劉 東

（上海市政工程設(shè)計研究總院集團(tuán)浙江市政設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引言

注漿是工程中常用的一種地基處理方法。該工藝最早使用時間可追溯到1802年，已有兩百多年歷史。WSS注漿是指無收縮雙液注漿，是注漿技術(shù)的一種。近年來，該工藝在在地鐵加固及止水工程中得到廣泛使用，并積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。但是，在市政工程不良地基處理中應(yīng)用案例相對較少。

紹興某市政道路局部路段地下水位較高，地質(zhì)條件較差，存在孔洞。綜合考慮加固效果、施工工期、經(jīng)濟(jì)性等因素，采用WSS注漿處理。依托該工程實(shí)例，從原理及特點(diǎn)、注漿效果評價、關(guān)鍵參數(shù)及施工工序等方面，對WSS注漿在市政道路不良地基處理中的設(shè)計及施工要點(diǎn)進(jìn)行了分析和探討。其成果可為類似工程提供參考。

1 基本原理及特點(diǎn)

從力學(xué)角度，軟土中的注漿體主要有滲透、擠壓、劈裂和填充四種運(yùn)動。在土體中注漿往往都會在注漿孔附近產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象，即便是一些滲透注漿的工程，往往也伴有劈裂。只有當(dāng)產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象時，才能使?jié){液更有效地滲透到土體中。從這個意義上講，滲透和壓密都可以看成劈裂現(xiàn)象的前期階段。

對于該工程WSS注漿，在注漿過程中，處于出漿孔附近的漿液體隨著漿液的注入不斷擴(kuò)大，壓力逐漸增大，部分漿液會滲入到土體孔隙內(nèi)，填充到較大的空隙中。當(dāng)壓力增大到一定程度，土層軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生劈裂，漿液沿破壞面前進(jìn)、擴(kuò)散。

外部注漿壓力將會導(dǎo)致土體中有效應(yīng)力減小，此時最大、最小有效主應(yīng)力σ'1=σ1-γwhw-P，σ'3=σ3-γwhw-P。其中：σ1為最大總主應(yīng)力，σ3為最小總主應(yīng)力，hw為地下水位高度，γw為水的重度，P為注漿壓力。隨著注漿壓力P增大，有效摩爾應(yīng)力圓半徑不變，圓心位置向破壞包線方向平移，當(dāng)圓與破壞包線相切時，表明土體已經(jīng)發(fā)生劈裂（見圖1）。

圖1 極限條件示意圖

WSS注漿采用的漿液材料有三種，分別為A液（Na2O·nSiO2，俗稱水玻璃）、B液（凝膠劑及外加劑）和C液（水泥漿）。A液先后與B液、C液通過二重管端頭的漿液混合器充分混合，分別合成溶液型漿液（水玻璃與凝膠劑及外加劑組成，簡稱AB液）、懸濁型漿液（水玻璃與水泥漿組成，簡稱AC液）。其原理是在不改變地層組成的情況下，先通過AB液將土層顆粒間的水強(qiáng)迫擠出，再利用AC液使該土層粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角值增大，從而使地層粘結(jié)強(qiáng)度及密實(shí)度增加，起到加固作用；顆粒間隙中充滿了不流動而且固結(jié)的漿液后，使土層透水性降低，從而形成相對隔水層[1]。

二重管無收縮雙液注漿主要有以下特點(diǎn)[2-3]：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)定向、定量、定壓注漿，滲透力強(qiáng)。

（2）注漿范圍和凝結(jié)時間可根據(jù)實(shí)際工程需要靈活調(diào)整，工程適應(yīng)性強(qiáng)。

（3）二重管端頭配備漿液混合器，可使?jié){液混合充分且均勻。

（4）可實(shí)現(xiàn)垂直注漿、水平注漿、傾斜注漿等自由角度的注漿。

（5）注漿材料選擇較多，材料來源廣泛。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

紹興某市政道路，其等級為城市快速路，總長度約6.2 km，主線采用高架形式，輔道采用地面形式，主線為雙向六車道，輔道為雙向四車道，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置見圖2所示。

圖2 高架標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖（單位：m）

2.2 地質(zhì)及水文概況

自上而下，場地土層分布情況如下：

（1）素填土：灰～灰黃色為主，松散～稍密狀，主要由塊石、碎石、砂和黏性土組成，骨料成分為中～微風(fēng)化凝灰?guī)r，上部0.2 m瀝青層，河道部位為淤泥混碎石，均勻性較差。該層全場分布，層厚約0.3～6.3 m。

（2）黏土層：灰色，軟塑狀，高壓縮性。含有較多有機(jī)質(zhì)及泥碳，成份以粉、粘粒為主，局部變相為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土或粉質(zhì)黏土，土質(zhì)均勻性差。該層為全新統(tǒng)濱海組上段湖沼相沉積，主要有粘土層、粉質(zhì)黏土層、含礫砂粉質(zhì)黏土。層厚約0.2～7.8 m。

