岩溶地区地基塌陷成因分析及化学灌浆处理

岩溶地区地基塌陷成因分析及化学灌浆处理

摘要：地基塌陷在岩溶地区是经常发生的，成因复杂多样，对工程建设的危害性较大。本文以河池某综合楼地基塌陷为例，分析其成因，采取合理、经济、安全的地基处理方法—化学灌浆学，并取得成功。

关键词：塌陷；岩溶；地下水；地基处理；化学灌浆

一、工程概况

河池市某日杂公司拟新建一栋综合楼，拟建楼高七层，框架结构，平面上呈不规则分布。拟建场地北面紧临解放路，东面为8层高的红茂宾馆，南面为该单位6层住宅楼，西面临近6层高民房。河池市某基础工程公司于2004年元月对拟建场地进行详细勘察，并建议采用条形基础，以硬塑状粘土②为地基基础持力层，可～软塑状粘土③为下卧层；设计采用条形基础，目前已进行基坑开挖，并已进行部分条形基础的施工。2004年6月21日下午5：40分左右，在拟建场地的西北面基槽内突然发生地面塌陷，塌陷形成一个约3×2.8m(长×宽)的塌陷坑，并使塌陷坑周围的土往塌陷坑中塌落，塌陷坑中心比四周基坑底下凹0.60~0.70m，塌陷后见地下水从塌陷坑中涌出，并很快将塌陷坑淹没。

二、场地岩土工程地质特征

建筑场地原勘察报告《河池市金城江区日杂公司综合楼岩土工程勘察报告》（2004年1月10日），将场地地基岩土划分为4层：杂填土层①，厚1.50～2.00m；硬塑状粘土层②，厚5.90～7.30m，做标准贯入试验N=8～10击；可塑～软塑状粘土层③，厚3.50～6.50m，做标准贯入试验N=3～6击；白云质灰岩层④，揭露厚度0.50～1.90m，岩溶不太发育。

三、塌陷的成因分析和对拟建建筑物的影响

综合勘察及周围地质调查，塌陷形成原因：进入雨季后，岩溶地下水在得到充分补给后迅速上升，龙江水位也迅速上涨，致使场地中粘土②-2被浸泡饱和变软，当雨后地下水位下降，岩溶中的空隙、裂体是地下水排泄迳流的主要通道，地下水在下降过程中带走上部变软的土颗粒，并逐步扩大形成潜流空洞，使土体失稳下塌，这种作用是岩溶地下水在下降过程中同时发生，随着下部粘土②-2不断被地下水沿岩溶空隙排汇流失，塌陷中心向四周扩大，最终形成地表土体陷落出现塌陷坑。因此石灰岩中岩溶的发育存在，地下水位上涨与下降、流动是造成塌陷最直接的主要的地质因素。基坑开挖形成地表附近最低的地形状况，土层压力减小，有利于地下水的迳流、活动与汇集，是人为的客观因素。

勘察结果：塌陷区的土体力学强度明显降低，并呈现以塌陷坑为中心，受扰动的土体呈倒喇叭形分布的特点，塌陷的影响深度直接连到基岩面，说明是由于场地灰岩上部发育有和深部的溶洞裂隙相通的溶槽裂隙，使得土体有流走的通

道。目前塌陷的影响范围不仅仅局限于目前看到的塌陷坑，在其外围3～5m范围内均不同程度受到扰动，在紧靠塌陷坑附近的已施工的条形基础底部的地基持力层也受到了扰动，说明场地的天然地基已遭破坏，未经处理不能作为天然地基的地基持力层使用。由于塌陷还有进一步发展的趋势，塌陷对拟建建筑场地及其周围建筑物具有进一步的危害趋势。

根据广西水文地质工程地质勘察公司对该拟建场地地质灾害治理施工方案的审查意见及建设方的意见，决定采用化学灌浆法对塌陷场地进行加固处理。

四、化学灌浆加固设计

（一）加固设计原理及目标

针对该综合楼土层情况，采用静压灌浆形成网脉状加固体加固软弱土层技术，该技术是采用水泥水玻璃浆液，利用灌浆泵将浆液通过注浆管，强制压入到被加固的土体中，浆液在土体中劈裂、挤压、渗透作用下，使高浓度的水泥-水玻璃浆液与土体相结合，形成具有较高强度的水泥土固结体和树枝状水泥网脉体，使土的含水量降低，密实度提高，并提高各土层的力学强度和变形模量，同时满足设计要求，以达到加固软弱地基的目的。加固后，复合地基承载力特征值：基槽底至-8.00m承载力特征值为180kPa，-8.00m到基岩面承载力特征值为120kPa。加固原理如下：

①劈裂充填：依靠较高压力，使浆液能克服地基中初始应力和土体抗拉强度，使土体沿垂直于小应力的平面和土体强度最弱的平面上发生劈裂，增大浆液扩散范围。

②挤密：利用高压泵的灌浆压力劈裂土层，再进行充填挤密；

③固结：浆液析水固结，浆液与周围土体发生置换固结；

④形成脉状网络：沿浆液在土体的流动通道，形成网络脉状结石块，象骨架一样对土体起支撑作用，从而提高土体的强度和稳定性。

（二）设计技术要素

1、加固范围

加固部位为拟建场地塌陷坑及塌陷影响区，即北、西面，加固范围为14m×8.0m（如平面图所示），加固面积约112m2。

2、灌浆材料

灌浆材料选用水泥-水玻璃双液体系。水泥用525#普通硅酸盐水泥，水灰比为2：1、1：1和0.8：1，水玻璃浓度为40°Be。水玻璃稀释后才灌入（水玻璃与水的体积比为1：1），水玻璃与水泥浆的体积比0.2：1～0.5：1。

