滲入性灌漿

滲入性灌漿是為了對地基進行加固和防滲處理, 反映在工程實際中則是提高灌漿對象的力學強度和變形模量。灌漿法按其灌漿作用機理和材料的不同進行分類, 其中滲入性灌漿法具有灌漿壓力小、不破壞土體原有結構的特點;作為一種灌漿材料, 水泥— 水玻璃具有成本低、無毒、適用性強、凝結時間可調節、充填率高等優點。

基本介紹

• 中文名：滲入性灌漿
• 外文名：Infiltration grouting
• 學科：土木工程
• 領域：建築
• 作用：對地基進行加固和防滲處理
• 優點：材料成本低、無毒、適用性好等

簡介

滲入性灌漿法在地基加固和防滲處理中套用廣泛。由於灌漿技術和相關技術的迅猛發展, 灌漿法已成為解決工程問題的重要手段, 其技術經濟效果顯著, 但目前在鄭州地區套用較少。因此, 有必要根據實際工程中採用灌漿法所取得的效果, 檢驗該方法在鄭州地區是否具有推廣價值。

滲入性灌漿作用機理

在灌漿壓力作用下, 漿液克服各種阻力滲入孔隙和裂隙, 壓力越大吸漿量及漿液擴散距離就越大,漿液就地凝固而達到加固或減少滲漏的灌漿方法。理論上假定在灌漿過程中地層結構不受干擾和破壞, 所用的灌漿壓力相對較小, 即漿液滲入土孔隙排除土中的自由水和空氣, 而不破壞其原有結構。

灌漿材料及其特性

水泥

灌漿工程套用最廣的是普通矽酸鹽水泥, 其礦物成份:3CaO .SiO₂ , 2CaO .SiO₂ , 3CaO .Al₂O₃ ,4CaO .Al₂O₃.Fe₂O₃ , 其中3CaO .Al₂O₃ 是快凝物質,並能釋放較大的熱量, 3CaO .SiO2 能在7 d 齡期內達到全部強度, 4CaO .Al₃O₂Fe₂O₃ 和2CaO .SiO₂ 的凝結速度也較快。

砂

砂的作用是在較大的孔隙和裂隙中灌漿時, 在水泥漿中加砂以形成經濟的漿液, 可防止漿液擴散過遠, 還可用摻砂的辦法提高漿液的固體含量和降低其含水量, 從而使漿液獲得較高的摩擦剪下強度。

水

水的作用有:

①把固態水泥變為懸浮液, 以供灌注;

②是對水泥粒水解和水化, 使化合物形成晶體並互相結合成網狀結構, 從而使水泥漿逐漸形成具有一定力學強度的結石。

水玻璃

水玻璃是促使水泥漿早凝的因素, 但並不是所用的水玻璃越多, 漿液凝固就越快。相反, 在一定範圍內凝固時間隨水玻璃用量的減少而加快。

水玻璃與水泥水解產物Ca(OH)₂反應機理為：

Na₂O .NSiO₂ +Ca(OH)₂ +MH₂O ※CaO .NSiO₂.MH₂O +NaOH (1)

水泥—水玻璃漿材具有以下特徵:

①漿液在加入速凝劑如氧化鈣或緩凝性磷酸二氫鈉後, 凝結時間可準確控制在幾秒及幾十分內;

②凝結後的結石率高達98 %～ 100 %;

③漿液結石體強度高, 一般為5 ～ 10 MPa , 水泥含量較大時, 其抗壓強度可達20 MPa ;

④水玻璃對結石強度的影響呈現一峰值,超過峰值後結石體強度隨水玻璃含量的增加而降低;

⑤結石體的滲透係數為10-3 cm/s。

灌漿設計

灌漿標準

1.　防滲標準

我國多採用吸水量ω作為準則。對比較重要的砂或砂礫石土質的防滲工程, 要求把地基滲透係數降至10-4 ～ 10-5 cm·s-1 以下。單位吸水量是用鑽孔試驗方法求得, 其計算式為ω= QL · H · T (2)

式中

ω———地層的單位吸水量;

Q ———地層的總吸水量;

L ———壓水試驗段長;

H ———壓水壓力;

T ———試驗時間。

單位吸水量與滲透係數K 之間存在的關係

K = ω×1 .5 ×10-3 (3)

2. 　強度標準

當灌漿目的是防滲時, 抵抗水壓力所需的抗剪強度為

C =P · d2l (4)

式中

C ———漿液結石與孔隙壁面間的粘結力;

P ———地下水的滲透壓力;

d ———孔隙高度;

l ———灌漿體長度。

鑽孔布置

根據漿液影響半徑和灌漿體設計厚度, 確定合理的孔距、排距、孔數和排數。

1. 　單排孔的布置灌漿體的厚度b

b =2 r2 - l 24 (5)

式中

l ———為灌漿孔距;

r ———漿液擴散半徑。

l =2 r2 - T24 (6)

式中

T ———為灌漿體的設計厚度;

其餘符號同上。

2. 　雙排孔的布置

排距R m =r +1/2 時兩排孔正好緊密銜接, 最大限度發揮了各灌漿孔的作用

Rm = r + r2 - l 24 (7)

Bm =2 · r + r2 -l 24(8)

式中

R m ———最優排距;

