(壹)地基與基礎處理的方法
地基與基礎是兩個不同的概念。
通常將埋入土層壹定深度的建築物下部承重結構稱為基礎。
地基是基礎底面下,承受由基礎傳來荷載的那壹部分巖土層。基礎下的土層稱為持力層;在地基範圍內持力層以下的土層稱為下臥層,強度低於持力層的下臥層稱為軟弱下臥層。
地基處理方法分為淺層處理方法與深層處理方法兩種:地基淺層處理方法包括:機械碾壓法、重錘夯實法、振動壓實法及換土墊層法;地基深層處理方法包括:擠密法、砂井堆載預壓法、高壓噴射註漿法、深層攪拌法等。
基礎按埋置的深度不同,可分為淺基礎和深基礎兩大類。壹般埋深在5m左右且能用壹般方法施工的基礎屬於淺基礎;如:單獨基礎、條形基礎、片筏基礎等;當需要埋置在較深的土層上、采用特殊方法施工的基礎則屬於深基礎。如樁基礎、沈井和地下連續墻等。
(二)粉噴樁、鉆孔樁施工
1.粉噴樁
粉噴樁即是采用粉體噴射攪拌法(旋噴與深層攪拌相結合),以石灰或水泥等粉體材料,利用鉆頭的葉片旋轉,將噴出的粉體與軟土充分攪拌混合,從而形成強度較大的水泥土樁或石灰樁,並與樁周地基土起復合地基作用,加固效果顯著。粉體噴射攪拌法能提高地基承載力,減少沈降量和增加邊坡穩定性。
(1)粉噴樁的特點
1)粉體固化材料可更多地吸收軟土地基中的水分,對加固含水量高的軟土,極軟土以及泥炭化土地基更適用,效果更為顯著。
2)固化材料全面地被噴射到靠攪拌葉片旋轉過程中產生的空隙裏,同時又靠土的水分把它黏附到空隙內部,隨著攪拌葉片的攪拌使固化劑均勻地分布在土中,不會產生不均勻的散亂現象,有利於提高地基土的加固強度。
3)與高壓旋噴和漿噴深層攪拌比,輸入地基土中的固化材料要少得多,無漿液排出,無地面起拱現象。加固1m3軟土需水泥80～100kg,巖土條件適宜用生石灰時僅需40kg。
4)施工時不會發生粉塵外溢現象而汙染環境,排出的只有空氣,比旋噴和漿噴深層攪拌優越,幾乎無材料損耗。
5)粉體可以是壹種材料,也可是多種材料的混合體,因此來源廣,成本低,對地基土加固適應性強,可用作建築物的地基加固,防止土體滑動的支護樁,擋土墻以及水工構築物的基礎等。
(2)深層攪拌適用的範圍
深層攪拌法適用於處理淤泥、淤泥質土、粉土和含水量較高(壹般在60%～80%,高者達100%～200%)且地基承載力標準值不＞1.2MPa的黏性土等地基。深層攪拌是相對於淺層攪拌而言,淺層攪拌處理深度壹般在3～4m左右。而深層攪拌方法處理深度壹般大於5.0m,國外最大加固深度可達60m。
粉體噴射攪拌機械壹般由攪拌主機、粉體固化材料供給機、空壓機、攪拌翼片和動力部分等組成。我國生產的GPP-5型粉噴攪拌機主要性能指標如表4-7,粉噴攪拌機配套機械如圖4-5所示。
表4-7 GPP-5型粉噴攪拌機技術性能指標
(3)粉體噴射深層攪拌法施工的工藝流程
機械就位→鉆進噴漿到底→噴漿攪拌提升→重復噴漿攪拌到底→重復攪拌提升直到孔口→成孔→泵洗管路→機械移位→結束。
從工藝流程來看,工藝比較簡單,下面對以上過程作壹說明。在使攪拌鉆頭對準樁位時,啟動粉噴攪拌鉆機,鉆頭邊旋轉邊鉆進,貫入噴射壓縮空氣,攪拌至設計深度時停止向下鉆進。啟動粉體噴射機,使攪拌鉆頭壹邊反向旋轉壹邊提升,不斷噴射粉狀固化材料與土體拌合均勻,將攪拌鉆頭提升距地面30～50cm關閉粉體噴射機,以防粉體溢出地面,即完成該樁(柱)的施工轉入另壹樁位,如有必要可重復上述步驟進入復噴復攪。
圖4-5 粉噴攪拌機配套機械示意圖
如遇土體含水量很高,強度低的軟弱土,出現液化的土,可在向下鉆進攪拌的同時噴射粉體固化材料,改善土的稠度,以防由於壓縮空氣的脈動使粉體液化。
