注浆加固处理液化地基试验研究

宋克英 张 凯 张 启

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

0 引言

地基土的承载能力主要来自土的抗剪强度，而砂土或粉土的抗剪强度主要取决于土颗粒之间形成的骨架作用。地震时饱和砂土地基可能发生液化现象，造成建筑物的地基失效，发生建筑物下沉、倾斜甚至倒塌等现象[1]，这会给国民经济造成重大损失，同时也会对人身财产安全构成严重威胁。因此，对于可能产生液化的地基，必须采取相应的工程措施加以防治。根据地基土的性质，对于可液化地基，可以采用换填、强夯、振冲、振动加密、挤密碎石桩、胶结、设置排水系统等方法处理地基[2-5]。振动沉管碎石桩及振冲碎石桩的挤密、排水效应可以消除土层液化，是处理可液化地基土的有效方法，因而在工程中得到广泛应用[6]。

影响土体液化的主要因素有：砂士级配及密实度、初始应力状态、动荷载性质、临界孔隙比等。国内外学者对此进行了相关研究。Martinez等[7]采用间歇与连续注浆两种方式分别对0.5 m砂柱进行了MICP加固，结果表明,间歇式注浆能够实现砂柱的均匀加固；周海林等[8]研究砂土振动原理，通过试验发现振动注浆可有效达到加固；黄 雨等[9]基于Biot固结理论，建立了一种平面应变条件下隧道地震液化变形的数值模拟方法，为工程场地抗震设计及液化防治提供了科学依据。麻 强[10]、艾英钵等[11]对注浆加固处理液化地基进行了研究；帅华国等[12]将注浆法处理液化地基应用于工程实践中。

本研究借鉴前人工作成果，对注浆加固处理液化地基注浆参数及检测效果进行了试验研究和应用，补充分析了注浆前后剪切波速对比结果。立足地铁车辆段项目，形成了注浆加固原理、注浆设计、注浆试验、注浆施工工艺、注浆加固检测等一套注浆处理液化地基成果，具有较好的推广应用价值。

1 工程概况

北京地铁某车辆段地面以下20 m范围内饱和粉细砂②5层为可液化地层，其余饱和砂土、粉土均不液化，液化等级为轻微—中等(局部为严重)，液化深度为地面下1.0～10 m范围内，遍布整个车辆段。设计采用振冲碎石桩进行处理，当碎石桩施工至场地C区邻近居民房屋时，有居民反映房屋有开裂现象，开裂平房与碎石桩施工的水平距离为16～58 m，经过现场踏勘无法鉴定房屋开裂是否因碎石桩施工影响而导致，受其影响现场无法继续采用振冲法施工。因此，要改用其他可行的方案进行处理，针对本项目具体情况，拟采用注浆加固的方法处理C区剩余部位的可液化地层。

2 地质条件

施工C区典型地质剖面见图1，地表以下1.5～2.2 m为素填土①层，1.5～5.0 m为②1层粉质黏土、②层粉土，3.5～9.5 m为可液化饱和粉细砂②5层，②5层以下为②3层粉细砂层或③4层中粗砂层，③4层以下为粉质黏土④层、中粗砂⑤1层、粉质黏土⑥层。

图1 施工C区典型地质剖面图

本场地赋存两层地下水，分别为潜水(二)和承压水(三)，潜水(二)水位埋深2.83～6.50 m，水位标高13.33～16.87 m，含水层为粉土②层、粉细砂②3层、粉细砂②5层；承压水(三)水头埋深15.70～16.53 m，水头标高为1.98～5.30 m，含水层为中粗砂③4层、中粗砂⑤1层。根据详勘报告，施工C区范围内一共有6个勘察钻孔对②5层饱和粉细砂进行了液化判别(见表1)，②5层饱和粉细砂液化等级为中等，液化指数为8.6～11.6。

表1 施工C区②5层饱和粉细砂液化判别表

3 注浆加固现场试验

施工C区为碎石道床区，设计要求部分消除液化，处理后液化指数不大于5.0，满足轻微液化即可。现场选择施工C区范围内液化较不利位置进行注浆加固试验，试验区②5层饱和粉细砂厚度约为5.3 m，液化指数为10.5～10.6，液化等级为中等液化。

3.1 注浆加固原理

注浆法主要是通过地下水的渗流作用将具有胶凝作用的浆液传输到指定部位，进而实现土体的固化，以提高土体的强度[10]。对消除或减轻地震液化的地基加固，可采用水泥混合浆，以一定的灌浆压力使浆液材料均匀渗透到土体孔隙中，形成球形或椭圆形浆泡，离浆泡较远处的土体在注浆压力和浆液渗透力作用下发生弹性变形，从而也得到挤压加密；浆泡球体则通过渗透填充和水化反应形成浆结石，改善原液化土层的工程特性[13]。

