黃楚彬 張后登 胡可寧 姜開渝

(1. 中建三局投資發(fā)展公司 武漢 430000；2. 中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢 430000；3. 宜昌市建筑市場和質(zhì)量安全監(jiān)督站 443000；4.東南大學土木工程學院 南京 210096)

引言

土巖組合地基是指在地基主要受力層范圍內(nèi)下臥基巖表面坡度較大或者石芽密布并有出露或者大塊孤石(個別石芽)出露的地基[1]。淺埋式錨碇基礎(chǔ)持力層通常為土巖組合地基，相對于整體沉降，錨碇基礎(chǔ)對差異沉降更為敏感，選取合理的注漿加固方案是減小錨碇基礎(chǔ)不均勻沉降，保證懸索橋安全穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在砂卵(礫)石地層中注漿，往往要求注入的漿液能形成連續(xù)、穩(wěn)定的膠結(jié)體，漿液的擴散半徑和結(jié)石體強度確定仍以經(jīng)驗為主，是一個尚未解決的技術(shù)難題。試驗方面，楊坪[2]通過注漿模擬試驗，得出漿液的擴散距離、結(jié)石體抗壓強度與其影響因素之間的關(guān)系。阮文軍[3]利用平板裂隙注漿裝置進行試驗，基于試驗結(jié)果，建立了穩(wěn)定性漿液注漿擴散模型。李鵬[4]設(shè)計了劈裂注漿模型試驗裝置，模擬斷層破碎帶劈裂注漿過程，通過布設(shè)監(jiān)測元件記錄，分析注漿過程關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律。理論分析方面，張慶松[5]推導了劈裂通道內(nèi)牛頓流體漿液的擴散運動方程，最終得到劈裂通道寬度及漿液壓力的空間分布方程。李超[6]假設(shè)漿液為牛頓流體，推導了漿液劈裂巖石產(chǎn)生單條裂縫時，漿液最大擴散長度隨注漿壓力變化的計算公式。數(shù)值分析方面，盧偉[7]基于FLAC3D實現(xiàn)了考慮漿液和砂卵石土參數(shù)動態(tài)變化的滲流場與應(yīng)力場耦合下注漿擴散過程模擬，研究了漿液在砂卵石土中柱面滲透擴散機制。

本文以宜昌市伍家崗長江大橋江南側(cè)淺埋式重力錨碇基礎(chǔ)為背景，通過現(xiàn)場注漿工藝試驗、現(xiàn)場載荷試驗、顆粒級配試驗等方式，完成了基底加固的注漿分區(qū)劃分，確定了注漿加固方案及其參數(shù)，可為設(shè)計提供依據(jù)，也為類似工程提供數(shù)據(jù)參考。

1 工程概況

伍家崗長江大橋為主跨1160m的鋼箱梁懸索橋，江北側(cè)采用隧道錨，江南側(cè)采用淺埋式重力錨碇。淺埋式重力錨碇基礎(chǔ)采用外徑85.0m、高15.0m的圓形擴大基礎(chǔ)?；A(chǔ)底面絕對高程為55.3m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，下臥基巖面的絕對高程為25m～50m，呈現(xiàn)東南側(cè)較低，其余方向稍高的“簸箕”狀，錨碇基礎(chǔ)范圍的地基為不均勻的土巖組合地基，如圖1所示；基底持力層為④2-2含中粗砂卵礫石，厚度為5m～30m，其承載力基本容許值為400kPa，與錨碇混凝土基礎(chǔ)底面的摩阻系數(shù)μ=0.4～0.5。在最不利荷載組合作用下，錨碇基底前趾區(qū)應(yīng)力為498.7kPa，后趾區(qū)應(yīng)力為463.1kPa。由于土巖組合地基的剛度在錨碇基礎(chǔ)范圍內(nèi)分布不均勻，加上主纜拉力的偏心荷載作用，錨碇基礎(chǔ)極易產(chǎn)生不均勻沉降。

圖1 試驗點平面布置示意Fig.1 Layout of test points

2 注漿工藝

在基坑前趾區(qū)域和后趾區(qū)域各布置一組直剪試驗點和一組載荷試驗點。試點平面布置示意如圖1所示。

為研究注漿漿液的擴散半徑以及注漿間距對地基承載力和變形模量的影響，在試驗區(qū)分別以2m和3m的間距注漿。前趾試驗區(qū)和后趾載荷試驗區(qū)的注漿孔與試驗點的相對關(guān)系如圖2、圖3所示，圖中，QZSY-1表示前趾試驗區(qū)1#注漿孔，HZSY-19表示后趾試驗區(qū)19#注漿孔，其余編號以此類推，注漿孔號從左至右依次編號。

