高压喷射注浆处理深埋软弱夹层技术探究

贾欣媛 岳大昌 李明 廖必成

曹家巷D地块项目塔楼基底以下分布有软弱下卧层（中砂、松散卵石或稍密卵石），其强度及变形验算不满足设计要求，因此需进行地基处理。经方案对比后采用浅层换填+高压喷射注浆的加固方式，先根据软弱下卧层的埋深进行平面分区，采用深层加固结合浅层换填方式，再在竖向进行分段，对软弱下卧层采用高压喷射注浆。通过室内配合比试验、数值模拟、现场试验相结合的方式对设计进行验证，施工后通过检测和监测结果反馈，承载力和变形均满足设计要求，从而反映出高压喷射注浆的地基加固方式对该类工程是适宜的。

高压喷射注浆加固； 深埋软弱夹层； 配合比试验； 数值模拟； 现场试验

TU472.3+6 A

［定稿日期］2022-01-24

［作者简介］贾欣媛（1984—），女，硕士，高级工程师，主要从事岩土工程设计、咨询、施工等工作。

高压喷射注浆法是20世纪70年代初期开发的一种新型地基加固技术，即用高压水泥浆通过钻杆由水平方向的喷嘴喷出，形成喷射流，以此切割土体并与土拌合形成水泥土加固体的地基处理方法。经过不断实践与应用，目前该方法已经形成了成熟的地基加固工法。其中，三重管法是一种水、气喷射及浆液灌注的方法，即用3层或3根喷射管使高压水和空气同时横向噴射，并切割地基土体，借空气的上升力把破碎的土由地表排出；与此同时，另一个喷射管将水泥浆以较低压力喷射注入到被切割、搅拌的地基中，使水泥浆与土混合达到加固的目的［1］，加固直径为0.80～2.00 m，加固深度达20.0～30.0 m，在工程中应用十分广泛。

高压喷射注浆克服了传统意义上的静压化学或水泥注浆法加固效果不易控制的缺点（尤其是在沉积的分层地基和夹层多的地基中，注入剂往往沿着层面流动；在细颗粒的土中，注入剂难以渗透到颗粒的孔隙中），将注入剂形成高压喷射流，借助高压喷射流的切削和混合，使硬化剂和土体混合，达到改良土体的目的［1］。

1 工程概况

1.1 建设项目基本概况

曹家巷D地块项目位于成都市金牛区，由2栋41～43层（高度约188.70～197.60 m）的超高层建筑物组成，设3层地下室，地基基础等级设计等级为甲级。本工程设计±0.00=501.400 m，框架核心筒结构，筏板基础，塔楼区域设计筏板顶标高分别为-14.85 m、-15.65 m和-15.50 m，筏板厚度分别为1.30 m、1.40 m、2.70 m和2.90 m。

1.2 工程地质水文地质条件

场地地貌属于岷江水系I阶地，基底以下主要由第四系全新统河流冲洪积（Q4al+pl）中砂、卵石及白垩系灌口组泥岩（K2g）组成。

场地地下水属第四系孔隙潜水类型，砂卵石层为主要含水层，由大气降水及上游地下水径流补给。勘察期间处于平水期，稳定水位3.20～4.10 m，地下水年变化幅度1.50 m左右，年最高地下水位绝对标高498.50 m左右，卵石层渗透系数K=25.00 m/d。

场地地下水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。

2 方案比选

2.1 工程特点

本工程为超高层建筑，地基承载力要求高，结构设计要求：筏板厚度不小于1 300 mm的区域天然地基承载力特征值fak≥1250 kPa。勘察报告显示，基底以下以密实卵石为主，其地基承载力特征值fak=800 kPa，不能满足设计要求，为充分利用天然地基，对密实卵石层进行载荷试验。

首先对107个点进行超重型动力触探试验，并根据超重型动力触探试验结果选取具有代表性的密实卵石层的10个点进行浅层平板载荷试验。压板面积0.50 m2，最大试验荷载2 600 kPa，见图1。

试验结果表明，本场地密实卵石层地基承载力fak可取1 250 kPa。但需对塔楼基底以下分布的软弱下卧层（中砂、松散卵石或稍密卵石）进行处理，处理后要求如表1所示。

通过对补勘钻孔资料的梳理，塔楼基底以下有15个钻孔共22处软弱夹层，埋深及厚度如表2所示。

本工程地基处理的难点主要体现在几个方面：

（1）软弱下卧层埋置深度差异较大，1.20～8.50 m。

（2）软弱下卧层平面分布不连续，多呈透镜体状分布，厚度0.50～2.20 m，且有的钻孔分布有多层软弱下卧层（如Z6、Z32、Z36）。

（3）软弱下卧层为非均匀地层，主要为中砂、松散卵石和稍密卵石等。

（4）建筑对差异沉降敏感，且承载力要求提高幅度较大。

针对软弱下卧层平面分布不连续、埋深大、厚度不均的特点，考虑因地制宜、局部处理，同时针对埋深大的特点，采用浅层与深层相结合的处理方式。2号楼钻孔Z43、Z44、Z47区域，软弱下卧层埋深在1.20～1.80 m，采用C15混凝土进行换填；其余区域，软弱下卧层埋深在3.00～8.50 m，采用深层地基加固方式。