Bm ———最大灌漿有效厚度。

3.灌漿深度

灌漿深度取進入持力層後1 .5 ～ 2 倍的擴散半徑。

4.容許灌漿壓力的確定

容許灌漿壓力值與一系列因素有關, 例如地層土的密度、強度、初始應力、鑽孔深度、位置及灌漿次序等, 而這些因素又難於準確地預知, 因而宜通過現場灌漿試驗來確定。

水泥—水玻璃漿液配方及施工工藝

其基本配方(以質量計)為A 液:水泥100 份, 水100 ～ 200 份;B 液:水玻璃100 份, 水100 ～ 200 份, 穩定劑0 .3 ～ 1份, 分散劑0 .5 ～ 3 份。

一般採用矽酸鹽水泥, 水玻璃模數2 .4 ～ 2 .8 ,濃度40°～ 50°Be , 按一定比例進行配製, 用兩台灌漿泵分兩路輸送系統將A 液、B 液(雙液法), 運至孔口或管底混合, 然後注入土空隙中, 其灌漿量Q的計算：

Q = V ·(n ×F)·(1 +L) (9)

式中

V ———加固區總體積;

n ———孔隙率;

F ———孔隙率充填係數;

L ———漿液滲出加固區外的損耗係數。

在正常條件下, 每次注漿中注漿壓力由大到小。當注漿壓力達到設計的終壓時, 注漿量50 ～60 L/min , 穩定時間20 ～ 30 min 後即可結束注漿。

一般水泥—水玻璃化學灌漿加固土層效果較好, 含水量可降低15 %～ 30 %, 壓縮模量增大2 ～ 3 倍, 內摩擦再增加20 %～ 30 %。

灌漿效果檢查

灌漿質量高不等於灌漿效果好, 有效的檢查方法是在灌漿體內鑽孔, 並通過鑽孔對結石進行密度、結石性質、漿液充填率、剩餘孔隙率、無側限抗壓強度、抗剪強度、滲透性、長期滲流穩定性、變形模量和蠕變性的測試。

工程實例

工程概況

鄭州市城南路東段一住宅樓危房加固。地基土第1 層為雜填土, 由磚塊、爐渣和生活垃圾組成, 該層厚度2 .0 ～ 2 .8 m , 第2 層為粉土, I 1 <0 , 呈堅硬狀態, 該層粉土土質均勻, 承載力可達180 kPa , 厚6m .場地地下水埋深為17 .5 m , 屬抗震設防7 度區。

危房現狀

該樓北側1 -3 單元門洞處出現縱裂縫, 由1 層一直延續至5 層, 在樓北外牆與下水管道之間的砼路面和樓邊散水面處亦出現與樓房走向大致相吻合的縱向裂縫, 局部呈明顯的鋸齒狀。

地面沉降及樓牆開裂原因

所有勘探鑽孔表層均為磚塊、爐渣和生活垃圾組成的填土, 沿下水管道已發生明顯地面沉降。該5 層樓為磚砌條基, 持力層在1 層填土上, 基礎本身剛性較差, 且持力層不均勻, 造成基礎沉降不均, 樓北側下水管道斷裂, 常年漏水, 使地基受到水浸, 加速了基礎不均勻沉陷, 導致門洞樓梯間凸出部位外牆結合強度較弱, 應力集中, 樓北地面沉降首先影響距離較近門洞的凸出部位產生裂縫。

治理措施

首先修理斷裂的下水管, 止住漏水使地基不再浸水, 再用滲入性灌漿, 在基本不擾動原土結構的情況下, 加壓通過注漿液均勻注入土層, 趕走空隙水和空氣, 與土體形成強度大, 抗滲性能高的結石體。施工不產生附加沉降, 在作業空間小的情況下完成, 不影響住戶生活, 造價較低。

工程灌漿設計

為達到托換整治土體位移, 增大變形模量, 提高抗滲能力, 同時提高地基承截力, 防止地基不均勻沉降的目的, 擴散半徑由現場測試確定r =0 .6 m , 採用雙排孔布置, 設計厚度0 .8 m .灌漿孔距l =2 r2 -T24 =z 0 .62 -0 .824 =0 .9(m)

排距Rm =r + r2 -l 24 =0 .6 + 0 .62 -0 .92

4 =1 .99 (m)樁長取進入持力層2 倍的擴散半徑, 2 ×0 .6 =1 .2m , 加上填土厚2 .8m , 為4m , 實際樁長取4 .5m .灌漿壓力現場測定為400 ～ 600 kPa , 下部粉土取上限, 上部填土取下限。漿液選定及配比, 水泥:425#普通矽酸鹽水泥, 水灰比W∶C =1∶1 ;水玻璃模數n =2 .5 ～ 3 .0 , 濃度50°Be .施工時採用先外排後內排的順序灌注。

該工程加固後經一年多時間的觀測, 加固效果良好, 未有新的沉降及裂縫出現。

總結

水泥—水玻璃化學灌漿有材料成本低、無毒、適用性好、貨源充足、凝結時間可調節、充填率高、收縮率小、早期固結強度高、濕條件耐久性好等優點, 還具有表面活性作用, 與土體有較好的結合力, 反應熱量又有助於土體排氣脫水, 經化學反應的軟土能形成較硬的化學複合土的優點, 採用滲入性灌漿法, 灌漿壓力較低, 不破壞原土結構, 因而水泥—水玻璃滲入性灌漿法有較廣泛的套用價值。