圖2 注漿孔布置(前趾試驗區(qū))Fig.2 Layout of grouting holes (Fore toe area)

圖3 注漿孔布置(后趾載荷試驗區(qū))Fig.3 Layout of grouting holes (Back toe area)

2.1 水灰比

現(xiàn)場利用125kg水與250kg水泥配置水灰比為0.5的水泥漿，根據(jù)規(guī)范要求對水泥凈漿的流動性進行測試，最終測得的時間為11s，滿足規(guī)范要求。

從后期鄰孔冒漿的擴散效果來看，水灰比0.5在含中粗砂卵礫石層有較好的擴散半徑，因此水灰比設(shè)定為0.5。

2.2 注漿參數(shù)統(tǒng)計

根據(jù)基底和下臥基巖面的絕對高程分析可知，前趾試驗區(qū)和后趾載荷試驗區(qū)的鉆孔深度分別為10m、6m。兩個試驗區(qū)共計30個注漿孔，其注漿參數(shù)作為注漿工藝試驗的一部分。經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計分析，前趾試驗區(qū)和后趾載荷試驗區(qū)的平均注漿壓力均在0.8MPa左右，平均單孔注漿量分別為1.48m3、1.03m3，注漿終止條件均為鄰孔冒漿(圖4a)或鄰近集水井冒漿。

圖4 注漿現(xiàn)場Fig.4 Grouting site

2.3 存在問題

圖5 澆筑墊層后再注漿現(xiàn)場Fig.5 Grouting site after pouring cushion

在注漿初期階段，注漿孔封閉方式較為簡單，僅采用泥土堵塞的方式，造成孔口封閉不理想。注漿孔孔口封閉不密實，漿液不會往周邊土體中擴散，反而孔口在較短時間內(nèi)(2min～3min)產(chǎn)生翻漿、冒漿現(xiàn)象，導致漿液往地面流失、漿液擴散半徑較小，注漿效果差(圖4b)，同時存在注漿量無法量化、注漿壓力讀取不夠精確等問題。后期通過先澆筑50cm厚的素混凝土墊層，待墊層達到強度要求后再注漿的措施解決孔口封堵不密實的問題(圖5)；通過更換量程適中、靈敏度更高的壓力計解決注漿壓力讀取不夠精確的問題；通過在拌漿池安裝刻度尺以計量單孔注漿量。

3 參數(shù)分析

3.1 注漿壓力與擴散半徑

基坑主要含水層以卵石(④2-1和④2-2)為主、透水性較強，綜合滲透系數(shù)k=5.0×10-2cm/s；通過理論計算以及參考《工程地質(zhì)手冊》[8]，④2-2含中粗砂卵礫石的孔隙率n=0.3；參考地基處理手冊[9]，漿液的運動粘滯系數(shù)ν=4×10-6m2/s； 根據(jù)水泥凈漿的流動性進行測試，水泥漿液的水灰比ρ*=W/C=0.5；參考《巖土注漿理論與工程實例》[10]，水泥漿液密度ρ=1+2/(1+3ρ*)=1.8g/cm3；水泥漿液重度γ=ρg=18kN/m3；現(xiàn)場的注漿管半徑r=2.5cm。

根據(jù)地勘報告可得④2-2含中粗砂卵礫石的有效粒徑de=0.15cm；沿注漿管深度方向每延米的平均注漿時間t=200s；參考地基處理手冊[9]，即可得到注漿壓力P與擴散半徑r1的關(guān)系，如式(1)所示。

(1)

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得注漿壓力P與擴散半徑r1的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 注漿壓力與擴散半徑的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between grouting pressure and diffusion radius

由圖6可知，擴散半徑隨注漿壓力的增加呈拋物線增長，當注漿壓力達到0.8MPa時，擴散半徑為1.8m，與現(xiàn)場實際的注漿效果基本吻合。如圖4a所示的鄰孔冒漿現(xiàn)場圖可知，在現(xiàn)場注漿壓力達到要求條件下，單孔注漿可引起間距為3m的鄰孔孔頂冒漿，單孔注漿可引起臨近的集水井里出現(xiàn)水泥砂漿。

