水泥工程膨胀土基础沉降与抬升的原因分析及治理

李春华

1 前言

膨胀土（expansive soil）亦称“胀缩性土”，是一种高塑性黏土，一般承载力较高，但具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，胀缩极不稳定。位于膨胀土之上的建筑物，常常产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形，使建筑物发生位移、开裂、倾斜甚至破坏。

2 项目概况

非洲某水泥厂项目，由详勘资料可知，整个水泥厂场区均存在膨胀土，且为高膨胀性。受膨胀土影响较大的项目子项基础情况及设计处理方案如下：

石灰石预均化堆场、辅料预均化堆场、原煤预均化堆场三个子项的埋深均为-2.5m，采用独立基础；原料配料站、窑头、煤磨、原料磨四个子项埋深均为-5.1m，其中，原料配料站为整板基础，窑头为筏板基础加独立基础，煤磨为筏板基础，原料磨为独立基础。这七个子项，为防止因膨胀土导致的基础沉降，均设计了如下处理方案：基础底面采用1 400mm厚角砾土压实换填，压实系数为0.95，并做好防水处理。换填土下面为第3层粘土层，地基承载力特征值fak=250kPa。

3 现场基础沉降情况

3.1 雨季施工发生基础沉降的情况

该项目于2017年5月建成投产。在2015年10月～2016年4月，当地经历了漫长的雨季，连续降雨导致在这段时间内施工的石灰石预均化堆场网架基础、原料磨磨机基础、窑头篦冷机等多个车间的基础产生了不均匀的沉降或抬升。最大沉降发生在石灰石堆场车间，下沉量为-97mm；最大抬升发生在辅料堆场车间，抬升量为107mm。石灰石堆场产生沉降或抬升的基础情况见图1，石灰石堆场T7号基坑情况见图2。

图1 石灰石堆场产生沉降或抬升的基础

图2 石灰石堆场T7号基坑

3.2 雨季前完成回填的基础的沉降情况

雨季前，现场有数个子项已经完工，对这些完工的子项进行沉降观测记录，与前面介绍的雨季期间施工发生的基础沉降情况进行对比分析。

选取已经完工的行政办公楼、CPP油罐及总降压变电站三个子项进行沉降观测。其中，行政办公楼（设6个观测点）的基础最大抬升量为3mm，且仅有一处，另外三处为1mm，两处为0mm；CPP油罐（设4个观测点）基础最大沉降量为4mm，最大抬升量为5mm，其余均在两者之间；总降压变电站（设4个观测点）基础无明显沉降。这三个子项均在雨季来临前完成了基础回填，而且散水及其他排水措施做的比较好，有效防止了雨水对土壤的渗透。

由此可见，雨季期间施工的基础发生了严重的沉降，而雨季前完工的基础沉降轻微或者没有沉降，二者形成鲜明对比。

4 问题原因分析

通过工程测量、钻孔勘察、现场开挖三种方式，对多个子项的基础进行观测发现，雨季前完成回填且排水良好的基础均无沉降问题，而雨季施工及未及时回填的基础有严重沉降或抬升。由此得知，造成该项目基础沉降或抬升的主要原因有以下三个方面，这也是日后其他膨胀土区域建设项目需要特别注意的关键点。

（1）排水问题。泡水基坑没有及时排水或排水不彻底，导致雨水进入膨胀土层。

（2）回填问题。本项目基础施工时正值雨季，基础回填后，没有对地表采取有效防水抗渗措施。

（3）压实质量问题。多次检测发现，回填压实不合格，没有达到设计要求。

5 处理措施

因该项目涉及工期、成本、索赔等一系列问题，经过多方多次分析研判，比选了换土、土性改良、灰土桩、水泥桩加固及拆除重建等方案后，最终确定采用注浆方案进行基础加固处理。

该项目注浆技术执行中国标准，主要对基础基底泡水后的换填土层进行注浆加固处理。需要处理的子项包括石灰石预均化堆场、辅料预均化堆场、煤预均化堆场三个车间的网架柱独立基础及轨道基础，原料配料站的整板基础，原料磨辊磨以及黄料库库壁基础共六个子项基础。

就石灰石预均化堆场而言，堆场直径100m，均匀布置36个网架独立基础，共有15个基础发生沉降或抬升。这15个基础经过两次注浆后才达到稳定，其余车间基础均一次注浆后即达到稳定。下文将以石灰石预均化堆场T7号基础为例进行分析说明。

5.1 第一次注浆方案

（1）注浆平面布置。采用φ90mm的注浆孔，内插φ80mm钢套管，与水平面成45°的倾角注浆，每孔注浆量≮260L，注浆孔竖向间距为900mm。第一次注浆平面布置及注浆倾角示意分别见图3、图4。

