趙 明

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

0 引言

從1173年始建的米蘭比薩斜塔到近日上海中心大規(guī)模沉降所導(dǎo)致的地面開裂。不均勻沉降所導(dǎo)致的建筑物傾斜問題再次引起了專家、學(xué)者們的注意。建筑物糾偏要達(dá)到兩個(gè)目的，糾傾和加固。建筑物糾偏的思路就是“抬升”和“促沉”，或單獨(dú)使用，或配合進(jìn)行?！疤背Ｓ玫姆椒ㄊ菈好茏{法，“促沉”常用的方法即深層掏土法，深層掏土法對(duì)于建筑物糾偏有糾偏量大的優(yōu)點(diǎn)，但無(wú)益于地基土承載能力的提高，只糾偏，無(wú)加固，有可能在糾偏完成后發(fā)生新的不均勻沉降。對(duì)于壓密注漿法，注漿過程中不僅加固了基礎(chǔ)下部的土體，提高了地基的承載力，防止了發(fā)生新的沉降和傾斜，而且注漿過程中產(chǎn)生的向上抬升力(或者稱為頂升力)還能有效的抬起基礎(chǔ)，扶正建筑物［3］。國(guó)內(nèi)已有煤炭科學(xué)研究總院的馮旭海、中南大學(xué)的巨建勛對(duì)壓密注漿頂升效益進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究，但尚未對(duì)注漿深度和不同土質(zhì)的注漿效果有量化的研究。本文針對(duì)建筑物糾偏過程中常用的壓密注漿糾偏方法進(jìn)行了研究，對(duì)不同注漿深度和不同土質(zhì)的注漿糾偏效果進(jìn)行了對(duì)比，得出了一些有益的結(jié)論。

1 壓密注漿基本理論

壓密注漿通過鉆孔將極稠的漿液擠入土體，在注漿處形成漿泡。漿泡對(duì)周圍土體壓縮，在漿泡臨近區(qū)存在大的塑性變形區(qū)。離漿泡較遠(yuǎn)區(qū)域土體發(fā)生彈性變形，因而土的密度明顯增加。壓密注漿剛開始時(shí)漿泡的直徑和體積較小，壓力主要是徑向即水平方向。隨著漿泡體積的增加，將產(chǎn)生較大的上抬力，因而壓密注漿的擠密作用和上抬力對(duì)沉降基礎(chǔ)加固和抬升是非常有效的。壓密注漿拱升原理如圖1所示。

1．1 上抬作用臨界注漿壓力求解

上抬作用臨界壓力的求解對(duì)于壓密注漿施工中注漿壓力的控制有著重要的意義。計(jì)算模型如圖2所示。

設(shè)圓錐側(cè)面與水平方向夾角為θ，漿泡半徑和引起地表抬升的漿土界面處的壓力之間的關(guān)系可以用式子表述出來(lái)。Wong［1］(1971)針對(duì)欠固結(jié)土的表述如下:

其中，H為注漿深度;Ru為注漿體半徑;Pu為注漿壓力。

從上式可以看出，注漿深度對(duì)注漿壓力的影響最大。

圖1 拱升原理圖

圖2 拱升作用計(jì)算模型

1．2 壓密注漿的適用范圍

壓密注漿法主要用于提高地基土的承載力、防止地基的不均勻沉降、局部地基加固、構(gòu)筑物的糾偏扶正、防止鄰近挖、削造成的房屋地基變形等領(lǐng)域。所以其適用范圍為［4］:

1)地表有硬層(如混凝土或灰土墊層)，中、深層土質(zhì)松軟的砂土地基和濕陷性黃土地基的加固補(bǔ)強(qiáng);2)因非均勻沉降而導(dǎo)致的構(gòu)筑物傾斜的糾偏扶正;3)場(chǎng)地狹窄處建筑物基礎(chǔ)的托換;4)地層液化的預(yù)防和整治。

2 計(jì)算模型與參數(shù)

壓密注漿所要加固的土層實(shí)際上是三維空間，因而漿柱和土層之間是一個(gè)復(fù)雜的三維空間受力問題。目前，在注漿過程中大都采用簡(jiǎn)化模型的方法，本文為簡(jiǎn)化起見，亦將其作為平面應(yīng)變問題來(lái)考慮。

2．1 邊界條件

整個(gè)壓密注漿分為三個(gè)階段:

1)第一階段:沿基礎(chǔ)外緣500 mm打垂直孔，作垂直方向注漿，深度9 m。作用是加固被動(dòng)土，形成阻漿帷幕，擋土封漿［5］。2)第二階段:沿基礎(chǔ)外緣800 mm打傾角為15°方向的斜孔，作傾角為15°方向注漿，深度為9 m。作用是利用深層注漿，加固淤泥質(zhì)土體。3)第三階段:沿基礎(chǔ)外緣800 mm打傾角為20°方向的斜孔，作傾角為20°方向注漿，深度依次為5 m，4 m，3 m。作用是擠密滲透注漿，膨脹擴(kuò)充抬高土體。4)注漿漿液為P．O32．5普通硅酸鹽水泥制成的純水泥漿液，摻2%氯化鈣作早強(qiáng)劑，水灰比0．55。注漿壓力 0．6 MPa ～0．7 MPa。注漿時(shí)，在一定范圍內(nèi)調(diào)整注漿壓力，同時(shí)采用間歇性重復(fù)注漿方式控制注漿液流量，從而使?jié){液能被充分地用于加固土體。

