浅谈堤防地基加固技术及应用

自2005年至2013年七八年间，我们在凤台县采煤沉陷区堤防加固工程中，针对堤基软弱问题应用了一些地基加固技术。经过几年来的运行观测，效果很好，加固后的堤防安全稳固，堤身滑坡问题得到了很好的解决。堤防地基加固的方法很多，对于选择何种方法进行堤坝地基加固，需要根据现场地质及施工条件进行认真研究。在堤防地基加固工程中，比较适用的有高压喷射注浆技术、深层搅拌法加固技术等。　　1、地基加固方法选择要点　　1．1地基加固方法选择的基本原则　　在除险加固工程中，地基加固处理方案的选择，具体取决于以下诸方面：(1)功能性：必须满足工程目的和要求；(2)可实施性：方案的工程规模、有关参数和技术指标，在目前的技术水平条件下是可行的；(3)经济性：方案通过技术经济比较，投入产出分析，在满足功能性要求的前提下，工程费用较低，工程概预算能够承受；在确定采用后尚应采用先进技术，优化方案，合理使用材料。(4)环境和安全性：避免工程污染环境或污染最小；能保障堤防结构和相邻建筑物安全，保证施工人员的安全。　　1．2地基加固方法与选择　　地基加固方法的选择：(1)首先应分析采用天然地基的可行性，如有可能应尽量采用天然地基。(2)根据建筑物对地基的要求和地基条件，确定需要进行处理的范围和处理要求。(3)地基处理方法必须满足堤防对地基的设计要求，主要指天然地基经处理后应能达到的物理力学指标。(4尉天然地基的条件、处理要求、工程费用及材料来源等各方面进行综合考虑，以确定合适的地基处理方法。(5)地基处理方法原则上一定要技术上可靠、经济上合理，又能满足施工进度要求。通过分析比较可以采用一种处理方法，也可以采用由两种或两种以上的处理方法组成综合的处理方案。(6)注意节约能源，注意环境保护，避免因地基处理而对地面水和地下水产生污染，振动噪音等对周围环境产生不良影响。　　1．3几种地基加固方法的比较　　地基加固的方法较多，但在堤防除险加固工程中，比较适用的有高压喷射灌浆法、深层搅拌法和振冲法等几种，其中高压喷射灌浆法和深层搅拌法既可以做成防渗墙，处理地基渗漏问题，也可以用于地基加固。而振冲法、强夯法、排水固结法等可应用于新建或改建堤防工程中。几种地基加固方法的特点及适用范围见表1。