图3 第一次注浆平面布置图（T7）

图4 注浆倾角示意图

（2）注浆参数。水泥浆液配比为W：C=1:1，注浆压力为0.4～0.6MPa。

（3）注浆量控制。当注浆量达到设计量，注浆压力满足约0.5MPa时，终止注浆。

（4）注浆顺序。先注外围，后注内部，以防浆液流失；为防止邻孔串浆，按隔孔注浆方式进行。

5.2 第二次注浆方案

第一次注浆后，除石灰石预均化堆场独立基础仍存在沉降或抬升外，其余车间基础的沉降或抬升都较小，达到稳定程度，不需再注浆加固。为此，石灰石预均化堆场独立基础需采用钢花管工艺进行第二次注浆。钢花管注浆施工工艺是目前注浆处理地基的一种常用方法，它集中了压（挤）密注浆法和渗入注浆法的优点，能进行定深、定量、分段、间歇注浆，适用于多种地质条件下的地基注浆加固，同样适用本项目。

（1）注浆平面布置。钢花管垂直于水平面注浆，每孔注浆量≮800L，注浆压强为0.1MPa，注浆孔间距为1 100mm。第二次注浆平面布置见图5。

图5 第二次注浆平面布置图（T7）

（2）灌注材料及配比。用P·O42.5R普通硅酸盐水泥作灌注主料，保证各种灌注材料的合理配比。在施工中使用的灌注材料配比（重量比）如下：

固管浆料为单液水泥浆，水：水泥配比为1：1.5。水玻璃或氯化钙作速凝剂。

在花管注浆的浆液中，水泥与水的配比为1～0.6：1，先稀浆后稠浆。

（3）施工工艺流程。将钢花管采用振动方式沉入待注浆地层→固管止浆、安装注浆软管→待凝→压力灌浆→终止灌浆→压力注浆监测。钢花管结构示意图见图6。

图6 振动沉入φ42mm钢花管示意图

钢花管施工的优点是，施工设备易采购，大面积施工设备来源多，不会因采购设备而影响施工进度；缺点是，在有地下障碍物时，钻进效率易受影响。本项目不存在地下障碍物，故采用此方式。

6 检测评价

以石灰石预均化堆场、辅料预均化堆场两个车间为例，对注浆加固效果进行评价分析。

6.1 SPT检测对比分析

注浆后的SPT检测值与地勘实验值的结果对比见表1。由表1可知，第一次注浆后，石灰石预均化堆场泡水后的换填土SPT值，由3.750提升至11.375，辅料预均化堆场泡水后的换填土SPT值，由5.875提升至9.625。经检测，石灰石预均化堆场独立基础自第二次注浆后，未发生明显抬升或下沉，满足网架安装要求。经注浆加固后的地基土，标贯值和地基承载力明显提升，满足设计要求，加固效果良好。

表1 注浆后SPT检测值与地勘实验值结果对比

6.2 地基承载力分析

两个网架基础设计承载力特征值fak要求分别为：石灰石预均化堆场fak=120kPa；辅料堆场fak=140kPa。根据SPT值与地基承载力特征值的关系，通过对比分析SPT的设计值与注浆加固后的实测值可知，现场SPT实测值大于或接近设计值，满足地基承载力要求。

6.3 注浆量分析

辅料预均化堆场B14基础试验结果表明，注浆率为10%，注浆量为2 570L时，地基承载力特征值fak=175kPa，满足设计要求。反推其他基础，注浆量=注浆率×换填土体积。

注浆加固的基础，多数出现抬升或地面冒浆的现象，证明这些基础基底浆液已经饱和。未出现抬升，也未出现地面冒浆的基础，注浆量和注浆率都已超过设计要求，为避免基础抬升，终止注浆。综上所述，两个堆棚网架基础的注浆量和注浆率基本超过设计要求。辅料堆场和石灰石预均化堆场设计注浆量与实际注浆量对比见表2。

表2 设计注浆量与实际注浆量对比

6.4 沉降观测分析

在注浆前需要进行加固的基础，在没有施加上部荷载时，均发生了沉降或抬升，相对于其他基础，这些基础的地基较为薄弱。沉降测量结果显示，这些基础进行注浆加固后，在已经施加了上部荷载的情况下，沉降量较小，满足规范要求。石灰石预均化堆场网架典型基础沉降观测记录见表3。

6.5 工期与费用

本项目注浆加固工作由非洲当地的一家中国公司承担，从2016年9月开始，到2017年初结束，共历时3个多月，完成全部注浆工作。

*表3石灰石预均化堆场网架典型的基础沉降观测记录

整个注浆加固工作的材料费、机械费、检测费等全部费用均控制在预算范围内，且少于桩基或其他加固方案的预算。从费用方面也证明了注浆加固方案的经济性和合理性。

7 结语

该水泥厂项目的基础沉降处理案例说明，注浆加固方案可以有效地解决膨胀土导致的基础下沉和抬升问题，这种方案具有显著的适用性、合理性和经济性，尤其在现场施工条件受限、机具种类有限的约束情况下，更具有施工简单易行、加固效果显著的优势，可供日后处理类似问题参考。

膨胀土是一种特殊土，常用的地基处理还有换土、土性改良、灰土桩加固、水泥桩加固等方法，在完成加固方案工程施工的基础上，还应做好地表的防渗与排水、保证回填土质量等工程措施，将膨胀土不利影响控制到最小程度。不管哪种处理方案，都应综合考虑现场的沉降情况、当地的机具条件、工期、费用、施工水平等，并通过多方案比选，最终确定出安全、合理、经济、适用的解决办法。