WSS注浆在市政道路地基处理中的应用

2023-01-26刘东

城市道桥与防洪 2022年12期

刘东

（上海市政工程设计研究总院集团浙江市政设计院有限公司，浙江杭州 310014）

0 引言

注浆是工程中常用的一种地基处理方法。该工艺最早使用时间可追溯到1802年，已有两百多年历史。WSS注浆是指无收缩双液注浆，是注浆技术的一种。近年来，该工艺在在地铁加固及止水工程中得到广泛使用，并积累了丰富的工程经验。但是，在市政工程不良地基处理中应用案例相对较少。

绍兴某市政道路局部路段地下水位较高，地质条件较差，存在孔洞。综合考虑加固效果、施工工期、经济性等因素，采用WSS注浆处理。依托该工程实例，从原理及特点、注浆效果评价、关键参数及施工工序等方面，对WSS注浆在市政道路不良地基处理中的设计及施工要点进行了分析和探讨。其成果可为类似工程提供参考。

1 基本原理及特点

从力学角度，软土中的注浆体主要有渗透、挤压、劈裂和填充四种运动。在土体中注浆往往都会在注浆孔附近产生劈裂现象，即便是一些渗透注浆的工程，往往也伴有劈裂。只有当产生劈裂现象时，才能使浆液更有效地渗透到土体中。从这个意义上讲，渗透和压密都可以看成劈裂现象的前期阶段。

对于该工程WSS注浆，在注浆过程中，处于出浆孔附近的浆液体随着浆液的注入不断扩大，压力逐渐增大，部分浆液会渗入到土体孔隙内，填充到较大的空隙中。当压力增大到一定程度，土层软弱结构面发生劈裂，浆液沿破坏面前进、扩散。

外部注浆压力将会导致土体中有效应力减小，此时最大、最小有效主应力σ'1=σ1-γwhw-P，σ'3=σ3-γwhw-P。其中：σ1为最大总主应力，σ3为最小总主应力，hw为地下水位高度，γw为水的重度，P为注浆压力。随着注浆压力P增大，有效摩尔应力圆半径不变，圆心位置向破坏包线方向平移，当圆与破坏包线相切时，表明土体已经发生劈裂（见图1）。

图1 极限条件示意图

WSS注浆采用的浆液材料有三种，分别为A液（Na2O·nSiO2，俗称水玻璃）、B液（凝胶剂及外加剂）和C液（水泥浆）。A液先后与B液、C液通过二重管端头的浆液混合器充分混合，分别合成溶液型浆液（水玻璃与凝胶剂及外加剂组成，简称AB液）、悬浊型浆液（水玻璃与水泥浆组成，简称AC液）。其原理是在不改变地层组成的情况下，先通过AB液将土层颗粒间的水强迫挤出，再利用AC液使该土层粘结力和内摩擦角值增大，从而使地层粘结强度及密实度增加，起到加固作用；颗粒间隙中充满了不流动而且固结的浆液后，使土层透水性降低，从而形成相对隔水层[1]。

二重管无收缩双液注浆主要有以下特点[2-3]：

（1）能够实现定向、定量、定压注浆，渗透力强。

（2）注浆范围和凝结时间可根据实际工程需要灵活调整，工程适应性强。

（3）二重管端头配备浆液混合器，可使浆液混合充分且均匀。

（4）可实现垂直注浆、水平注浆、倾斜注浆等自由角度的注浆。

（5）注浆材料选择较多，材料来源广泛。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

绍兴某市政道路，其等级为城市快速路，总长度约6.2 km，主线采用高架形式，辅道采用地面形式，主线为双向六车道，辅道为双向四车道，标准横断面布置见图2所示。

图2 高架标准横断面布置图（单位：m）

2.2 地质及水文概况

自上而下，场地土层分布情况如下：

（1）素填土：灰～灰黄色为主，松散～稍密状，主要由块石、碎石、砂和黏性土组成，骨料成分为中～微风化凝灰岩，上部0.2 m沥青层，河道部位为淤泥混碎石，均匀性较差。该层全场分布，层厚约0.3～6.3 m。

（2）黏土层：灰色，软塑状，高压缩性。含有较多有机质及泥碳，成份以粉、粘粒为主，局部变相为淤泥质粉质黏土或粉质黏土，土质均匀性差。该层为全新统滨海组上段湖沼相沉积，主要有粘土层、粉质黏土层、含砾砂粉质黏土。层厚约0.2～7.8 m。

（3）淤泥质黏土：灰色，流塑状，高压缩性。含少量有机质，成份以粉、粘粒为主，局部变相为淤泥或淤泥质粉质黏土，土质均匀性尚可。该层为全新统滨海组上段湖沼相沉积土层。该层局部缺失，层厚约0.9～24.6 m。

（4）凝灰质砂岩：黄褐～紫灰色，极软岩，风化裂隙很发育，成份主要由长石、石英和微量金属矿物被火山灰胶结而成，砂状结构，厚层状构造，岩体破碎，呈碎块状，为白垩系下统朝川组风化基岩，风化程度为中～强风化。该层分布场地东侧，层厚0.2～20 m。

该区域地下水可以分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，可分为三层，

（1）全新统上段湖沼相粉质黏土，黏质粉土含水组，含水岩性为灰黄～黄灰色，厚度约2.5～19.5 m左右，水位埋深0.2～3.2 m，含水极为丰富，透水性较好。

（2）上更新统冲湖积、冲积空隙承压含水层，上部为薄层～中厚层的粉质黏土，黏土层，下部为粉砂、含黏性土砂砾层，厚约2.4～14.6 m，水位埋深约4.6～5.2 m。含水性受下部粉砂、含黏性土砾砂层的厚度和分布范围控制，微承压，水量中等，透水性一般。

