灌浆法在加固处理软路基中的应用
魏兆龙 杨永凯
摘要:该路段(长198m,宽36m~40m)工程地质条件较差,上部地层(主要受力层)主要由杂填土(厚度1.3m~3.2m,平均2.0m)、淤泥或淤泥质土(厚度0.4m~1.4m,平均0.64m)、粉、细砂(厚度0.6m~3.6m,平均1.8m)组成。由于杂填土结构疏松(fk=90kPa)、淤泥或淤泥质土呈软~流塑状(fk=50kPa)、粉、细砂饱和松散(标贯试验锤击数平均6击,fk=100kPa),满足不了上部荷载对路基的要求,因而导致路基在通车后将产生较大沉降。为保证该段路基的稳定,提高地基土强度和变形模量,以满足上部荷载对地基土承载力的要求,提出了对该段路基采取灌浆加固处理方案。这主要是基于杂填土孔隙大,可灌性好,灌浆后其力学强度、抗变形能力和均一性会有所提高,整体结构得到加强;淤泥或淤泥质土和粉、细砂通过钻孔灌入浓浆后,使土体压密和置换;杂填土之上已施工完的30cm厚6%水泥石屑稳定层为良好的灌浆盖板。
关键词:灌浆;加固;路基
1灌浆加固机理
灌浆就是要让水泥或其他浆液在周围土体中通过渗透、充填、压密扩展形成浆脉。由于地层中土体的不均匀性,通过钻孔向土层中加压灌入一定水灰比的浆液,一方面灌浆孔向外扩张形成圆柱状浆体,钻孔周围土体被挤压充填,紧靠浆体的土体遭受破坏和剪切,形成塑性变形区,离浆体较远的土体则发生弹性变形,钻孔周围土体的整个密度得到提高。另一方面随着灌浆的进行,土体裂缝的发展和浆液的渗透,浆液在地层中形成方向各异、厚薄不一的片状、条状、团块状浆体,纵模交错的浆脉随着其凝结硬化,造成结石体与土体之间紧密而粗糙的接触,沿灌浆管形成不规则的、直径粗细相间的桩柱体。这种桩柱体与压密的地基土形成复合地基,相互共同作用起到控制沉降、提高承载力的作用。
2灌浆设计
2.1灌浆标准
2.1.1强度控制标准
灌浆后,杂填土承载力标准值(fk)要求达到130kPa,淤泥或淤质土fk值80kPa~100kPa,粉细砂fk值大于110kPa;复合地基承载力标准值不小于130kPa。
2.1.2施工控制标准
施工控制标准是获得最佳灌浆效果的保证。本次灌浆对象之一的杂填土,由于均一性差、孔隙变化大、理论耗浆量不定,故不单纯用理论耗浆量来控制,同时还按耗浆量降低率来控制,即孔段耗浆量随灌浆次序的增加而减少。
2.2灌浆段选择
本次灌浆分两个灌浆段,即第一灌浆段为杂填土范围;第二灌浆段为淤泥或淤泥质土和粉、细砂范围。
2.3浆材及配方设计
浆材采用两种配方的纯水泥浆,在第一灌浆段水灰比为0.5,在第二灌浆段为0.75。若杂填土中局部孔隙较大,导致灌浆量过大时,采用水∶水泥∶细砂=0.75∶1∶1的水泥砂浆灌注。
2.4浆液扩散半径(r)的确定
由于杂填土均一性差,其孔隙率、渗透系数变化大,因而仅用理论公式计算浆液扩散半径显然不甚合理,现据大量的经验数据,暂定r值为1.5m。在现场进行灌浆试验后进一步确定r值。
2.5灌浆孔位布置
灌浆孔采取梅花形分布,假定灌浆体的厚度b为1.66m,则灌浆孔距L=2×(r2-b2/4)1/2=2×1.52-1.662/4)1/2=2.5m,最优排距Rm=r+b/2=1.5+1.66/2=2.33m。
2.6灌浆孔孔深
根据工勘资料,暂定孔深3.5m~6.0m,平均约4.5m,以孔底到粘性土层为准。
2.7灌浆压力
由于灌浆压力与土的重度、强度、初始应力、孔深、位置及灌浆次序等因素有关,而这些因素又难以准确地确定,因而本次灌浆的压力通过灌浆试验来确定。现据有关公式计算,暂定灌浆压力在第一、第二灌浆段灌浆时分别为0.1MPa~0.2MPa、0.3MPa~0.4MPa,在灌浆过程中根据具体情况再作适当的调整。
2.8灌浆量
