵溝壑區(qū)，占地面積約1 642.45 m2，濕陷性較強(qiáng).此處建有一棟長21.5 m、寬15.8 m、高13.7 m 的三層磚混結(jié)構(gòu)建筑物，基礎(chǔ)形式采用條形基礎(chǔ)，埋深1.5 m，設(shè)計使用年限為50 年.

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)相應(yīng)工程地質(zhì)勘查報告可知，建筑場地土層自上而下依次分為：素填土（Q4ml）、粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）、黃土狀粉土（Q4eol）及泥巖（N），其基底下各土層示意圖如圖1 所示，具體參數(shù)見表1.

圖1 基底下土層分布圖Fig.1 Distribution of subbasement soil

2 劈裂注漿試驗(yàn)

由于加固工程時間緊迫，且考慮到后續(xù)一系列試驗(yàn)，在該工程場地范圍內(nèi)（土層分布基本一致）選取某一區(qū)域，采用與實(shí)際加固工程完全一樣的材料、方法等，進(jìn)行劈裂注漿基礎(chǔ)性試驗(yàn).

2.1 原材料及設(shè)備的選擇

注漿主要材料選用PO.42.5 普通硅酸鹽水泥，物理力學(xué)性能指標(biāo)見表2，采用滿足規(guī)范[16]要求的自來水，并依照文獻(xiàn)[17]，按1 ∶1 水膠（質(zhì)量）比配制成水泥漿備用.

表2 水泥物理性能指標(biāo)Tab.2 Physical properties of cement

試驗(yàn)中常用設(shè)備有：水泥攪拌桶、履帶式潛孔鉆車、KS100/120 液壓注漿機(jī)及耐振型壓力表，主要儀器如圖2 所示.

圖2 主要儀器Fig.2 Layout of instruments

2.2 孔位布置、注漿方式及過程

注漿鉆孔直徑取160 mm，孔距800 mm，深度7.2 m，共計23 孔，按正三角形布設(shè)（避免了單樁置換面積重疊效應(yīng)的發(fā)生，在滿足設(shè)計強(qiáng)度要求的前提下，節(jié)約成本，使得經(jīng)濟(jì)效益最大化），并對每孔進(jìn)行編號，如圖3 所示.

圖3 注漿孔布置（單位：mm）Fig.3 Layout of grouting hole（unit：mm）

然后采用底端密封、可拆卸的、用螺紋連接的五等段鋼花管自下而上的兩次分層注漿法，即第一次采用全段開孔鋼花管注漿（如圖4（a）所示），第二次注漿時所用鋼花管僅在末端1.4 m 處開孔（如圖4（b）所示）.

圖4 鋼花管示意圖（單位：cm）Fig.4 Diagram of steel flower tube（unit：cm）

為了后續(xù)開挖方便且不影響附近注漿孔，選擇圖3 中邊緣處的孔1 與孔2 為研究對象.一次鉆孔注漿時，在壓力表上控制最大注漿壓力為0.3 MPa，待指針出現(xiàn)明顯回落時，表明孔周土體已被劈裂，此時繼續(xù)注入水泥漿液至設(shè)計量；1 d 后再進(jìn)行二次鉆孔注漿，分別對第5 層、第4 層、第3 層、第2 層、第1 層注漿，每次保證最大注漿壓力0.6 MPa，指針有明顯回落時停止注漿；最后對由于吸水下陷的每孔進(jìn)行補(bǔ)漿，循環(huán)4～5 次至補(bǔ)滿為止，以保證樁身的完整性.

2.3 靜載荷及浸水試驗(yàn)

2.3.1 天然地基與注漿復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)

為了驗(yàn)證劈裂注漿后地基較天然地基承載效果，需對兩者分別測出Q-s 關(guān)系曲線，進(jìn)而對比分析所得特征值大小.在場地內(nèi)隨機(jī)選取3 塊區(qū)域作為天然地基，選取注漿56 d 后樁身較完整的1 號、5號、8 號、18 號樁作為單樁復(fù)合地基.主要儀器采用：50 t 液壓千斤頂、量程為1 cm 及精度為0.001 mm 的千分表、直徑800 mm 及厚度30 mm 的圓形鋼載荷板、一輛空載約40 t 的雙橋車，如圖5 所示.

圖5 現(xiàn)場加載圖Fig.5 Diagram of field loading

利用10 kg 重的觸探儀錘依據(jù)規(guī)范[18]選取5 點(diǎn)進(jìn)行輕型動力觸探試驗(yàn)，測出天然地基的最大加載量約為140 kN；劈裂注漿復(fù)合地基可參考文獻(xiàn)[19-20]估算出所需要的最大加載量為400 kN.試驗(yàn)前期準(zhǔn)備就緒后，分9 級進(jìn)行現(xiàn)場加卸載試驗(yàn)，每級加載量見表3.