由于地層的復雜性和注漿壓力、注漿時間的離散性，采用該方法計算得到的擴散半徑僅作為注漿方案設(shè)計的參考。

3.2 承載力

根據(jù)規(guī)范[11,12]要求，現(xiàn)場載荷試驗在注漿加固15d后進行。根據(jù)規(guī)范[13]的試驗方法，可得試點荷載-沉降的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 荷載-沉降曲線Fig.7 Load settlement curve

根據(jù)規(guī)范[13]要求，地基承載力基本容許值可取為Q-S曲線的比例界限和極限承載力一半的較小值。

前趾區(qū)QZ-1測點加載至1320kPa，QZ-2測點加載至1320kPa，QZ-3測點加載至1300kPa，三個測點均未達到破壞荷載，極限荷載不小于1300kPa，將最終荷載除以2的安全系數(shù)，得到地基承載力基本容許值，所以被測試的前趾區(qū)三個測點的地基承載力基本容許值不小于650kPa。后趾補充載荷試驗HZ-7測點加載至1080kPa，HZ-8測點加載至1320kPa，兩個測點在最后一級加載下的沉降均超過48mm(與承壓板直徑之比等于0.06)，均達到破壞荷載，因此HZ-7測點、HZ-8測點的極限荷載取破壞荷載的上一級加載值，分別為960kPa、1200kPa，將極限荷載除以2的安全系數(shù)，得到地基承載力基本容許值，所以被測試的后趾補充載荷試驗區(qū)兩個測點的地基承載力基本容許值分別為480kPa、600kPa。

因此載荷試驗點的地基承載力基本容許值取值如表1所示。

表1 載荷試驗點地基承載力基本容許值Tab.1 Basic allowable value of bearing capacity of foundation at load test point

注：QZ-0試點、HZ-0試點分別為地基注漿前前趾區(qū)和后趾區(qū)的原位載荷試驗點(試驗點位置均位于圖1所示的前趾試驗區(qū)和后趾載荷試驗區(qū)附近，由“宜昌市建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督站”提供數(shù)據(jù))。

3.3 變形模量

通過Q-S曲線的比例界限荷載，利用彈性力學公式反求土體的變形模量[14]，如式(2)所示：

E0=0.785(1-μ2)dp1/s1

(2)

式中：E0為土體的變形模量(MPa)；d為承壓板直徑(m)；p1為所取定的比例界限荷載(kPa)；s1為與比例界限荷載p1相對應(yīng)的沉降(mm)；0.785為剛性圓形承壓板的沉降影響系數(shù)；μ為土體泊松比。

根據(jù)地勘報告可得μ=0.28，根據(jù)平板載荷試驗方案可知d=0.8m。結(jié)合相關(guān)參數(shù)，利用式(2)可得土體的變形模量如表2所示。

表2 土體變形模量Tab.2 Deformation modulus of soil

基于現(xiàn)場載荷試驗的土體承載力和變形模量分析可知：

(1)前趾區(qū)注漿前、后的地基承載力基本容許值分別為400kPa、650kPa；后趾區(qū)注漿前、后的地基承載力基本容許值分別為300kPa、480kPa；前趾區(qū)注漿前、后的地基變形模量分別為22.62MPa、33.63MPa；后趾區(qū)注漿前、后的地基變形模量分別為10.89kPa、12.98MPa；注漿可顯著地提高地基的承載力和變形性能。

(2)位于間距2m區(qū)域的QZ-1、HZ-7試點分別比位于間距3m區(qū)域的QZ-3、HZ-8試點的變形模量更小，即注漿工藝相同的條件下，注漿效果與土層的顆粒級配、孔隙的空間分布有較大的關(guān)系，導致載荷試驗結(jié)果表現(xiàn)出較大的離散性。

(3)后趾載荷試驗區(qū)的承載力基本容許值小于前趾試驗區(qū)試點，說明前趾區(qū)和后趾區(qū)持力土層的顆粒級配、孔隙的空間分布存在較大的不同，漿液在前趾區(qū)的土體中更易充分擴散，與原狀土形成加固體，因此有必要對持力層土體進行顆粒繼配分析。

