譚鳳群

(鳳臺(tái)縣水利局設(shè)計(jì)室,安徽鳳臺(tái) 232100)

淺談堤防地基加固技術(shù)及應(yīng)用

譚鳳群

(鳳臺(tái)縣水利局設(shè)計(jì)室,安徽鳳臺(tái) 232100)

地基加固在建筑物地基處理上應(yīng)用較多,但堤防地基加固有別于一般建筑物地基加固。本文主要對(duì)堤防地基加固采用的高壓注漿和深層攪拌法地基加固技術(shù)進(jìn)行了分析,對(duì)適用采用該技術(shù)進(jìn)行堤防地基加固的范圍和施工工藝提出了建議。

堤防 地基加固 應(yīng)用

自2005年至2013年七八年間，我們?cè)邙P臺(tái)縣采煤沉陷區(qū)堤防加固工程中，針對(duì)堤基軟弱問(wèn)題應(yīng)用了一些地基加固技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的運(yùn)行觀測(cè)，效果很好，加固后的堤防安全穩(wěn)固，堤身滑坡問(wèn)題得到了很好的解決。堤防地基加固的方法很多，對(duì)于選擇何種方法進(jìn)行堤壩地基加固，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及施工條件進(jìn)行認(rèn)真研究。在堤防地基加固工程中，比較適用的有高壓噴射注漿技術(shù)、深層攪拌法加固技術(shù)等。

1 地基加固方法選擇要點(diǎn)

1.1 地基加固方法選擇的基本原則

在除險(xiǎn)加固工程中，地基加固處理方案的選擇，具體取決于以下諸方面：(1)功能性：必須滿(mǎn)足工程目的和要求；(2)可實(shí)施性：方案的工程規(guī)模、有關(guān)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，在目前的技術(shù)水平條件下是可行的；(3)經(jīng)濟(jì)性：方案通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，投入產(chǎn)出分析，在滿(mǎn)足功能性要求的前提下，工程費(fèi)用較低，工程概預(yù)算能夠承受；在確定采用后尚應(yīng)采用先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化方案，合理使用材料。(4)環(huán)境和安全性：避免工程污染環(huán)境或污染最?。荒鼙Ｕ系谭澜Y(jié)構(gòu)和相鄰建筑物安全，保證施工人員的安全。

1.2 地基加固方法與選擇

地基加固方法的選擇：(1)首先應(yīng)分析采用天然地基的可行性，如有可能應(yīng)盡量采用天然地基。(2)根據(jù)建筑物對(duì)地基的要求和地基條件，確定需要進(jìn)行處理的范圍和處理要求。(3)地基處理方法必須滿(mǎn)足堤防對(duì)地基的設(shè)計(jì)要求，主要指天然地基經(jīng)處理后應(yīng)能達(dá)到的物理力學(xué)指標(biāo)。(4)對(duì)天然地基的條件、處理要求、工程費(fèi)用及材料來(lái)源等各方面進(jìn)行綜合考慮，以確定合適的地基處理方法。(5)地基處理方法原則上一定要技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理，又能滿(mǎn)足施工進(jìn)度要求。通過(guò)分析比較可以采用一種處理方法，也可以采用由兩種或兩種以上的處理方法組成綜合的處理方案。(6)注意節(jié)約能源，注意環(huán)境保護(hù)，避免因地基處理而對(duì)地面水和地下水產(chǎn)生污染，振動(dòng)噪音等對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不良影響。

1.3 幾種地基加固方法的比較

地基加固的方法較多，但在堤防除險(xiǎn)加固工程中，比較適用的有高壓噴射灌漿法、深層攪拌法和振沖法等幾種，其中高壓噴射灌漿法和深層攪拌法既可以做成防滲墻，處理地基滲漏問(wèn)題，也可以用于地基加固。而振沖法、強(qiáng)夯法、排水固結(jié)法等可應(yīng)用于新建或改建堤防工程中。幾種地基加固方法的特點(diǎn)及適用范圍見(jiàn)表1。