表3 分級加載表Tab.3 Graded loading

2.3.2 浸水試驗(yàn)

為了進(jìn)一步評價劈裂注漿對黃土濕陷性的消除效果，在原靜載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別在天然地基與注漿后的復(fù)合地基上開挖長、寬、高分別為2.8 m、2.4 m及0.3 m 的試坑（兩坑浸水互不影響），其中復(fù)合地基的開挖位置如圖6 所示，試坑內(nèi)包括10 根完整的劈裂注漿樁，且四周均處于漿脈作用范圍之內(nèi)，以示充分代表劈裂注漿復(fù)合地基.在每個試坑中分別設(shè)置4個沉降觀測點(diǎn)，復(fù)合地基考慮到漿脈填充擠密作用下樁周土的濕陷性，因此，沉降觀測點(diǎn)的設(shè)置要盡量避開樁芯所在位置，設(shè)置在樁間土之間，如圖6 所示.距試坑邊10 m 處設(shè)置2 個基準(zhǔn)點(diǎn)，分別用于日常觀測及校核.

圖6 復(fù)合地基浸水位置及沉降觀測點(diǎn)位Fig.6 Position and settlement observationpoint of the composite foundation

然后向試坑中注水，水頭控制在15～20 cm，此次浸水試驗(yàn)共注水30 d，總注水量約為168 m3，現(xiàn)場注水情況如圖7 所示.

圖7 試坑現(xiàn)場注水圖Fig.7 Water injection at test sit

對浸水階段（30 d）及停止注水階段（30 d）的濕陷量進(jìn)行統(tǒng)計，記錄如表4 所示.

表4 試坑濕陷量記錄表Tab.4 Recording the depression of test pit

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 劈裂注漿開挖結(jié)果分析

注漿7 d 后，用挖機(jī)開挖試驗(yàn)孔1 和2 至3 m深，對裸露的注漿樁芯及樁周漿脈形狀進(jìn)行初步觀察，并用鋼卷尺測量漿脈擴(kuò)散距離及其厚度，觀察分層劈裂注漿效果.現(xiàn)場開挖情況及效果如圖8 所示.

圖8 現(xiàn)場開挖及效果圖Fig.8 Site excavation and effect

從圖8（b）可看出，試驗(yàn)孔1、2 形狀良好且大致呈圓柱形，在樁頂以下24 cm 處開始出現(xiàn)不規(guī)則形漿脈.圖8（c）顯示，在同一平面上，漿脈以樁芯為中心向外逐漸擴(kuò)散，由于上部土層相對疏松，漿脈伸展長度較下部土體亦大，長度控制在39～52 cm；其次，也可清楚地看到，在土層松軟處，且注漿壓力較大時，漿液會在鋼花管開孔處噴射而出，劈裂土體，漿脈近似呈“十”字形分布；當(dāng)某一側(cè)土體松軟時，漿液會優(yōu)先劈裂松軟土體，涌入大量漿液，使得壓力降低，不易劈裂其他方向上的土體，這時漿脈會近似呈“Y”形分布；各層土體漿脈數(shù)量保持在3～5 之間；在豎向，上部土體較為松軟，使得漿脈縱向相連，類似“片狀”體，從而增強(qiáng)了漿脈的豎向抗剪能力，同時提高了對樁周土體的擠密作用，使樁土作用更加協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了復(fù)合地基的承載能力；靠近樁芯的漿脈厚度較大，無法對其準(zhǔn)確測量，粗略估計在4～7 cm 之間，遠(yuǎn)端漿脈厚度較小，在0.1～0.9 cm 之間，如圖8（d）所示.綜上，在西北濕陷性黃土區(qū)采用鋼花管兩次、分層的劈裂注漿方式是可行的，且劈裂效果良好.

3.2 靜載荷試驗(yàn)結(jié)果分析

對天然地基區(qū)域1、2、3 的靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可得各區(qū)域Q-s 關(guān)系曲線，如圖9 所示.由圖可知，天然地基沉降速率隨荷載增加逐漸增大，說明該地區(qū)土質(zhì)較為均勻；區(qū)域1、2 沉降曲線較為相近，當(dāng)荷載增加至140 kN 時，二者沉降速率均出現(xiàn)明顯增大，沉降量迅速增加至10 mm，說明已達(dá)到天然地基的極限承載能力，取上一級荷載126 kN 為其極限荷載；區(qū)域3 的沉降曲線明顯區(qū)別于區(qū)域1、2，當(dāng)荷載超過84 kN 后，其沉降速率迅速增加，加載至126 kN 時，沉降量迅速增大至10 mm，取上一級荷載112 kN 為其極限荷載；與動力觸探試驗(yàn)結(jié)果基本相同，取三者的均值120.8 kPa 作為天然地基的承載力特征值.