2.2 方案对比

对于深层地基加固方式，在方案比选阶段选取了2种处理方式进行可行性对比。方案一为大直径素混凝土桩复合地基处理方式，方案二为高压喷射注浆加固方式。经比选，方案二在工程造价上可节约140万元，经济性更佳；工期上，按单台设备工效预估，可节约工期约20天，效率更高。

经综合评定，选择浅层换填+深层高压喷射注浆。对于基底以下3.0 m范围内的软弱下卧层采用C15混凝土换填；对于基底以下3.0 m范围外的软弱下卧层采用高压喷射注浆法进行加固。注浆加固设计如图2所示。

注浆参数：

（1）注浆加固扩散半径0.50 m，注浆孔按等边三角形布置，间距1.00 m。密实卵石层中注浆加固扩散半径可小于0.50 m，根据现场试验性施工确定。

（2）注浆孔采用潜孔钻机引孔，孔径150 mm，采用跟管钻进，钻进深度为软弱下卧层底标高以下0.50 m。

（3）注浆采用三重管水泥浆高压旋喷注浆，注浆体深度为软弱层顶面上0.50 m到软弱层底面下0.50 m。

（4）注浆加固体饱和单轴抗压强度不低于2.50 MPa，参照GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》［2］第5.2.6条，折减系数按0.50取值，fa=Ψr·frk=0.50×2500=1250 kPa。

2.3 优势分析

2.3.1 高压喷射注浆加固

高压旋喷注浆加固不仅可以竖向加固，且通过高压旋喷作用，在径向也可起到固化效果，该方法受土层、土的粒度、土的密度、硬化剂粘性、硬化剂硬化时间的影响较小，且对地下环境污染小。

水泥结石体强度高、使软弱下卧层的强度特性得以改良，进而提高地基承载力。

加固处理后有效降低了土体的压缩性。主要表现为减少了土体压缩变形。

2.3.2 平面分区

平面分区采用浅层+深层处理相结合的加固方式，处理方式灵活、经济。浅层采用混凝土换填处理，施工工艺和施工设备简单，施工速度快，施工质量易于保证；深层加固采用高压旋喷注浆加固，仅针对局部软弱下卧层，有计划地在预定的范围内注入水泥浆液，形成连成一片的加固体，加固深度可以自由调节，连续或分段均可，处理方式更为灵活。与桩基础或高压旋喷桩等方式相比，充分利用了密实卵石的承载能力，造价低；与常规化学或水泥注浆方式相比，加固体质量更为可靠。

2.3.3 竖向分段

根据软弱夹层的位置在深度方向作了竖向分段，即仅在软弱层上下0.50 m范围内进行高压喷射注浆，其余部分仅进行常规注浆。

分区、分段后仅针对软弱层进行局部处理，不仅可充分利用原状地基土的强度，且大幅度缩减水泥用量，节能减排，提高了施工效率，节约了成本及工期。

3 高压喷射注浆加固浆液配比确定

根據JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》［3］ 8.1.2条，注浆加固设计前应进行室内浆液配合比试验和现场注浆试验，确定设计参数。

为了解喷射注浆固结体的性质和浆液的配比，取现场各层土样，在室内按不同含水量和配合比进行试验，选出最合理的浆液配方［4］。现场采取扰动土样，在采样后24 h内掺入P.O 42.5水泥制作标准试件并在标准条件下养护28天后进行无侧限抗压强度试验，配合比及试验结果如表3所示。

由表3可知，加固体单轴抗压强度可达3.40～9.10 MPa，满足设计不低于2.50 MPa的要求。当水灰比不变时，单轴抗压强度随着水泥掺量的增加而提高；水泥掺量不变时，水灰比为1∶1.50时为较优配比。此结果可供施工参考。

4 地基加固效果数值分析

Midas-GTS-NX作为一种通用有限元分析软件，可有效的模拟砂土、黏土、泥岩等常见的岩土工程材料的弹塑性变形特征，具有可视化界面及强大的建模功能，广泛应用于岩土工程领域。为了解加固方案的实施效果，采用MIDAS-GTS-NX软件对加固前、后地基变形进行了三维建模分析。

4.1 模型建立

根据注浆加固平面布置图及地勘报告剖面图，分别建立密实卵石层及软弱夹层模型，见图3。

4.2 参数选取

模型建立考虑2种工况，工况1为天然地基沉降计算，工况2为换填后复合地基沉降计算。

4.3 加固效果对比分析

加固前、后的沉降量如图4所示，天然工况下（软弱下卧层不加固），沉降变形值为43.8 mm；加固后，变形值仅为18.2 mm。由计算结果可知，通过对软弱下卧层的注浆加固后，可有效控制建筑物的工后沉降变形，满足后期正常使用要求。