(4)后期通過調(diào)整施工工序，即先施工素混凝土墊層，待墊層達到強度之后再進行注漿，此工序的調(diào)整對土體最終的承載力和變形性能均會有所改善，且會降低注漿效果的離散性。

3.4 顆粒級配分析

通過對基底持力層土體的現(xiàn)場觀察，前趾區(qū)域砂粒含量較大，粘粒含量較少，后趾區(qū)域砂粒含量較小，粘粒含量較多，因此前趾區(qū)的注漿效果、承載力和變形性能優(yōu)于后趾區(qū)，前后趾的平板載荷試驗也驗證了該結(jié)論。由于地勘報告未對錨碇基礎(chǔ)范圍內(nèi)的④2-2含中粗砂卵礫石土層進行細分，不能指導注漿區(qū)域的劃分，因此再選取9個樣本土體(已人為清除卵石)進行顆粒級配分析，由于錨碇左右區(qū)域已澆筑素混凝土墊層，因此9個取樣點在基坑底部的平面分布如圖8所示。9個土樣的顆粒級配累計曲線如圖9所示，統(tǒng)計分析如表3所示。

圖8 顆粒級配分析的取樣點分布Fig.8 Distribution of sampling points for particle grading analysis

圖9 顆粒級配累計曲線Fig.9 Cumulative curve of particle size distribution

土樣d10d30d60不均勻系數(shù)曲率系數(shù)1#0.0740.160.658.750.552#0.0740.201.6722.580.323#0.0740.131.1815.890.214#0.0740.120.9012.200.225#0.0740.213.6849.800.176#0.0740.121.9025.660.107#0.0740.151.9025.670.168#0.0740.132.8438.320.089#0.0740.122.9239.460.07

表3中，d10、d30、d60分別相當于土粒質(zhì)量累計百分含量為10%、30%、60%的粒徑。5#～9#土樣的d60參數(shù)、不均勻系數(shù)明顯大于1#～4#土樣，曲率系數(shù)明顯小于1#～4#土樣。不均勻系數(shù)越大表示粒度的分布范圍越大，土粒越不均勻，綜合分析可得5#～9#土樣的粗顆粒含量較多，1#～4#土樣細顆粒含量較多。

4 注漿方案

通過基底范圍的顆粒級配分析，結(jié)合圖1的下臥基巖面的分布情況、載荷試驗結(jié)果以及現(xiàn)場注漿效果分析，注漿區(qū)域的劃分如圖8所示，其中藍色實線為注漿分區(qū)線。結(jié)合現(xiàn)場注漿工藝試驗、載荷試驗以及顆粒級配分析的結(jié)果，在保證注漿工藝和注漿效果的前提下，前趾區(qū)可采用3m的注漿間距，后趾區(qū)可采用2m的注漿間距。

注漿工藝及參數(shù)為：1)先澆筑50cm厚素混凝土墊層再進行基底注漿；2)注漿順序為先基坑周邊再基坑中間區(qū)域，且采取跳孔連續(xù)注漿；3)注漿花管開孔高度為混凝土墊層頂面標高以下1m；4)水灰比為0.5；5)鄰孔冒漿后在6h以內(nèi)再次補漿以保證注漿效果。

5 結(jié)語

本文以宜昌市伍家崗長江大橋江南側(cè)淺埋式重力錨碇基礎(chǔ)的地基注漿加固為工程背景，通過注漿工藝試驗、現(xiàn)場載荷試驗、持力層土體的顆粒級配分析等，實現(xiàn)了對含中粗砂卵礫石地基加固的注漿分區(qū)，研究了合理的注漿加固方案及參數(shù)，可為類似地層的注漿加固提供參考。具體如下：

1.前期注漿工藝試驗存在孔口封堵不密實、注漿壓力無法精確讀取、單孔注漿量無法計量等問題，后續(xù)注漿工藝做了相應(yīng)的改善，可供類似工程參考。

2.基于現(xiàn)場載荷試驗結(jié)果，注漿后的地基承載力基本容許值和變形模量均有提高，但試驗結(jié)果表現(xiàn)出較大的離散性。

3.5#～9#土樣的粗顆粒含量較多，1#～4#土樣細顆粒含量較多，在此基礎(chǔ)上進行了注漿區(qū)域的劃分，前趾區(qū)采用3m的注漿間距，后趾區(qū)采用2m的注漿間距。