（3）淤泥質(zhì)黏土：灰色，流塑狀，高壓縮性。含少量有機(jī)質(zhì)，成份以粉、粘粒為主，局部變相為淤泥或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土質(zhì)均勻性尚可。該層為全新統(tǒng)濱海組上段湖沼相沉積土層。該層局部缺失，層厚約0.9～24.6 m。

（4）凝灰質(zhì)砂巖：黃褐～紫灰色，極軟巖，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，成份主要由長石、石英和微量金屬礦物被火山灰膠結(jié)而成，砂狀結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，巖體破碎，呈碎塊狀，為白堊系下統(tǒng)朝川組風(fēng)化基巖，風(fēng)化程度為中～強(qiáng)風(fēng)化。該層分布場地東側(cè)，層厚0.2～20 m。

該區(qū)域地下水可以分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，可分為三層，

（1）全新統(tǒng)上段湖沼相粉質(zhì)黏土，黏質(zhì)粉土含水組，含水巖性為灰黃～黃灰色，厚度約2.5～19.5 m左右，水位埋深0.2～3.2 m，含水極為豐富，透水性較好。

（2）上更新統(tǒng)沖湖積、沖積空隙承壓含水層，上部為薄層～中厚層的粉質(zhì)黏土，黏土層，下部為粉砂、含黏性土砂礫層，厚約2.4～14.6 m，水位埋深約4.6～5.2 m。含水性受下部粉砂、含黏性土礫砂層的厚度和分布范圍控制，微承壓，水量中等，透水性一般。

（3）基巖裂隙水，由風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水組成，富水性主要有巖性，地形地貌，風(fēng)化程度，風(fēng)化帶厚度及地表植被發(fā)育程度等因素決定。

該路段典型地質(zhì)剖面圖如圖3所示。

圖3 典型地質(zhì)剖面圖

2.3 特殊路段物探

局部路段（長度約300 m）地質(zhì)情況較為復(fù)雜，地下水位埋深較淺。該路段西側(cè)與南側(cè)均臨河，地下多為原道路回填的大體積塊石，探明其集配不良，在滲流作用下，塊石間細(xì)顆粒流失，導(dǎo)致此處地下土體逐漸發(fā)展形成空洞。

針對此特殊情況，對該區(qū)域進(jìn)行了進(jìn)一步探測。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，共布置完成地質(zhì)雷達(dá)測線5條，高密度電阻率法剖面4條。

地質(zhì)雷達(dá)法測線編號為LD1～LD5,測線長度均為350 m，高密度電阻率法測線編號為1線～4線，測線長度均為350 m，測線統(tǒng)計詳見表1所列。

表1 物探測線統(tǒng)計表

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場勘查及地質(zhì)勘查資料分析，共圈定21處剖面病害異常，總長1 025延米，劃分為14處病害異常區(qū)域，病害相關(guān)性較強(qiáng)。異常區(qū)域主要集中于道路兩側(cè)，主要以疏松區(qū)、空洞為主。其中，較為嚴(yán)重的疏松區(qū)域，路基含水量高，內(nèi)部空洞、不密實(shí)情況較為發(fā)育。病害情況統(tǒng)計見表2所列。

表2 病害情況統(tǒng)計表

測線及病害分布位置見圖4所示。

圖4 物探綜合平面成果圖

通過分析地質(zhì)雷達(dá)剖面圖及高密度視電阻率斷面圖，結(jié)合場地工程地質(zhì)勘察資料，探測結(jié)論如下；該路段路基回填土壓實(shí)度不夠，原狀土層較為疏松，中間拋石較多，孔隙較大；道路南側(cè)臨河，地下水位呈兩側(cè)高中間低的特征；路基土體富水性較強(qiáng)，易形成軟路基，土體粘性顆粒在水力作用下發(fā)生移動，使土體疏松程度加劇，造成路基土顆粒流失，路基上部逐漸發(fā)展為空洞，較易發(fā)生坍塌、冒落現(xiàn)象，導(dǎo)致路基承載力降低。

2.4 處理方案

因篇幅限制，為了簡明扼要闡述依托工程WSS注漿處理思路，方案介紹時進(jìn)行適當(dāng)簡化處理。

由于病害數(shù)量較多，較為分散，為保證路基整體穩(wěn)定性，考慮該路段全局處理。根據(jù)物探及檢測報告，需要采取止水措施以防止?jié)B流作用下繼續(xù)發(fā)生土顆粒的流失。同時，需對土體進(jìn)行加固以滿足地基承載力要求。綜合前文所述WSS注漿主要優(yōu)點(diǎn)，考慮采用WSS注漿對該地質(zhì)不良區(qū)域進(jìn)行處理。對地質(zhì)不良中心區(qū)域采用普通注漿，正三角形布樁，設(shè)計注漿孔擴(kuò)散半徑0.4 m，注漿孔間距2 m，樁長6 m（樁長由地基承載力及變形要求控制）；四周采用WSS注漿，為雙排咬合樁，設(shè)計注漿孔擴(kuò)散半徑1.0 m，注漿孔間距1.6 m，平均樁長10 m（穿透淤泥質(zhì)黏土層），主要作用是形成止水墻，延長滲流路徑，同時有效地減少中間區(qū)域注漿過程中的漏漿。

