高压喷射注浆在某教学楼地基加固中设计要点分析

郭 良

(龙岩铁路建设发展集团有限公司，福建 龙岩 364000)

0 引言

地基承载力不足、不均匀下沉等是建筑工程中经常遇到的问题，此时为保护地表建筑物，必须对地基进行加固，提高地基承载力。高压喷射注浆是目前常用的技术手段，有着工期短、成本低、效果好等优点，目前在帷幕防渗、地基加固、边坡防护等方面有着广泛应用。由于该技术涉及到材料、施工等众多参数，因此前期的设计工作十分重要。

1 工程概况

福建龙岩市武平县某中学教学楼建设于1995年10月，该教学楼为2层钢筋混凝土框架结构，整体布局为矩形。2018年5月，在该大楼东南角处发现了一个面积约为20 m2的不均匀沉降区，造成2层靠近该处墙体出现5 cm～10 cm裂缝，经检测部分框架也出现一定裂缝，若不及时处理会严重影响大楼使用安全。

2 高压喷射注浆分类及地基加固形式

高压喷射注浆技术本质是利用钻机将带有喷嘴的注浆管送至预定深度，利用高压(20 MPa～40 MPa)将水泥浆喷射进入土体，破坏土体原有结构，将浆液和土体进行混合后凝固，可在土体中形成固结体。按照喷射类型不同，主要可分为三种：旋喷、定喷、摆喷(见图1)，旋喷适合地基加固工程，而后两者适合帷幕防渗，故在此不再详述。

高压旋喷桩主要应用于地基加固，可以单个桩分散施工，也可以聚集桩体，具体如图2所示。由于本项目地面已有建筑，采取桩体分散施工合理。旋喷形成桩体的结构见图3，从里到外依次为：硬化剂、混合部、压缩土体[1]。

3 高压喷射注浆技术主要参数设计分析

为防止本项目教学楼部分墙体和框架裂缝扩大化，设计在主框架周围布设高压旋喷桩，依靠桩体承载力和对土体的挤压力来加固地基[2]。

3.1 高压喷射注浆参数设计分析

3.1.1水泥浆水灰比的确定

高压喷射注浆技术浆液主要材料为水泥，如果工程没有特殊要求，一般选用32.5级以上的普通硅酸盐水泥完全满足使用要求。此外，若地质条件或其他要求，还可以在浆液中添加附加剂(本项目不涉及，因此不再详述)。

1)水灰比方案。

水灰比是浆液最重要的参数，水泥比重越大，形成桩体强度越高，但是也会造成浆液扩散范围小，无法达到规定直径。胶凝时间、结石率等均会产生较大差别。在此采取试验手段确定本项目最佳水灰比，对比方案见表1[3]。

表1 水灰比对比方案

2)试验结果分析。

本次试验主要对注浆体检验的参数包括：抗压强度、扩散半径、结石率。试验结果见图4,表2。

由图4可知：

1)随着水灰比的减小，试件抗压强度在逐步增大，其中1号、2号最终维持在3 MPa～5 MPa，3号、4号维持在10 MPa左右，5号最终可达23 MPa；

2)固结体在7 d～28 d期间是凝固主要期，其中5号方案在7 d～14 d期间抗压强度增大了3倍，3号、4号方案在14 d～28 d期间抗压强度增大2.5倍。

表2 各配比扩散半径和结石率数据

由表2可知：

1)随着水灰比的减小，扩散半径在逐渐减小，而结石率在逐渐增大；

2)扩散半径均能达到设计值，结石率越高桩体整体性越强，3号、4号、5号相对合理。

综合分析：5号方案在抗压强度、凝结时间、扩散半径、结石率等方面均满足要求，而且本项目会在重点加固区域配合注浆施工，因此对旋喷范围要求较小，所以建议本项目选择浆液水灰比为0.5∶1。

3.1.2喷浆参数设计

1)注浆压力和注浆量的计算。

目前高压喷射注浆技术的注浆量Q有两种理论算法：体积法、喷量法，最后取两者较大值作为施工参考，计算公式分别见式(1)，式(2)[4]。经过计算：Q=4.3 m3。

(1)

其中，D为旋喷桩体直径，m；K为填充率，0.75～0.9；H为旋喷长度，15 m；α为折减系数，0.6～1.0；β为损失系数，0.1～0.2。

(2)

其中，v为注浆管提升速度，m/min；q为单位时间喷浆量，m3/min。

2)桩体直径及长度。

旋喷桩体直径确定较为复杂，只能依靠经验和其他类似工程相结合，根据大量相关工程总结经验，高压旋喷桩体设计直径参考值如表3所示。本项目地基属于粘性土，标准贯入击数为3，所以设计直径0.6 m。

桩体长度以进入坚硬地层为标准，且要满足地基变形允许值。本项目稳定地层为粉质砂岩，埋深约13 m，设计进入稳定岩体2 m～3 m，暂定桩体长度为15 m。

3.2 桩体承载力及地基变形计算分析

1)单桩竖向承载力。

由于本项目设计采用单桩加固，确定单桩竖向承载力Ra可以采用“现场试验+理论计算”确定，其中理论计算见式(3)，在此估算Ra=396 kN，强度足够满足本项目加固要求。

Ra=η×fc×Ap

(3)

其中，η为桩身强度折减系数，0.7；fc为试块28 d养护后抗压强度；Ap为桩体横截面。

2)地基变形计算。

当对地基加固时，必然会压缩土体，使其产生一定的变形，若变形量较大，则会对建筑产生破坏，得不偿失，因此在加固前必须对地基变形量进行计算，压缩模量Bs计算公式见式(4)，经计算地基变形量在100 mm以下，若注浆处理好，必然不会对建筑产生影响，因此满足要求，以上设计均科学合理。

(4)

其中，Ec为桩间土压缩模量；Ep为桩体压缩模量；Ae为单根桩体处理面积；Ap为桩体横截面。

4 结语

经过高压旋喷桩和重点区域的注浆加固，该教学楼地基加固项目取得了很好的效果。施工结束3个月后对地基沉降进行观测，沉降量很小，完全在允许值范围内，教学楼整个框架处于稳定状态，将墙体裂缝处理后已经投入正常使用。高压喷射注浆技术使用范围很广，但需要紧密结合工程地质设计，保证各项设计参数的科学合理，否则加固效果无法保证。