灌浆量主要与灌浆对象的体积v、土的孔隙率n和经验系数k值有关,据Q=k.v.n公式,理论估算杂填土、淤泥或淤泥质土和粉、细砂的单位吸浆量分别为0.35m3、0.28m3和0.18m3。
2.9灌浆结束标准
在规定的灌浆压力下,孔段吸浆量小于0.6L/min,延续30min即可结束灌浆,或孔段单位吸浆量大于理论估算值时也可结束灌浆。
3灌浆施工
3.1正式施工前准备工作
正式施工前,保证设备器具和材料按时到场,着重做好灌浆试验工作,调整灌浆压力、浆液扩散半径、孔距和排距后及时将孔位放样至实地。
3.2施工工艺
3.2.1施工顺序
根据多台机同时作业、现场施工条件、工程地质条件和灌浆方法等,施工顺序采取从里往外的方式进行。
3.2.2施工程序
成孔→安放灌浆管并孔口封堵→搅浆→灌浆→待凝→成孔→安放灌浆管并孔口封堵→搅浆→灌浆→封孔。
3.2.3施工技术要点
成孔钻头(Φ110mm)对准孔位后,采取冲击成孔的方法钻进。在杂填土中钻进时,若孔壁不稳,可下入导管护壁;当钻进到淤泥或淤泥质土和粉、细砂时,下入导管护壁,然后采取捞砂筒取砂成孔的方法直至下卧粘性土层。
灌浆管安放及孔口封堵灌浆管下端设置0.7m~1.0m长且下端封口的花管,花管孔径Φ8,孔隙率15%左右;在花管外壁包扎一层软橡皮,以防流砂涌进花管导致灌浆无法进行。当成孔达到预定深度后,将灌浆管下到位,再用水泥袋放入孔中水稳层底部包裹灌浆管并接触孔壁即“架桥”,然后投入粘土分层夯实至孔口。
搅浆先往搅拌浆筒内注入预定的水量并开动搅浆机后,再逐渐加入425#普通硅酸盐水泥直到预定的用量,搅拌3min~5min后将浆液通过过滤网流到储浆筒内待灌。
灌浆灌浆采用自上而下孔口封闭分段纯压式灌浆方法,即自上而下钻完一段灌注一段,直到预定孔深为止。灌浆段的长度以杂填土和淤泥或淤泥质土、粉、细砂厚度来确定;灌浆压力采取二次或三次升压法来控制,即灌浆开始采用低压(小于0.1MPa)或自流式灌浆,对杂填土而言,当吸浆量较大时采取间歇灌浆或用砂浆灌注,终灌时的压力要达到设计值;灌浆结束标准严格按设计执行。
封孔灌浆结束后及时封孔,即第二灌浆段灌浆结束过半小时后,排除孔口封堵物,再往孔内投入砂石直到水稳层顶面,过24h后,若浆液下沉,再补充水灰比0.5的浆液至水稳层顶面。
3.4 特殊情况下的技术处理措施
在灌浆过程中,发现浆液冒出地表即冒浆,采取如下控制性措施:①降低灌浆压力,同时提高浆液浓度,必要时掺砂或水玻璃;②限量灌浆,控制单位吸浆量不超过30L/min~40L/min或更小一些;③采用间歇灌浆的方法,即发现冒浆后就停灌,待15min左右再灌。
在灌浆过程中,当浆液从附近其他钻孔流出即串浆,采取如下方法处理:①加大第Ⅰ次序孔间的孔距;②在施工组织安排上,适当延长相邻两个次序孔施工时间的间隔,使前一次序孔浆液基本凝固或具有一定强度后,再开始后一次序钻孔,相邻同一次序孔不要在同一高程钻孔中灌浆;③串浆孔若为待灌孔,采取同时并联灌浆的方法处理,如串浆孔正在钻孔,则停钻封闭孔口,待灌浆完后再恢复钻孔。
4 效果评价
经效果检验分析可见,灌浆施工范围内的杂填土层空隙得到有效充填,淤泥或淤泥质土受到充填、挤密和置换,粉、细砂层得到有效充填和压密,由松砂变为密砂。这三种土体经灌浆后,不同程度地得到加固,承载力明显提高,达到了控制沉降目的。
5结语
5.1灌浆技术加固软路基,在技术上是可行的,在施工质量和处理效果上是好的,对其承载力和稳定性将得到较大的提高;
5.2灌浆技术的关键是灌浆压力的选择和控制、浆材配比和灌浆工艺;
5.3灌浆参数的选择是一个复杂的问题,只有通过现场试验才能切实地确定;
5.4在城市道路软基加固处理方面,选择灌浆方法比其他诸如碎石桩、大开挖换填等处理方法,不但技术上可行、经济上合理、工期上缩短,而且极大地减少了环境污染问题。