根據《GB50202-2002建築地基基礎工程施工質量驗收規範》的規定,漿噴和粉噴深層攪拌法施工的工程,都可以用下面的方法檢驗其處理的質量。
1)攪拌樁應在成樁後7天用輕便觸探器鉆取樁身被加固土樣,觀察攪拌均勻程度,同時根據輕便觸探擊數用對比法判斷樁身強度,檢驗樁的數量應不少於已完成樁數的2%。
2)有下列情況之壹者還應進行取樣、單樁載荷試驗或開挖試驗。①經觸探檢驗時對樁身強度有懷疑的樁應鉆取樁身心樣,制成試塊並測定樁身強度。場地復雜或施工有問題的樁應進行單樁載荷試驗,檢驗其承載力;②對相鄰樁搭接要求嚴格的工程,應在樁養護到壹定齡期時,選取數根樁體進行開挖,檢查樁頂部分外觀質量。
3)基樁開挖後應檢驗樁位,樁數與樁頂質量,如不符合規定要求,應采取有效的補救措施。
4)沈降觀測,采用深層攪拌加固的建築地基,應在施工期間對建築物進行沈降觀測,對重要的或對沈降有嚴格限制的建築物,尚應在使用期間進行沈降觀測,用以評價地基加固效果和作為使用的依據。
2.鉆孔樁施工
早期鉆孔樁施工,是用人工開挖井孔,穿過軟土而到第壹個能勝任的持力層,這種開挖工作壹般用木擋土板或鋼圈作支撐,並隨著開挖進展而支設。用這種方式挖孔築樁,除了費時間外,當樁基穿過含水的非黏性土時會遇到壹些重大的施工問題。
到了20世紀40年代的後期,隨著車裝式和起重機式鉆孔機和開挖機具的發展,使施工周期縮短、成本降低。這些高效能的工具,除了遇到硬的巖石和灌註混凝土前清理井底與側壁外,幾乎已完全代替了人工操作。現在的鉆機已能鉆進各類巖層。鉆機可以把井孔鉆進到50m以下的深度,直徑可達3m以上,底部直徑可擴大到6m以上。所以,鉆孔灌註樁作為深基礎的主要形式之壹,在國內外被廣泛地應用於基礎工程之中。
近十幾年來,大承載力的鉆孔灌註樁的應用日益頻繁,而且越來越受到信任,特別是對於現代高層建築和工業設施中的重型荷載,當沈降的準則規定結構物必須支撐於硬土或基巖時,尤其如此。
對鉆孔樁的高度信任主要是由於可以對持力層作直觀的檢查和試驗。鉆孔灌註樁基礎因承載力不足而破壞的情況,是很少的。遇有問題發生時,往往都是因孔壁坍塌致使樁身混凝土質量降低,或因排水(漏水)問題致使混凝土離析以及其他質量問題。這些問題,有關部門和施工單位極為重視,並已制定了相應規範、施工細則和檢測條例。
鉆孔灌註樁按其支撐巖土的種類和荷載抵抗力的主要分量進行分類。壹般將鉆孔灌註樁按其功能分為均質土中摩擦樁、端承於硬土樁和端承於巖石樁三種主要類型,如圖4-6所示。
圖4-6 鉆孔灌註樁的主要類型
(三)雙重旋噴樁施工
圖4-7 二重法示意圖
雙重旋噴樁也稱為二重管旋噴註漿法,它是使用雙通道的二重註漿管。當二重註漿管鉆進到土層的預定深度後,通過在管底部側面的壹個同軸雙重噴嘴,同時噴射出高壓漿液和空氣兩種介質的噴射流沖擊破壞土體,即以高壓泥漿泵等高壓發生裝置噴射出20MPa左右壓力的漿液,從內噴嘴中高速噴出,並用0.7MPa左右壓力,把壓縮空氣從外噴嘴中噴出。在高壓漿液流和它外圍環繞氣流的***同作用下,破壞土體的能量顯著增大,噴嘴壹面噴射壹面旋轉和提升,最後在土中形成圓柱狀固結體如圖4-7所示。
(四)地基灌漿
灌漿法是指利用液壓、氣壓或電化學原理,通過註漿管把漿液均勻地註入地層中,漿液以填充、滲透和擠密等方式,占據土顆粒間或巖石裂隙中水分和空氣的位置,經人工控制壹定時間後,漿液將原來松散的土粒或裂隙膠結成個整體,形成壹個結構新、強度大、防水性能高和化學穩定性良好的“結石體”。