雖然常用的幾種地基加固方法可以用來(lái)加固堤身，但往往在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。堤身問(wèn)題可以按照堤防工程施工規(guī)范的有關(guān)要求，采用人工翻建的方法重新填筑，施工質(zhì)量是可以得到保證的，而且還可以利用當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)閑勞動(dòng)力。

2 高壓噴射灌漿和深層攪拌法加固技術(shù)

高壓噴射灌漿和深層攪拌法加固技術(shù)相似，其主要差別在于采用不同的加料拌和手段。

2.1 高壓噴射灌漿技術(shù)

高壓噴射法就是利用工程鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)處理的深度后，用高壓泥漿泵，通過(guò)安裝在鉆桿(噴桿)桿端置于孔底的特殊噴嘴，向周?chē)馏w高壓噴射固化漿液(一般使用水泥漿液)，同時(shí)鉆桿(噴桿)以一定的速度邊旋轉(zhuǎn)邊提升，高壓射流使一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)破壞，并強(qiáng)制與固化漿液混合，凝固后便在土體中形成具有一定性能和形狀的固結(jié)體。

固結(jié)體的形狀和噴射流的移動(dòng)方向有關(guān)。一般分為旋轉(zhuǎn)噴射(簡(jiǎn)稱(chēng)旋噴)，定向噴射(簡(jiǎn)稱(chēng)定噴)和擺動(dòng)噴射(簡(jiǎn)稱(chēng)擺噴)。旋噴樁主要用于加固地基，提高地基的抗剪強(qiáng)度，改善地基土的變形性能，使其在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下，不至破壞或產(chǎn)生過(guò)大的變形。定噴固結(jié)體呈壁狀，擺噴形成厚度較大的扇狀固結(jié)體。定噴和擺噴通常用于地基防滲，改善地基土的水力條件及邊坡穩(wěn)定等工程。

表1 幾種主要垂直防滲與地基加固方法的比較

2.1.1 加固機(jī)理

高噴法如三管高噴法用壓縮空氣包裹高壓噴射水流沖擊破壞攪動(dòng)土體，同時(shí)用低壓灌漿泵灌入漿液，漿液被高壓水、氣射流卷吸帶入，同時(shí)與被攪動(dòng)土體混合形成固結(jié)體。加固地基，形成樁、板、墻的機(jī)理可用五種作用來(lái)說(shuō)明：(1)高壓噴射流切割破壞土體作用 噴流動(dòng)壓以脈沖形式?jīng)_擊土體，使土體結(jié)構(gòu)破壞出現(xiàn)空洞。(2)混合攪拌作用 鉆桿在旋轉(zhuǎn)和提升的過(guò)程中，在射流后面形成空隙，在噴射壓力作用下，迫使土粒向與噴嘴移動(dòng)相反的方向(即阻力小的方向)移動(dòng)，與漿液攪拌混合后形成固結(jié)體。(3)置換作用 三重管高噴法又稱(chēng)置換法，高速水射流切割土體的同時(shí)，由于通入壓縮空氣而把一部分切割下的土粒排出灌漿孔，土粒排出后所空下的體積由灌入的漿液補(bǔ)入。(4)充填、滲透固結(jié)作用 高壓漿液充填沖開(kāi)的和原有的土體空隙，析水固結(jié)，還可滲入一定厚度的砂層而形成固結(jié)體。(5)壓密作用 高壓噴射流在切割破碎土體的過(guò)程中，在破碎帶邊緣還有剩余壓力，這種壓力對(duì)土層可產(chǎn)生一定的壓密作用，使高噴樁體邊緣部分的抗壓強(qiáng)度高于中心部分。

2.1.2 基本種類(lèi)

按噴射介質(zhì)及其管路多少可分為單管法、二管法、三管法等。

(1)單管旋噴法。通過(guò)單根管路，利用高壓漿液(20～30MPa)，噴射沖切破壞土體，成樁直徑為40～50cm。其加固質(zhì)量好，施工速度快和成本低，但固結(jié)體直徑較小。