3.2 注浆加固设计

外围注浆孔间距为1.0 m，浆液材料为水泥浆+水玻璃；内部注浆孔采用正三角形布置，孔间距分别为1.7 m、1.5 m，浆液采用纯水泥浆，水灰质量比为1∶1。注浆深度为9.6 m，注浆厚度为5.3 m。注浆孔间距1.7 m的试验注浆压力控制在1.0 ～1.5 MPa，注浆孔间距1.5 m的注浆压力控制在0.5 ～1.0 MPa。

采用φ42 mm注浆管注浆，在注浆结束15 d后进行检验，采用标准贯入试验和地层描述对液化和注浆加固效果进行评判。在内部注浆孔间距Sin分别为1.7 m、1.5 m区域的各注浆孔三角形中心分别选择8个点进行标准贯入试验。注浆试验孔及检验点布置见图2。

图2 施工C区注浆试验孔及检验点平面布置(单位：m)

3.3 注浆加固检测

注浆孔间距Sin=1.7 m时粉细砂②5层液化判别见表2，间距Sin=1.5 m时粉细砂②5层液化判别见表3，其中地下水位dw=0 m，黏粒含量百分率ρc=3，调整系数β=0.80，液化判别标准贯入锤击数基准值N0=12[14]。

表2 内部注浆孔间距Sin=1.7 m时标准贯入试验结果

续表

表3 内部注浆孔间距Sin=1.5 m时标准贯入试验结果

续表

由表2和表3可知，不同深度标准贯入试验锤击数实测值N均大于标准贯入锤击数临界值Ncr，整个施工场区地基土无液化。

4 注浆加固施工设计及效果检测

4.1 注浆加固设计参数

(1)注浆孔间距

注浆范围在基础外扩宽度不应小于基底下液化土层厚度的1/2，注浆外围区域一排注浆孔间距为1.0 m；施工时内部注浆孔正三角形布置，间距为1.5 m。虽然注浆孔试验间距为1.7 m也符合要求，但在试验注浆压力为1.5 MPa时有一定的地面隆起、开裂现象，本次注浆不采用1.7 m的间距。

(2)注浆加固深度

注浆加固深度为10.5 m，注浆厚度为6.0 m。注浆孔深度根据场区实际标高换算，并以基底下可液化土层厚度控制注浆厚度。

(3)注浆压力

注浆压力控制在0.8～1.0 MPa。

(4)材料配比

外围注浆孔浆液采用水泥浆+水玻璃，以防止浆液窜跑，每立方米浆液中水∶水泥∶水玻璃质量比为726.5∶600∶100；内部注浆孔浆液采用纯水泥浆，水灰质量比为1∶1。

4.2 C区注浆加固抗液化处理效果

(1)标准贯入试验检测结果

注浆施工结束后，采用标准贯入试验进行处理后的地基检验，桩间土的检测位置在等边三角形的中心，检测深度不小于地基处理深度，施工C区共有桩间土标准贯入试验22孔(不含试验区)，单孔贯入深度为10.45 m，其中有20孔的标准贯入试验锤击数N(未经杆长修正)大于液化判别标准锤击数临界值，桩间土不液化；另外2孔(17#孔、36#孔)标准贯入试验锤击数N(未经杆长修正)小于液化判别标准锤击数临界值，桩间土判定为液化土，液化指数分别为0.26和0.62，液化等级为轻微液化。施工C区22孔的标准贯入试验检测数据统计结果见表4。

表4 施工C区注浆加固后桩间土标准贯入检测数据统计表

由表4可知，仅当ds=4.45 m时，有部分标准贯入试验锤击数实测值N小于标准贯入试验锤击数临界值Ncr，其他标贯深度条件下，标准贯入试验锤击数实测值N均大于标准贯入试验锤击数临界值Ncr，整个施工场区地基土为无液化—轻微液化。22个标准贯入试验中仅有2孔的桩间土判别为液化土，液化指数为0.26及0.62，IlE小于5满足设计要求，这验证了施工参数选择的正确性与合理性，注浆加固抗液化处理效果良好。17#、19#钻孔的检测结果见表5。

表5 17#、19#钻孔标准贯入检测结果

(2)注浆前后桩间土等效剪切波速对比

在施工C区注浆场地范围内，在合适位置间隔选择4个钻孔，钻孔深度均为10 m，测试注浆前后的剪切波速，其结果对比见表6。

表6 注浆前后等效剪切波速对比表

从表6中可以看出：注浆后饱和粉细砂②5层的等效剪切波速较注浆前均有一定的提高，降低了地基液化的可能性[15-16]。

5 结论

(1)本工程采用注浆加固处理液化地基的检测结果说明，处理后地基土的标准贯入试验击数、等效剪切波速均有较大提高，可以达到消除液化的目的。

(2)压力注浆固化法处理液化地基技术，解决了施工振动、噪音、空间条件限制等特殊环境条件下液化地基处理问题。

(3)注浆加固技术参数、施工工艺应结合地层条件、覆盖层厚度等情况经试验确定。