通過灌漿可以提高被灌地層或建築物的抗滲性和整體性,改善地基條件,保證建築物安全運行。
1.分類
1)按組成灌漿漿液材料劃分為:水泥灌漿、水泥砂漿灌漿、黏土灌漿、水泥黏土灌漿、矽酸鈉或高分子溶液化學灌漿。
2)按灌漿所起的作用劃分為:防滲帷幕灌漿,巖石固結灌漿,填充隧洞混凝土襯砌層與巖石之間空隙的回填灌漿,混凝土壩體接縫灌漿,填充鋼板襯砌與混凝土之間縫隙、混凝土壩體與基巖之間縫隙的接觸灌漿,填充混凝土建築物或土堤、土壩裂縫或空洞的補強灌漿。
3)按被灌地層的構成劃分為:巖石灌漿、巖溶灌漿(見巖溶處理)、砂礫石層灌漿和粉細砂層灌漿。
4)按灌漿壓力劃分為:小於4MPa的常規壓力灌漿;大於4MPa的高壓灌漿。
5)按灌漿機理劃分為:采用壹般壓力的壓入式灌漿,采用較高壓力將巖石中原有裂隙撐大或形成新的裂隙的劈裂式灌漿。
2.設計
設計前需做好工程地質和水文地質勘探,掌握巖性、巖層構造、裂隙、斷層及其破碎帶、軟弱夾層、巖溶分布及其充填物、巖石透水性、砂或砂卵石層分層級配、地下水埋藏及補給條件、水質及流速等情況。進行壩體補強灌漿設計時,摸清裂縫、架空洞穴大小及分布情況。規模較大的灌漿工程需進行現場灌漿試驗,以便確定灌漿孔的孔深、孔距、排距、排數,選定灌漿材料、壓力、順序、施灌方法、質量標準及檢查方法等。灌漿壓力是壹項重要參數,既要保證灌漿質量,又要不破壞或擡動被灌地層和建築物。壹般先用公式算出初定數值,通過灌漿試驗最後選定灌漿壓力。
3.機具
鉆孔和灌漿使用的主要機具有:
1)鑿巖機。鉆孔孔徑為32～65mm,在巖石中鉆深小於15m。
2)巖心鉆機。鉆孔孔徑為75～110mm,在巖石中鉆深大於15m。
3)灌漿泵。按其構造和工作原理分為往復式泵、隔膜泵和螺旋泵等,主要根據灌漿要求的壓力和流量選用。
4)漿液攪拌機。分為旋流式、葉槳式和噴射式,攪拌機要保證機內漿液不沈澱和施工不間斷。
5)灌漿塞。用橡膠制成,緊套在灌漿管上,外徑略小於鉆孔直徑,加壓後,外徑增大可嚴密封堵灌漿段上部或下部。
4.施工
巖心鉆機的鉆進方法,根據巖石硬度及完整性,可選用硬質合金、鋼粒或金剛石鉆進。鋼粒鉆進時研磨的巖粉或鐵屑常易堵塞孔壁裂隙,影響灌漿質量。在砂礫石層中鉆孔,多采用優質泥漿固壁。在基巖中鉆孔要分段測量孔斜,據以分析灌漿質量。為保證巖石灌漿質量,灌前要用有壓水流沖洗鉆孔,將裂隙或孔洞中的泥質充填物沖出孔外,或推移到灌漿處理範圍以外。按壹次沖洗的孔數分為單孔沖洗和群孔沖洗。按沖洗方法分為壓力水連續沖洗、脈動沖洗和壓氣抽水沖洗。沖孔後灌漿前,每個灌漿段大都要做簡易壓水試驗,即壹個壓力階段的壓水試驗。其目的是:
1)了解巖層滲透情況,並與地質資料對照。
2)根據滲透情況儲備壹個灌漿段用的材料並確定開灌時的漿液濃度。
3)查看巖層滲透性與每米灌漿段實際灌入幹料質量的大致關系,檢查有無異常現象。
4)查看各次序灌漿孔的滲透性隨次序增加而逐漸減少的規律。
5.各類灌漿施工都要按規定順序進行
灌漿施工時壹般分為壹序孔、二序孔、三序孔等,隨著序數增加,灌漿孔逐漸加密。單孔灌漿方法有兩種:
1)全孔壹次灌漿法。以灌漿塞封閉孔口,有壓漿液灌入到全孔的巖層裂隙中,適於淺孔灌漿。
2)全孔分段灌漿法。將全孔自下而上分成若幹段,用灌漿塞將其中壹段與相鄰段隔離,有壓漿液只灌入到該段巖石裂隙中,適於深孔灌漿。按漿液註入方式,又分為:①純壓式灌漿法。灌入的漿液都壓入巖石裂隙中,不讓其返回地面,如化學灌漿多為定量灌漿,常采用這種方式;②循環式灌漿法。註入的漿量大於裂隙吸漿量,多余漿液經回漿管返回攪拌機。其主要優點是漿液不易沈澱,有利於保證灌漿質量,帷幕灌漿或固結灌漿多采用這種方式。