(2)二管旋噴法。在單管法的基礎(chǔ)上又加以壓縮空氣，并使用雙通道的二重灌漿管。在管的底部側(cè)面有一個(gè)同軸雙重噴嘴，高壓漿液以20MPa左右的壓力從內(nèi)噴嘴中高速?lài)姵觯谏淞鞯耐鈬右?．7MPa左右的壓縮空氣噴出。在土體中形成直徑明顯增加的柱狀固結(jié)體，達(dá)80～150cm。

(3)三管旋噴法。使用分別輸送水、氣、漿三種介質(zhì)的三重灌漿管。高壓水射流和外圍環(huán)繞的氣流同軸噴射沖切破壞土體，在高壓水射流的噴嘴周?chē)由蠄A筒狀的空氣射流，進(jìn)行水、氣同軸噴射，可以減少水射流與周?chē)橘|(zhì)的摩擦，避免水射流過(guò)早霧化，增強(qiáng)水射流的切割能力。噴嘴邊旋轉(zhuǎn)噴射，邊提升，在地基中形成較大的負(fù)壓區(qū)，攜帶同時(shí)壓入的漿液充填空隙，就會(huì)在地基中形成直徑較大、強(qiáng)度較高的固結(jié)體，起到加固地基的作用。

2.1.3 漿液材料

水泥是噴射灌漿的基本材料，水泥類(lèi)漿液可分為以下幾種類(lèi)型：(1)普通型漿液 一般采用普通硅酸鹽水泥，不加任何外加劑，水灰比一般為0．8：1～1．5：1，固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度(28d)最大可達(dá)1．0～20MPa，適應(yīng)于無(wú)特殊要求的工程。(2)速凝－早強(qiáng)型 適于地下水位較高或要求早期承擔(dān)荷載的工程，需在水泥漿中加入氯化鈣、三乙醇胺等速凝早強(qiáng)劑。摻入2%氯化鈣的水泥－土的固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度為1．6MPa，摻入4%氯化鈣后為2．4MPa。(3)高強(qiáng)型 噴射固結(jié)體的平均抗壓強(qiáng)度在20MPa以上?？梢赃x擇高標(biāo)號(hào)的水泥，或選擇高效能的擴(kuò)散劑和無(wú)機(jī)鹽組成的復(fù)合配方等。

在水泥漿中摻入2～4%的水玻璃，其抗?jié)B性有明顯提高。如工程以抗?jié)B為目的，最好使用“柔性材料”?？稍谒酀{液中摻入10～50%的膨潤(rùn)土(占水泥重量的面分比)。此時(shí)不宜使用礦渣水泥，如僅有抗?jié)B要求而無(wú)抗凍要者，可使用火山灰水泥。

2.1.4 高壓噴射灌漿工藝

噴射范圍應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)試驗(yàn)確定。高噴固結(jié)體的范圍大小與土的種類(lèi)和其密實(shí)程度有較密切的關(guān)系，不同的噴射種類(lèi)和噴射方式所形成的固結(jié)體大小也不相同。定噴的噴射能量集中，噴射范圍較大。旋噴粘性土固結(jié)強(qiáng)度為0．3～6．0MPa，無(wú)粘性土固結(jié)強(qiáng)度為4～15MPa。

對(duì)于防滲工程多采用定噴、擺噴，地層含的粒徑較粗時(shí)多采用擺噴或旋噴。對(duì)處理深度大于20m的復(fù)雜地層最好按雙排或三排布孔，使高噴樁形成堵水帷幕?？拙鄳?yīng)為1．73R(R為旋噴固結(jié)體半徑)，排距為1．5R時(shí)最經(jīng)濟(jì)。一般定噴、擺噴孔距為1．2～2．5m，旋噴為0．8～1．2m。高噴防滲效果一般可達(dá)10-5～10-6cm/s。