虽然常用的几种地基加固方法可以用来加固堤身，但往往在经济上是不合理的。堤身问题可以按照堤防工程施工规范的有关要求，采用人工翻建的方法重新填筑，施工质量是可以得到保证的，而且还可以利用当地的农闲劳动力。　　2、高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术　　高压喷射灌浆和深层搅拌法加固技术相似，其主要差别在于采用不同的加料拌和手段。　　2．1高压喷射灌浆技术　　高压喷射法就是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后，用高压泥浆泵，通过安装在钻杆(喷杆)杆端置于孔底的特殊喷嘴，向周围土体高压喷射固化浆液(一般使用水泥浆液)，同时钻杆(喷杆)以一定的速度边旋转边提升，高压射流使一定范围内的土体结构破坏，并强制与固化浆液混合，凝固后便在土体中形成具有一定性能和形状的固结体。　　固结体的形状和喷射流的移动方向有关。一般分为旋转喷射(简称旋喷)，定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)。旋喷桩主要用于加固地基，提高地基的抗剪强度，改善地基土的变形性能，使其在上部结构荷载作用下，不至破坏或产生过大的变形。定喷固结体呈壁状，摆喷形成厚度较大的扇状固结体。定喷和摆喷通常用于地基防渗，改善地基土的水力条件及边坡稳定等工程。　　2．1．1加固机理　　高喷法如三管高喷法用压缩空气包裹高压喷射水流冲击破坏搅动土体，同时用低压灌浆泵灌入浆液，浆液被高压水、气射流卷吸带入，同时与被搅动土体混合形成固结体。加固地基，形成桩、板、墙的机理可用五种作用来说明：(1)高压喷射流切割破坏土体作用喷流动压以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现空洞。(2)混合搅拌作用钻杆在旋转和提升的过程中，在射流后面形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向(即阻力小的方向)移动，与浆液搅拌混合后形成固结体。(3)置换作用三重管高喷法又称置换法，高速水射流切割土体的同时，由于通入压缩空气而把一部分切割下的土粒排出灌浆孔，土粒排出后所空下的体积由灌入的浆液补入。(4)充填、渗透固结作用高压浆液充填冲开的和原有的土体空隙，析水固结，还可渗入一定厚度的砂层而形成固结体。(5)压密作用高压喷射流在切割破碎土体的过程中，在破碎带边缘还有剩余压力，这种压力对土层可产生一定的压密作用，使高喷桩体边缘部分的抗压强度高于中心部分。　　2．1．2基本种类　　按喷射介质及其管路多少可分为单管法、二管法、三管法等。　　(1)单管旋喷法 通过单根管路，利用高压浆液(20-30MPa)，喷射冲切破坏土体，成桩直径为40-50cm。其加固质量好，施工速度快和成本低，但固结体直径较小。　　(2)-管旋喷法。在单管法的基础上又加以压缩空气，并使用双通道的二重灌浆管。在管的底部侧面有一个同轴双重喷嘴，高压浆液以20MPa左右的压力从内喷嘴中高速喷出，在射流的外围加以0.7MPa左右的压缩空气喷出。在土体中形成直径明显增加的柱状固结体，达80～150cm。　　(3)三管旋喷法。使用分别输送水、气、浆三种介质的三重灌浆管。高压水射流和外围环绕的气流同轴喷射冲切破坏土体，在高压水射流的喷嘴周围加上圆筒状的空气射流，进行水、气同轴喷射，可以减少水射流与周围介质的摩擦，避免水射流过早雾化，增强水射流的切割能力。喷嘴边旋转喷射，边提升，在地基中形成较大的负压区，携带同时压入的浆液充填空隙，就会在地基中形成直径较大、强度较高的固结体，起到加固地基的作用。　　2．1．3浆液材料　　水泥是喷射灌浆的基本材料，水泥类浆液可分为以下几种类型；(1)普通型浆液一般采用普通硅酸盐水泥，不加任何外加剂，水灰比一般为0.8:1～1.5:1，固结体的抗压强度(28ct)最大可达1.O～20MPa，适应于无特殊要求的工程。(2)速凝一早强型适于地下水位较高或要求早期承担荷载的工程，需在水泥浆中加入氯化钙、三乙醇胺等速凝早强剂。掺入 氯化钙的水泥一土的固结体的抗压强度为1.6MPa，掺入4％氯化钙后为2.4MPa。(3)高强型喷射固结体的平均抗压强度在20MPa以上。可以选择高标号的水泥，或选择高效能的扩散剂和无机盐组成的复合配方等。　　在水泥浆中掺入2-4％的水玻璃，其抗渗性有明显提高。如工程以抗渗为目的，最好使用“柔胜材料”。可在水泥浆液中掺入10-50％的膨润土(占水泥重量的面分比)。此时不宜使用矿渣水泥，如仅有抗渗要求而无抗冻要者，可使用火山灰水泥。　　2．1．4高压喷射灌浆工艺　　喷射范围应在现场通过试验确定。高喷固结体的范围大小与土的种类和其密实程度有较密切的关系，不同的喷射种类和喷射方式所形成的固结体大小也不相同。定喷的喷射能量集中，喷射范围较大。旋喷粘性土固结强度为0.3～6.0MPa，无粘性土固结强度为4～15MPa。　　对于防渗工程多采用定喷、摆喷，地层含的粒径较粗时多采用摆喷或旋喷。对处理深度大于20m的复杂地层最好按双排或三排布孔，使高喷桩形成堵水帷幕。孔距应为1.73R(R为旋喷固结体半径)，排距为1.5R时最经济。一般定喷、摆喷孔距为1.2～2.5m，旋喷为0.8～1.2m。高喷防渗效果一般可达10̄⁵～10̄⁶cm／s。　　高喷桩桩距应根据上部结构荷载、单桩承载力及土质情况而定。一般取桩距为S=(3～4)d(d为旋喷桩直径)，桩的布置方式可选用矩形或梅花形布置。　　高喷灌浆施工钻孔的目的是将灌浆管插入预定的土层中，由下而上进行喷射作业。近来也有用振冲方式成孔直接进行喷射作业的方法。喷射时应注意以下事项：(1)灌浆深度大时，易造成上粗下细的固结体，影响固结体的承载能力或抗渗作用，因而需采用增大压力和流量或降低旋转和提升速度等措施补救，(2)当发现喷浆量不足而影响工程质量时，可采用复喷技术，(3)当冒浆量大于灌浆量的20％时，可采用提高喷射压力、缩小喷嘴直径、加快提升速度和旋转速度等措施，对冒出的浆液，可回收利用，(4)根据工程需要调节喷射压力和灌浆量，改变喷嘴移动方向和速度，控制喷射固结体的形状，即圆盘状、圆柱状、大底状、糖糊芦状、大帽状和墙壁状。(5)喷灌后的浆液有析水现象，可造成固结体顶部出现凹穴，对地基加固及防渗不利。为此，可采用静压灌浆或浆液中添加膨胀材料等措施预防。　　高压泵是高压喷射灌浆中的关键设备，要求压力和流量能在一定的范围内调节。额定流量为85～l50L／min；额定压力为2O～50MPa。　　2．1．5高喷固结体的责量检测　　(1)开挖检验：待浆液凝结具有一定的强度后，即可开挖检查固结体垂直度、形状和质量；(2)钻孔检查：从固结体中钻取岩芯，进行室内物理力学性能试验。在钻孔中做压水或抽水试验，测定其抗渗能力；(3)标准贯人试验：在旋喷固结体的中部可进行标准贯人试验。　　(4)载荷试验：静载荷试验分垂直和水平静载荷试验两种。试验时，需在受力部位浇筑O．2～0．3m厚的混凝土层，(5)围井试验：在板墙一侧增加喷孔，与板墙形成封闭围井，在井中进行压水和抽水两种试验，或观测井内外水位，多用于防渗效果检查。　　高压喷射灌浆加固地基技术主要适用于第四纪冲积层、残积层及人工填土等。对于砂类土、粘性土、黄土和淤泥等都能加固。但对砾石直径过大、含量过多及有大量纤维质的腐植土喷射质量稍差，有时甚至

复合土工膜（复合防渗膜）分为一布一膜和两布一膜，宽幅4-6m，重量为200—1500g/平方米，抗拉、抗撕裂、顶破等物理力学性能指标高，产品具有强度高，延伸性能较好，变形模量大，耐酸碱、抗腐蚀，耐老化，防渗性能好等特点。能满足水利、市政、建筑、交通，地铁、隧道、工程建设中的防渗、隔离、补强、防裂加固等土木工程需要。常用于堤坝、排水沟渠的防渗处理，以及废料场的防污处理。