圖9 天然地基各區(qū)域Q-s 曲線圖Fig.9 Q-s curve of natural foundation

對1 號、5 號、8 號及18 號單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得復(fù)合地基Q-s 關(guān)系曲線，如圖10 所示.曲線顯示，各試樁的沉降曲線基本相同，0～200 kN 時均處于線彈性階段，樁土作用協(xié)調(diào)、共同承擔(dān)荷載；200～360 kN 時處于塑性階段，土體被壓縮，部分漿脈被剪斷，樁體相對土體開始向下移動；360～400 kN 時處于破壞階段，沉降量迅速增大，復(fù)合地基喪失原始樁土結(jié)構(gòu)，因此可判斷1 號、5 號、8 號及18 號單樁復(fù)合地基的極限承載力均為716 kPa，承載力特征值均為358 kPa.

圖10 復(fù)合地基各樁Q-s 曲線圖Fig.10 Q-s curve of in composite foundation

荷載較小時，各試樁的沉降變化高度一致，當(dāng)加載超過120 kN 后，開始出現(xiàn)分化，1 號樁與5 號樁的沉降速率逐步快于8 號樁與18 樁，而8 號樁的沉降速率變化最為緩慢.原因是1 號、5 號樁位于注漿區(qū)域的最外側(cè)，注漿后的土體依然存在部分缺陷，而位于注漿區(qū)域內(nèi)側(cè)的18 號樁及中心處的8 號樁，由于相鄰樁芯及漿脈的擠密作用，使得土體更加密實(shí)，土體缺陷也得到充分彌補(bǔ)，因此其注漿加固效果也更加明顯.針對此類問題，可適當(dāng)加大外圍注漿孔的注漿量，以增加外圍土層中的漿脈數(shù)量，填充土體空隙，擠密樁周土體，提高承載能力.與前面天然地基相比，劈裂注漿法加固后的黃土地基承載能力較其提高近3 倍，極大地改善了黃土的工程性質(zhì)，說明該方法用于加固濕陷性黃土地基是可行的.

3.3 浸水試驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)表4 中所記錄的原始數(shù)據(jù)，將其繪制成如圖11 所示的濕陷量隨浸水時間變化的關(guān)系曲線圖.曲線反映出，天然地基在注水停止5 d 后濕陷量增長緩慢且呈現(xiàn)收斂趨勢，劈裂注漿復(fù)合地基在注水27 d 時就呈現(xiàn)收斂趨勢，濕陷已基本完成，再次注水對其濕陷量影響不大；注水60 d 后天然地基的濕陷量達(dá)到了111.2 mm，而復(fù)合地基的濕陷量僅有36.9 mm，能夠有效消除黃土近67%的濕陷性.

4 復(fù)合地基沉降量計算公式推導(dǎo)

前面部分對劈裂注漿（如圖12 所示）現(xiàn)場試驗(yàn)、承載及濕陷性等方面做了研究，并用同樣手段對場地內(nèi)建筑物進(jìn)行了地基注漿加固.以此為契機(jī)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際工程相結(jié)合，在樁土變形協(xié)調(diào)假設(shè)[21]的基礎(chǔ)上，提出一種適用于樁徑較小的剛性樁復(fù)合地基沉降計算新方法，但其也有一定的局限性，即當(dāng)樁徑較大時，樁體下沉對樁周土影響較大，此時樁體沉降量與樁周土沉降有所差異，與該計算方法假設(shè)相悖.

圖12 劈裂注漿示意圖Fig.12 Diagram of splitting grouting

4.1 樁土應(yīng)力比推導(dǎo)法

與獨(dú)立算法相同，該方法認(rèn)為樁土變形協(xié)調(diào)一致，在荷載作用下，樁體的沉降等于樁間土沉降ss，而樁體沉降由褥墊層壓縮量su、樁身壓縮量sc及樁端下土體壓縮量sz組成，則滿足式（1）：

樁端下土體壓縮量sz可認(rèn)為由樁端應(yīng)力作用而成，樁端應(yīng)力σz為：

式中：Qp為樁頂荷載，kN；f 為樁側(cè)摩阻力，kPa；Ar為樁側(cè)表面積，m2；Ap為單樁樁身橫截面面積，m2.