高噴樁樁距應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載、單樁承載力及土質(zhì)情況而定。一般取樁距為S＝(3～4)d(d為旋噴樁直徑)，樁的布置方式可選用矩形或梅花形布置。

高噴灌漿施工鉆孔的目的是將灌漿管插入預(yù)定的土層中，由下而上進(jìn)行噴射作業(yè)。近來(lái)也有用振沖方式成孔直接進(jìn)行噴射作業(yè)的方法。噴射時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：(1)灌漿深度大時(shí)，易造成上粗下細(xì)的固結(jié)體，影響固結(jié)體的承載能力或抗?jié)B作用，因而需采用增大壓力和流量或降低旋轉(zhuǎn)和提升速度等措施補(bǔ)救；(2)當(dāng)發(fā)現(xiàn)噴漿量不足而影響工程質(zhì)量時(shí)，可采用復(fù)噴技術(shù)；(3)當(dāng)冒漿量大于灌漿量的20%時(shí)，可采用提高噴射壓力、縮小噴嘴直徑、加快提升速度和旋轉(zhuǎn)速度等措施，對(duì)冒出的漿液，可回收利用；(4)根據(jù)工程需要調(diào)節(jié)噴射壓力和灌漿量，改變噴嘴移動(dòng)方向和速度，控制噴射固結(jié)體的形狀，即圓盤(pán)狀、圓柱狀、大底狀、糖糊蘆狀、大帽狀和墻壁狀。(5)噴灌后的漿液有析水現(xiàn)象，可造成固結(jié)體頂部出現(xiàn)凹穴，對(duì)地基加固及防滲不利。為此，可采用靜壓灌漿或漿液中添加膨脹材料等措施預(yù)防。

高壓泵是高壓噴射灌漿中的關(guān)鍵設(shè)備，要求壓力和流量能在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。額定流量為85～150L/min；額定壓力為20～50MPa。

2.1.5 高噴固結(jié)體的質(zhì)量檢測(cè)

(1)開(kāi)挖檢驗(yàn)：待漿液凝結(jié)具有一定的強(qiáng)度后，即可開(kāi)挖檢查固結(jié)體垂直度、形狀和質(zhì)量；(2)鉆孔檢查：從固結(jié)體中鉆取巖芯，進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性能試驗(yàn)。在鉆孔中做壓水或抽水試驗(yàn)，測(cè)定其抗?jié)B能力；(3)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：在旋噴固結(jié)體的中部可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。(4)載荷試驗(yàn)：靜載荷試驗(yàn)分垂直和水平靜載荷試驗(yàn)兩種。試驗(yàn)時(shí)，需在受力部位澆筑0．2～0．3m厚的混凝土層；(5)圍井試驗(yàn)：在板墻一側(cè)增加噴孔，與板墻形成封閉圍井，在井中進(jìn)行壓水和抽水兩種試驗(yàn)，或觀測(cè)井內(nèi)外水位，多用于防滲效果檢查。

高壓噴射灌漿加固地基技術(shù)主要適用于第四紀(jì)沖積層、殘積層及人工填土等。對(duì)于砂類(lèi)土、粘性土、黃土和淤泥等都能加固。但對(duì)礫石直徑過(guò)大、含量過(guò)多及有大量纖維質(zhì)的腐植土噴射質(zhì)量稍差，有時(shí)甚至不如靜壓灌漿的效果。

對(duì)地下水流速過(guò)大，噴射的漿液無(wú)法在灌漿管周?chē)Y(jié)，無(wú)填充物的巖溶地段，永凍土和對(duì)水泥有嚴(yán)重腐蝕的地基，均不宜采用高壓噴射灌漿法。

2.2 高壓噴射灌漿的特點(diǎn)

高噴法具有成本較低，施工速度較快，固結(jié)體強(qiáng)度大，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，與普通灌漿法相比又具有以下特點(diǎn)。