（3）基岩裂隙水，由风化带网状裂隙水组成，富水性主要有岩性，地形地貌，风化程度，风化带厚度及地表植被发育程度等因素决定。

该路段典型地质剖面图如图3所示。

图3 典型地质剖面图

2.3 特殊路段物探

局部路段（长度约300 m）地质情况较为复杂，地下水位埋深较浅。该路段西侧与南侧均临河，地下多为原道路回填的大体积块石，探明其集配不良，在渗流作用下，块石间细颗粒流失，导致此处地下土体逐渐发展形成空洞。

针对此特殊情况，对该区域进行了进一步探测。根据现场实际情况，共布置完成地质雷达测线5条，高密度电阻率法剖面4条。

地质雷达法测线编号为LD1～LD5,测线长度均为350 m，高密度电阻率法测线编号为1线～4线，测线长度均为350 m，测线统计详见表1所列。

表1 物探测线统计表

根据地质雷达探测结果，结合现场勘查及地质勘查资料分析，共圈定21处剖面病害异常，总长1 025延米，划分为14处病害异常区域，病害相关性较强。异常区域主要集中于道路两侧，主要以疏松区、空洞为主。其中，较为严重的疏松区域，路基含水量高，内部空洞、不密实情况较为发育。病害情况统计见表2所列。

表2 病害情况统计表

测线及病害分布位置见图4所示。

图4 物探综合平面成果图

通过分析地质雷达剖面图及高密度视电阻率断面图，结合场地工程地质勘察资料，探测结论如下；该路段路基回填土压实度不够，原状土层较为疏松，中间抛石较多，孔隙较大；道路南侧临河，地下水位呈两侧高中间低的特征；路基土体富水性较强，易形成软路基，土体粘性颗粒在水力作用下发生移动，使土体疏松程度加剧，造成路基土颗粒流失，路基上部逐渐发展为空洞，较易发生坍塌、冒落现象，导致路基承载力降低。

2.4 处理方案

因篇幅限制，为了简明扼要阐述依托工程WSS注浆处理思路，方案介绍时进行适当简化处理。

由于病害数量较多，较为分散，为保证路基整体稳定性，考虑该路段全局处理。根据物探及检测报告，需要采取止水措施以防止渗流作用下继续发生土颗粒的流失。同时，需对土体进行加固以满足地基承载力要求。综合前文所述WSS注浆主要优点，考虑采用WSS注浆对该地质不良区域进行处理。对地质不良中心区域采用普通注浆，正三角形布桩，设计注浆孔扩散半径0.4 m，注浆孔间距2 m，桩长6 m（桩长由地基承载力及变形要求控制）；四周采用WSS注浆，为双排咬合桩，设计注浆孔扩散半径1.0 m，注浆孔间距1.6 m，平均桩长10 m（穿透淤泥质黏土层），主要作用是形成止水墙，延长渗流路径，同时有效地减少中间区域注浆过程中的漏浆。

图5为地基处理平面设计图，图6为简化后WSS注浆平面布置示意图。

图5 地基处理平面设计图

图6 WS S注浆平面布置示意图（单位：m）

3 质量检验标准

依托工程采用WSS注浆进行地基处理，主要目的在于提高地基承载力和降低土体渗透系数。因此，要求处理范围内选取不少于3点进行复合地基静载荷试验，应满足复合地基承载力≥90 kPa；同时，要求选取注浆孔总数的5%～10%进行压水试验，渗透系数要求≤1×10-7cm/s。

现场测试复合地基承载力可达到设计强度,经压水试验测得的渗透系数小于设计要求值。同时，通过随机选定加固区域直接开挖，观察浆液充填情况。图7为注浆后现场之实景。利用公式（1）反算浆液填充率。反算出的浆液充填率大于85%。

图7 注浆后现场实景（开挖后）

式中：Q为现场实际注入的总浆液量，V为加固土体体积，n为孔隙率，α为浆液填充率，β为浆液损失率。

4 关键参数分析

材料选择与配比，注浆压力，注浆孔布置及扩散半径等均是影响地基处理效果的关键因素。

4.1 材料的选择与配比

浆液中的外加剂一方面改良浆液，增强浆液的可注入性；另一方面降低浆液凝固后的收缩性,确保注浆和止水效果[4]。

溶液型浆液（AB液）加固后的土体的强度较低，但驱水效果好。结合工程经验及现场试验，水玻璃与磷酸体积比为30∶1（磷酸浓度为85%），效果较好。悬浊型浆液（AC液）主要起加固作用，浊型浆液（AC液）性能取决于水泥浆水灰比，水玻璃模数值，浆液养护条件。浊型浆液中，水玻璃与水泥浆体积比为1∶1，水泥浆水灰比1∶1，加固土体效果较好。水玻璃的模数值是二氧化硅与氧化钠百分百分率之比，SiO2对土起到的胶结作用。试验研究表明，模数值≤1时，水玻璃加固土强度很小，不适合加固土的要求，1＜模数值≤3.3时，加固土的强度随着模数值的增大而提高，当模数值＞3.3时，加固土的强度随着模数值的增大反而降低[5]。因此，水玻璃模数值范围宜为1～3.3。