圖5為地基處理平面設(shè)計圖，圖6為簡化后WSS注漿平面布置示意圖。

圖5 地基處理平面設(shè)計圖

圖6 WS S注漿平面布置示意圖（單位：m）

3 質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

依托工程采用WSS注漿進(jìn)行地基處理，主要目的在于提高地基承載力和降低土體滲透系數(shù)。因此，要求處理范圍內(nèi)選取不少于3點(diǎn)進(jìn)行復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，應(yīng)滿足復(fù)合地基承載力≥90 kPa；同時，要求選取注漿孔總數(shù)的5%～10%進(jìn)行壓水試驗(yàn)，滲透系數(shù)要求≤1×10-7cm/s。

現(xiàn)場測試復(fù)合地基承載力可達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度,經(jīng)壓水試驗(yàn)測得的滲透系數(shù)小于設(shè)計要求值。同時，通過隨機(jī)選定加固區(qū)域直接開挖，觀察漿液充填情況。圖7為注漿后現(xiàn)場之實(shí)景。利用公式（1）反算漿液填充率。反算出的漿液充填率大于85%。

圖7 注漿后現(xiàn)場實(shí)景（開挖后）

式中：Q為現(xiàn)場實(shí)際注入的總漿液量，V為加固土體體積，n為孔隙率，α為漿液填充率，β為漿液損失率。

4 關(guān)鍵參數(shù)分析

材料選擇與配比，注漿壓力，注漿孔布置及擴(kuò)散半徑等均是影響地基處理效果的關(guān)鍵因素。

4.1 材料的選擇與配比

漿液中的外加劑一方面改良漿液，增強(qiáng)漿液的可注入性；另一方面降低漿液凝固后的收縮性,確保注漿和止水效果[4]。

溶液型漿液（AB液）加固后的土體的強(qiáng)度較低，但驅(qū)水效果好。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)，水玻璃與磷酸體積比為30∶1（磷酸濃度為85%），效果較好。懸濁型漿液（AC液）主要起加固作用，濁型漿液（AC液）性能取決于水泥漿水灰比，水玻璃模數(shù)值，漿液養(yǎng)護(hù)條件。濁型漿液中，水玻璃與水泥漿體積比為1∶1，水泥漿水灰比1∶1，加固土體效果較好。水玻璃的模數(shù)值是二氧化硅與氧化鈉百分百分率之比，SiO2對土起到的膠結(jié)作用。試驗(yàn)研究表明，模數(shù)值≤1時，水玻璃加固土強(qiáng)度很小，不適合加固土的要求，1＜模數(shù)值≤3.3時，加固土的強(qiáng)度隨著模數(shù)值的增大而提高，當(dāng)模數(shù)值＞3.3時，加固土的強(qiáng)度隨著模數(shù)值的增大反而降低[5]。因此，水玻璃模數(shù)值范圍宜為1～3.3。

4.2 注漿壓力

注漿壓力是注漿施工中的重要參數(shù)，注漿壓力對施工質(zhì)量，以及工程造價具有直接的影響。

劈裂注漿壓力理論公式如下：

式中：γ為土的重度；h為注漿段高度；K為主應(yīng)力比；c'為有效粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；φ'為有效內(nèi)摩擦角。

實(shí)際工程中，按照公式（2）計算注漿壓力所需要的參數(shù)往往難以準(zhǔn)確獲得，注漿壓力目前較多依靠工程經(jīng)驗(yàn)確定,初步設(shè)計階段注漿壓力可通過以下計算方法確定。

假設(shè)注漿孔底部埋深為H，地下水埋深為h1，孔底靜水壓力計算公式如下：

設(shè)計注漿壓力（終壓值）Pmax一般為靜水壓力的2～3倍，最大可達(dá)到3～5倍[6]，即：

4.3 擴(kuò)散半徑

對于WSS擴(kuò)散半徑相關(guān)規(guī)范中未給出明確的計算公式或取值范圍。擴(kuò)散半徑與注漿壓力、漿液濃度、地層的滲透系數(shù)等多個參數(shù)有關(guān)。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，WSS漿液擴(kuò)散一般取值范圍為1.0～1.2 m。

4.4 施工工序

首先設(shè)備定位，然后進(jìn)行鉆孔，同步進(jìn)行漿液制備。先注入溶液型漿液，達(dá)到要求注漿壓力并持續(xù)一段時間，判斷鉆桿外是否有水溢出，以確定是否可以開始注入懸濁型漿液。注入懸濁型漿液過程中觀察是否有冒漿、竄漿等異常情況，若出現(xiàn)異常需查明原因后重新注漿。主要施工工序見圖8所示。

圖8 WS S注漿施工工序圖

5 結(jié)語

WSS注漿具有較強(qiáng)的工程適用性，通過合理確定漿液材料配合比、注漿壓力及擴(kuò)散半徑等關(guān)鍵參數(shù)，采用該工藝可有效填充地基內(nèi)部空隙，明顯降低土體滲透系數(shù)，在地基加固和止水方面可取得較好的效果。