則由分層總和法可求得樁端下土體壓縮量sz：

式中：Esj為基底下第j 層土的壓縮模量，MPa；zj為樁端下第j 層土底部深度，m；為基底下第j 層土底部的平均附加應(yīng)力系數(shù).

當(dāng)樁徑較小時，可認(rèn)為樁間土沉降ss不受樁側(cè)摩阻力影響，僅由樁間土的附加應(yīng)力σs作用而成，如式（4）.

褥墊層壓縮量su、樁身壓縮量sc則可用樁頂?shù)母郊討?yīng)力σp表示為：

式中：L 為基礎(chǔ)長度，m；h 為加固區(qū)頂部到下臥層頂部的深度，m；Ec為墊層壓縮模量；Ep為樁身壓縮模量，MPa.

聯(lián)立式（1）～式（5）可得：

由樁土變形協(xié)調(diào)可知，樁頂應(yīng)力σp與樁間土應(yīng)力σs還滿足關(guān)系式：

式中：As為基底樁間土面積，m2；F 為上部結(jié)構(gòu)總荷載.

聯(lián)立式（6）（7）可得樁土應(yīng)力比n，將σs回代入式（4）就可得復(fù)合地基的總沉降量.

4.2 同期建筑地基注漿加固沉降監(jiān)測

將建筑物四周各觀測點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)繪制成圖13所示曲線，表明建筑物基礎(chǔ)發(fā)生均勻沉降，整體沉降速率一直減緩，并呈現(xiàn)收斂趨勢，在安全使用范圍之內(nèi).因?yàn)闇y點(diǎn)1、2 位于排水溝渠附近，導(dǎo)致其沉降稍大于觀測點(diǎn)3、4，從而證明了劈裂注漿加固方式處理濕陷性黃土地基的有效性.

圖13 建筑物沉降量隨時間變化Fig.13 Settlement changes with time of building

4.3 計算實(shí)例及對比分析

由圖13 可看出，建筑物沉降基本均勻，因此取其豎向的某一條形基礎(chǔ)進(jìn)行分析，該條形基礎(chǔ)尺寸及基礎(chǔ)下的注漿樁分布如圖14 所示.

圖14 條形基礎(chǔ)尺寸及注漿樁分布示意圖（單位：mm）Fig.14 Strip foundation size and grouting pile distribution（unit：mm）

計算基礎(chǔ)上部總荷載約為2 800 kN，則求得基底處應(yīng)力170.73 kPa，土體的自重應(yīng)力25.35 kPa，因此基底附加應(yīng)力為145.38 kPa.

由公式（2）求得樁端應(yīng)力σz為：

再用分層總和法求出sz，沉降計算見表5，可知，sz=0.191 2σp-504.051（mm）.

表5 沉降計算表Tab.5 Settlement calculation

再用分層總和法求出樁間土沉降ss，沉降計算統(tǒng)計見表6，可知，ss=0.44 σs（mm）.

表6 沉降計算統(tǒng)計表Tab.6 Statistical of settlement calculation

將各參數(shù)代入公式（4）（6）（7），求得最終沉降量為23.945 mm.

考慮到文章篇幅，采用其他計算方法[22]求得劈裂注漿后復(fù)合地基沉降量的具體計算過程已省略.將各方法的沉降計算結(jié)果匯總于表7.

表7 沉降計算結(jié)果匯總表Tab.7 Summary of settlement calculation results

以試驗(yàn)法記錄沉降量為基準(zhǔn)值，其他算法誤差相對較大，推導(dǎo)法所得樁土應(yīng)力比與試驗(yàn)法基本相同，表明了該方法的實(shí)用性.

5 結(jié)論

1）鋼花管兩次、分層劈裂注漿后，每層土體漿脈數(shù)量在3～5 之間，呈“Y”形或“十”形分布；在水平方向擴(kuò)散距離超過約40 cm，相鄰樁體間的漿脈出現(xiàn)相互連接；漿脈豎向相連呈“片狀”，增強(qiáng)了復(fù)合地基的整體性與豎向抗剪能力.

2）劈裂注漿法加固處理后（承載力特征值為358 kPa）的黃土地基承載力較原有地基（120.8 kPa）提高了近3 倍，極大地改善了黃土的工程性質(zhì)，也表明了劈裂注漿復(fù)合地基應(yīng)用于工程實(shí)踐的可行性.

3）注水60 d 后，同一場地劈裂注漿加固方式（濕陷量為36.9 mm）較天然地基（濕陷量為111.2 mm）能夠有效消除黃土超過67%的濕陷性，表明該方法可用于處理濕陷性黃土地基.

4）為劈裂注漿復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的確定及沉降計算提供了一種新思路、新方法，且計算簡便、適用性較強(qiáng).