2．2 有限元計(jì)算模型

根據(jù)上述邊界條件在Geostudio軟件的SIGMA/W模塊中建立有限元分析模型，由于注漿效益的對(duì)稱性，可取注漿土體的一邊作為計(jì)算模型，如圖3所示。

2．3 有限元計(jì)算參數(shù)

根據(jù)邊界條件，注漿壓力設(shè)為700 kPa的均布荷載。

由于土的各向異性，材料模擬較為復(fù)雜，為計(jì)算簡(jiǎn)便，地基土和堤壩土的材料模型均為線彈性。本例設(shè)置了上海常見的四種土的參數(shù)，依次是淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，材料參數(shù)如表1所示。

表1 土體參數(shù)

3 不同注漿深度頂升效果對(duì)比

本例依次以注漿深度為5 m，4 m，3 m進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖3 計(jì)算模型

圖4 不同注漿深度的應(yīng)力矢量圖

根據(jù)應(yīng)力的矢量圖和變形網(wǎng)格圖(見圖4，圖5)，在x=4，y=9處拱升效應(yīng)最大，為21．54 cm。有限元計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同注漿深度的變形圖

圖6 位移計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，壓密注漿的糾偏量級(jí)為10－1m。若所需糾偏量過大，則需結(jié)合深層掏土法進(jìn)行糾偏。此外，由不同深度的應(yīng)力矢量圖可得，不同的注漿深度應(yīng)力矢量方向發(fā)生了質(zhì)的變化。所以注漿深度應(yīng)不大于底層加固深度的一半，使應(yīng)力方向朝向建筑物，底部加固層不會(huì)受到較大的荷載，底層加固層不受注漿產(chǎn)生的應(yīng)力作用，故底層加固可適度減弱。

4 不同土質(zhì)注漿頂升效果對(duì)比

本例針對(duì)上海地區(qū)常見的四類土進(jìn)行了同等條件下的壓密注漿有限元模擬，模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同土質(zhì)頂升位移對(duì)比圖

由位移對(duì)比圖可以看出，壓縮模量最小的淤泥質(zhì)土的頂升位移最大，達(dá)到了30．76 cm。粉砂的頂升位移最小，為5．09 cm。針對(duì)上海多淤泥質(zhì)土的工程地質(zhì)情況，壓密注漿的頂升效益較為明顯且能明顯提高淤泥質(zhì)土的壓縮模量。

5 結(jié)語(yǔ)

通過Geostudio軟件的SIGMA/W模塊模擬壓密注漿的頂升效益，可得出以下結(jié)論:1)壓密注漿的糾偏量級(jí)為10－1m。若所需糾偏量過大，則需結(jié)合深層掏土法進(jìn)行糾偏。2)注漿深度應(yīng)不大于底層加固深度的一半，使注漿產(chǎn)生的應(yīng)力方向朝向建筑物基礎(chǔ)。底層加固層不受注漿作用產(chǎn)生的應(yīng)力作用，故底層加固可適度減弱。3)壓縮模量最小的淤泥質(zhì)土的頂升位移最大，針對(duì)上海多淤泥質(zhì)土的工程地質(zhì)情況，壓密注漿的頂升效應(yīng)較為明顯且能提高淤泥質(zhì)土的壓縮模量。

［1] W．H．Y．“Compaetion of soil during pressuregrouting．”PrivateReP，CementationResearehLtd，Riekmansworth，Herts，England，1971．

［2] GEO-SLOPE International Ltd．GEO-SLOPE User’s Manual［Z］．Calgary:Alberta，2001．

［3] 馮旭海．壓密注漿作用機(jī)理與頂升效應(yīng)關(guān)系的研究［D］．北京:煤炭科學(xué)研究總院碩士學(xué)位論文，2003:7．

［4] 巨建勛．土體壓密注漿機(jī)理砌體抬升作用的研究［D］．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003:7．

［5] 黃 蔚．3000 t級(jí)貯槽罐傾斜糾偏處理［J］．施工技術(shù)，2009(38):83-85．

［6] JohnKrahn．Stability Modeling with SLOPE/W［S］．CarIad8:GEO-SLOPE International，LTD，2004．

［7] JdmKrahn．Stress and Deformation Modeling with SIGMA/W［S］．Canada:GEO-SLO PE Intemational，LTD，2004．

［8] JohnKrahn．Stress and Deformation Modeling with SIGMA/W［S］．Canada:GEO-SLOPE International，LTD，2004．