5 施工工艺及技术参数

5.1 试验性施工

在正式施工前进行现场试验，查明喷射固结体的直径和强度，验证设计的可靠性和安全性。

高压喷射注浆完毕，待固结体具有一定强度后，对加固体进行开挖验证。经实际测量及室内试验验证，加固体渗透半径可满足设计要求，加固后松散卵石胶结效果良好，且在平面上搭接成片状、深度上连成一体，满足地基土的强度和变形要求，设计参数取值合理。

5.2 技术参数确定

根据现场试验性施工结果并结合软弱下卧层的土质、密实度等具体条件，选用喷射技术参数见表4。

5.3 机械设备

施工机械设备主要包括潜孔钻机、旋喷钻机、三重喷射管、泥浆泵、空压机、搅拌机等。

5.4 关键工序

高压喷射注浆加固工艺流程（图5）：安装机具、引孔—钻孔完成、准备注浆—喷射注浆—普通注浆—注浆完成、移机。

5.4.1 引孔

首先对孔位进行放线、标识，孔位偏差小于50 mm，钻孔垂直度小于1%。

为了提高施工速度，防止孔壁塌孔和缩颈，保证施工质量，本工程采用了潜孔钻机引孔，跟管钻进成孔后，放入110 mm PVC管，然后将套管拔出一段。

5.4.2 分段注浆

接通高压管、水泥浆管、空压管、开动高压泵、泥浆泵、空压机和钻机，插入旋喷管，将旋喷管插至孔底，并用仪表控制压力、流量和风量，分别达到设计的数值时开始提升旋转喷射对软弱层进行加固。提升旋喷管自下而上旋喷施工，直至软弱层顶面以上0.50 m，再将喷射管下至孔底进行复喷。

复喷完成后，在非加固区，向上边喷浆边提升钻杆直至孔口。

6 检测、监测

6.1 检测

施工完成后，通过载荷试验、超重型动力触探、钻芯、混凝土试块抗压试验，对1 267个加固点（其中1#楼加固点数量为1 102个，2#楼加固点数量为165个）进行检测，所测22个动力触探孔在注浆加固处理深度范围内测试值N120=12～78 击/10 cm，密实程度为密实—很密；钻芯所测22个孔注浆加固处理深度范围内芯样胶结较好，芯样总体呈柱状；钻芯所取11组注浆加固处理深度范围内完整芯样饱和单轴抗压强度不低于2.50 MPa，所取9组注浆返出的完整水泥土芯样饱和单轴抗压强度不低于2.50 MPa，载荷试验所测3个点地基承载力特征值不低于1 250 kPa，均满足设计要求。

6.2 监测

根据2020年3月《建筑物主体沉降监测报告》，累计沉降量最小值在11.80～13.20 mm，累计沉降最大值在15.30～16.50 mm，各观测点均匀沉降，累计沉降量满足规范要求，未见异常，且与数值模拟结果基本吻合。主体封顶后最大沉降速率小于稳定标准0.02 mm/d，沉降已基本稳定。

7 结束语

本工程为超高层建筑，地基承载力要求较高，建筑物差异沉降变形敏感，常规的地基处理方式很难满足工程需求。

通过方案比选，综合采用换填+高压旋喷注浆加固方式，地基加固设计因地制宜，首先根据软弱下卧层的埋深进行分区，采用深层加固结合浅层换填方式，后又在竖向上进行分段，对软弱下卧层段采用高压旋喷注浆，非加固段采用普通注浆，既能有效地提高地基承载能力，同时控制了软弱下卧层的变形沉降，满足建筑使用要求。

换填+高压喷射注浆加固方案，工艺成熟、施工设备简单，可有效的缩短施工工期；同时，仅针对局部存在的软弱下卧层进行高压旋喷注浆加固处理，最大限度利用原状地基土的强度，减少了对地基土的扰动，大大减少混凝土使用以及现场钻渣的排放，缓解了注浆浆液注入地下后对地下水资源的污染，达到节能减排的综合效果，至少能节约整个加固工程造价的30%，符合当今倡导的节材、环保、绿色施工理念。

通过室内试验、现场试验、数值模拟相结合的方式对设计参数进行了验证，对正式施工具有良好的指导作用；施工后通过检测和监测结果反馈，承载力和变形满足建筑设计要求。所积累的一整套加固设计及施工经验，既是对规范的验证，也是对规范的丰富，对今后类似项目具有一定的指导意义。

参考文献

［1］ 地基处理手册（第二版）编写委员会. 地基处理手册（第二版）［M］. 北京： 中国建筑工业出版社，2000：355-358.

［2］ 建筑地基基础设计规范： GB 50007-2011［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012-08-01：25-25.

［3］ 建筑地基处理技术规范： JGJ79-2002［S］. 中国建筑科学研究院，2007-01-01：75-75.

［4］ 罗涛，肖玉明，唐光暹.高压旋喷硫铝酸盐水泥浆液处理桩缺陷施工技术研究［J］.施工技术，2018，47（9）：22-24.

［5］ 李军.注浆加固技術在地铁隧道结构沉降处理中的应用研究［D］.广州.华南理工大学， 2013.