6.灌漿過程中可能出現的事故
1)灌漿中斷。
2)地面擡動。
3)串漿、冒漿或繞塞返漿。
發生事故後應立即查明原因,及時采取處理措施,必要時停工處理。每個灌漿孔灌漿結束後都要用機械壓漿法封孔。封孔質量非常重要,直接影響到建築物的安全。
7.灌漿施工步驟和要點
1)註漿孔的鉆孔孔徑壹般為75～110mm,垂直偏差應小於1%。註漿孔有設計角度時應預先調節鉆桿角度,傾角偏差不得大於20°。
2)當鉆孔鉆至設計深度後,必須通過鉆桿註入封閉泥漿,直到孔口溢出泥漿方可提桿,當提桿至中間深度時,應再次註入封閉泥漿,最後完全提出鉆桿。
3)註漿壓力壹般與加固深度的覆蓋壓力、建築物的荷載、漿液黏度、灌註速度和灌漿量等因素有關。註漿過程中壓力是變化的,初始壓力小,最終壓力高,在壹般情況下每深1m壓力增加20～50kPa。
4)若進行第二次註漿,化學漿液的黏度應較小,不宜采用自行密封式封圈裝置,宜采用兩端用水加壓的膨脹密封型註漿心管。
5)灌完化學漿後就要拔管,若不及時拔管,漿液會把管子凝住而將增加拔管困難。拔管時宜使用拔管機。用塑料閥管註漿時,註漿心管每次上拔高度為330mm;花管註漿時,花管每次上拔或下鉆高度宜為500mm。拔出管後,及時刷洗註漿管等,以便保持通暢潔凈。拔出管在土中留下的孔洞,應用水泥砂漿或土料填塞。
6)灌漿的流量壹般為7～10L/min。對充填型灌漿,流量可適當加快,但也不宜大於20L/min。
7)在滿足強度要求的前提下,可用磨細粉煤灰或粗灰部分地替代水泥,摻入量應通過試驗確定,壹般摻入量約為水泥質量的20%～50%。
8)為了改善漿液性能,可在水泥漿液拌制時加入如下外加劑:①加速漿體凝固的水玻璃,其模數應為3.0～3.3。水玻璃摻量應通過試驗確定,壹般為0.5～3%。②提高漿液擴散能力和可泵性的表面活性劑(或減水劑),如三乙醇胺等,其摻量為水泥用量的0.3～0.5%。③提高漿液的均勻性和穩定性,防止固體顆粒離析和沈澱而摻加的膨潤土,其摻加量不宜大於水泥用量的5%。漿體必須經過攪拌充分攪拌均勻後,才能開始壓註,並應在註漿過程中不停地緩慢攪拌,漿體在泵送前應經過篩網過濾。
9)冒漿處理。土層的上部壓力小,下部壓力大,漿液就有向上擡高的趨勢。灌註深度大,上擡不明顯,而灌註深度淺,漿液上擡較多,甚至會溢出地面上來,此時可采用間歇灌註法,即讓壹定數量的漿液灌註入上層孔隙大的土中後,暫停工作,讓漿液凝固,幾次反復,就可把上擡的通道堵死。或者加快漿液的凝固時間,使漿液出註漿管就凝固。工作實踐證明,需加固的土層之上,應有不少於1m厚的土層,否則應采取措施防止漿液上冒。灌漿效果與灌漿質量的概念不完全相同。灌漿質量壹般是指灌漿施工是否嚴格按設計和施工規範進行,例如灌漿材料的品種規格、漿液的性能、鉆孔角度、灌漿壓力等,都要求符合規範的要求,不然則應根據具體情況采取適當的補充措施,灌漿效果則指灌漿後能將地基土的物理力學性質提高的程度。灌漿質量高不等於灌漿效果好。因此,設計和施工中,除應明確規定某些質量指標外,還應規定所要達到的灌漿效果及檢查方法。
8.質量評價
地基灌漿結束若幹天後,通常要鉆壹定數量的檢查孔,進行壓水試驗。通過對比灌漿前後地層滲透系數和滲透流量的變化,對施工資料和壓水試驗成果逐孔逐段分析,再與其他試驗觀測資料壹起綜合評定才能得出符合實際的質量評價。檢查灌漿效果的方法還有:
1)工程地球物理勘探檢查。
2)從檢查孔采取巖心試驗檢查。
3)大口徑鉆孔直觀檢查。
4)孔內攝影或電視檢查。