高噴法是利用高速水流強(qiáng)制性地破壞土體形成固結(jié)體，在覆蓋層中一般不存在可灌性問(wèn)題；同時(shí)由于高速射流被限制在土體破碎范圍內(nèi)，因此漿液不易流失，能保證預(yù)期的加固范圍和控制固結(jié)體的形狀；能在鉆孔中任何一段內(nèi)施工，也可以在孔底或中部噴射，此外，也可以水平方向噴射和傾斜方向噴射施工；高噴法通常采用水泥漿液，不會(huì)造成環(huán)境和地下水的污染，且耐久性較好；施工噪音較小，單管和二管法施工較簡(jiǎn)便。

3 深層攪拌法技術(shù)

深層攪拌法是利用水泥作為固化劑，通過(guò)特別的深層攪拌機(jī)械，在地基深處就地將軟土和水泥(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌后，水泥和軟土將產(chǎn)生一系列物理—化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)改性。改性后的軟土強(qiáng)度大大高於天然強(qiáng)度，其壓縮性，滲水性比天然軟土大大降低。

3.1 加固機(jī)理

軟土與水泥采用機(jī)械攪拌加固的基本原理，是基于水泥加固土的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。減少了軟土中的含水率，增加了顆粒之間的粘結(jié)力，增加了水泥土的強(qiáng)度和足夠的水穩(wěn)定性。在水泥加固土中，由於水泥的摻量較小，一般占被加固土重的10～15%。水泥的水化反應(yīng)完全是在具有一定活性的介質(zhì)——土的圍繞下進(jìn)行，所以硬化速度較慢且作用復(fù)雜。

3.2 水泥土的主要特性

3.2.1 物理性質(zhì)

水泥土的容重與天然土的容重相近，但水泥土的比重比天然土的比重稍大。

3.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度一般為300～400kPa，比天然軟土大幾十倍至百倍，但影響水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素很多，如水泥摻入量、齡期、水泥標(biāo)號(hào)、土樣含水率和有機(jī)質(zhì)含量以及外摻劑等等。

為了降低工程造價(jià)，可以采用摻加粉煤灰的措施。摻加粉煤灰的水泥土，其強(qiáng)度一般比不摻粉煤灰的高。不同水泥摻入比的水泥土，當(dāng)摻入與水泥等量的粉煤灰后，強(qiáng)度均比不摻粉煤灰的提高10%，因此采用深層攪拌法加固軟土?xí)r摻入粉煤灰，不僅可消耗工業(yè)廢料，還可提高水泥土的強(qiáng)度。

3.3 施工技術(shù)

3.3.1 加固型式

根據(jù)目前的深層攪拌法施工工藝，攪拌樁可布置成柱狀、壁狀和塊狀三種型式，在堤防上用于地基加固，主要采用樁式，而用于防滲加固，應(yīng)采用壁狀式，壁狀式是將相鄰攪拌樁部分重疊搭接即成為壁狀加固型式，組成水泥土擋墻，這種擋墻具有較高的抗?jié)B性能，可以形成良好的隔水帷幕。

3.3.2 施工工藝

(1)濕法施工。主要的施工機(jī)械為深層攪拌機(jī)。深層攪拌法的施工主要可分為定位、預(yù)攪下沉、制備水泥漿、提升噴漿攪拌、重復(fù)上下攪拌、清洗等幾個(gè)步驟。

(2)干法施工。干法是采用水泥粉料，由空氣輸送，通過(guò)攪拌葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空隙部位噴出，并隨著攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)均勻分布在整個(gè)空隙軌道面內(nèi)，進(jìn)而和原位地基土攪拌并混合在一起。施工機(jī)械主要是鉆機(jī)、粉體發(fā)送器、空氣壓縮機(jī)、攪拌鉆頭等。

施工工序主要為：(1)柱體對(duì)位；(2)下鉆；(3)鉆進(jìn)結(jié)束；(4)提升噴粉；(5)提升結(jié)束樁形成體等幾個(gè)步驟。

3.4 適用范圍

深層攪拌法最適宜加固各種成因的飽和軟粘土，常用于淤泥、淤泥質(zhì)土、粘土、亞粘土等地質(zhì)的加固，成樁深度可達(dá)30m，采用多頭小直徑樁成墻深度可達(dá)18m。

在堤防除險(xiǎn)加固工程中，深層攪拌樁適用于處理軟基堤防上滑坡段的。同時(shí)，還可以組成截滲墻，取得較好的防滲效果。

3.5 深層攪拌法主要優(yōu)點(diǎn)

3.5.1 加固效果好,加固方式靈活,適用面廣

深層攪拌法可采用不同的加固型式、不同的樁長(zhǎng)和置換率以滿(mǎn)足不同土質(zhì)條件和不同荷載要求的加固目的。對(duì)河道這種區(qū)域狹長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)沉降要求較高的工程比較適宜。采用攪拌樁擋土墻作為河岸邊坡支護(hù)不僅能夠保證邊坡穩(wěn)定，還具有防滲功能。

3.5.2 施工速度快

一般來(lái)說(shuō)，每臺(tái)深層攪拌機(jī)建造攪拌樁截滲墻的工效達(dá)13．2m2/臺(tái)·時(shí)。

3.5.3 可充分利用原軟土,無(wú)棄土問(wèn)題

深層攪拌法是一種原位加固技術(shù)，可充分利用原狀土，無(wú)棄土問(wèn)題。

4 主要應(yīng)用工程介紹

4.1 鳳臺(tái)縣金剛圩塌陷段地基處理工程

金剛圩塌陷段在2005年度汛期間，因擋水水位高，地基不穩(wěn)，堤基滑動(dòng)造成決口。事后經(jīng)地質(zhì)勘察，發(fā)現(xiàn)該段堤基下存在淤泥層，淤泥層厚大于11米，地基承載力小。針對(duì)該段淤泥層厚、不宜挖除置換土的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)在該段堤壩背水側(cè)平臺(tái)處進(jìn)行粉噴樁加固地基。設(shè)計(jì)樁距1．0m，拍距1．2m，樁徑0．5m，梅花形布置，樁底進(jìn)入持力層大于1m，設(shè)計(jì)復(fù)合地基承載力120kpa。該工程2006年實(shí)施后，遇2007年大汛，和該段相鄰的地質(zhì)情況相似的堤段地基滑動(dòng)造成堤壩決口，而該加固段堤壩依然牢固如初。

4.2 鳳臺(tái)縣許大湖圩塌方段地基加固工程

許大湖圩塌方段位于老河道上，堤下淤泥層6-7m，堤長(zhǎng)120m。在2012年土方加固時(shí)，因堤身高，造成地基深層滑動(dòng)，堤身下沉近3m。因該段堤壩上方有35KV高壓輸電線(xiàn)路，采用粉噴樁施工機(jī)械機(jī)身高，不安全，遂采用高壓水泥旋噴樁。設(shè)計(jì)樁距1．5m，排距1．5m，梅花形布置，樁徑0．8m，樁端進(jìn)入持力層深度2m，樁長(zhǎng)8．5m，設(shè)計(jì)復(fù)合地基承載力130Kpa。樁基加固后，對(duì)堤壩進(jìn)行土方填筑，目前運(yùn)行良好。

5 結(jié)語(yǔ)

堤防地基加固的主要目的是提高地基承載力，同時(shí)提高地基抗?jié)B能力。一般適用地基有較厚軟弱層的地質(zhì)情況，如軟弱層較薄，則采取挖淤置換土的方式比較經(jīng)濟(jì)。粉噴樁和旋噴樁所用材料，一般宜用普通硅酸鹽水泥；對(duì)有防滲要求的，也可采用復(fù)合硅酸鹽水泥。對(duì)地基淤泥層含水量較大、地基土松軟的情況，粉噴樁的效果要好于旋噴樁。旋噴樁冒漿、跑漿量大，灌漿壓力不易掌握，容易造成斷樁現(xiàn)象。