3、灌浆压力

灌浆压力与所加固土体上覆土层的厚度、浆液粘度、注浆速度及注浆量等因素有关，注浆过程中压力是变化的。本工程采用压力值为0.2～0.5MPa。

4、灌浆孔布置

根据力的扩散角、浆液的扩散半径以及场地塌陷体及其影响区的土层特征，按梅花形布孔，灌浆孔孔距为0.70～1.00m，排距为0.70～1.00m（详见灌浆孔平面布置图所示）。

5、加固深度

本工程加固处理是针对塌陷区及其附近已被破坏的土层进行加固的，所以孔深要求进入基岩0.50m。

6、灌浆效果检查

灌浆结束7～14天后抽灌浆孔数的5～10％进行检查，检查孔应布置在建筑物荷载大的部位、塌陷区、地基土软弱区及灌浆质量较差或有疑问的部位。

五、工程施工质量检查及灌浆效果评价

该地基处理工程于2005年1月18日施工，2005年3月16日竣工，历时58天。完成总的实物工作量：造孔124个，其中灌浆孔114个，质量检查孔10个；总进尺1701.70m（灌浆段长），其中一序灌浆孔686.60m，二序灌浆孔568.80m，三序灌浆孔328.10m，质量检查孔118.20m；总耗干水泥160000kg（即160吨）,其中浇筑压浆盖板5000kg，一序灌浆孔78650kg，二序灌浆孔50200kg，三序灌浆孔24800kg，质量检查孔封孔用1500kg；总耗水玻璃17885kg（即18吨），其中一序灌浆孔9235kg，二序灌浆孔5795kg，三序灌浆孔2855kg；总耗圆砾约4.0m3；进行标准贯入试验47次；共处理面积约112m2。

施工中注重质量管理，严格按照《规范》要求进行，并结合实践经验，对特殊情况进行恰当处理，取得了显著效果：

1、从单耗灰量看，第一序到第二序、第二序到第三序相互对比，第一序孔单耗灰量为114.55kg／m，第二序孔单耗灰量为88.26kg／m，第三序孔单耗灰量为75.59kg／m，递减率分别为22.9％和14.4％。

2、灌浆工作结束后，按灌浆孔5～10％的孔数以及根据场地的实际情况，

布置了10个质量检查孔进行自检(详见平面位置图)。主要是通过钻孔取土鉴别、原位标准贯入试验进行检查，检查结果如下：

⑴抽取10个孔进行检查，土芯各个部位均发现含较多的水泥土结块，结石率达100％，水泥结石形态各异：为颗粒状、块状、层状和树枝状（网络脉状），分布厚度为5～50mm不等，一般为2～10mm。

⑵可～硬塑状粘土层②-1（即基础底面至-8.00m的复合土），处理前标准贯入试验锤击数N= 2～ 6 击，承载力特征值（范围值）为 fak=80～160kPa，E0=8.0～13.5MPa； 处理后做标准贯入试验39次，经统计修正得N=7.6击（平均值），承载力特征值（范围值）为fak=180～200kPa，E0=16.0～18.0MPa。

⑶可～软塑状粘土层②-2（即-8.00m至基岩面的复合土），处理前标准贯入试验锤击数平均值N= 2～3击，承载力特征值（范围值）为fak= 80～105kPa，E0=5.0～8.0MPa；处理后做标准贯入试验8次，经统计修正得N=4.9击（平均值），承载力特征值（范围值）为fak=120～140kPa，E0=10.0～11.5MPa。

总上所述，经过此次压力灌浆加固处理，复合地基各土层均取得了显著的效果，各土层的承载力特征值明显得到提高，达到了设计要求，同时也消除了塌陷对周围建筑物安全隐患。

该综合楼于2006年10月通过竣工验收，工程质量良，交付至今未发现不良现象。

六、结论

通过对全文的认真分析总结，得出了如下结论：

1、岩溶塌陷地基经过化学灌浆处理后，软弱地基得到了加固，并有效的提高了地基土的承载力，达到了设计要求，可以兴建建筑物。

2、经实地检测和工程竣工后观测，采用化学灌浆处理岩溶塌陷地基是成功的，工艺、技术安全可靠，施工设备简单，易操作，施工期短，效果好，无污染，经济等优点。

3、采用化学灌浆法处理岩溶地基塌陷问题，灌浆压力的控制是关系到工程安全，质量优劣和浆液扩散的一个重要因素。应遵循低压稀浆开灌，然后逐渐递增达到规范与设计要求。

参考文献：

[1]《建筑地基基础设计规范》（GBJ5007-2002）

[2]《地基处理技术规范》（JGJ79-91）

[3]《工程地质手册》（第三版）

[4]《化学灌浆》刘嘉村•北京：水利电力出版社•1988

[5]《地基处理手册》地基处理手册委员会•北京•中国建筑工业出版社•1993

[6]《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》SL62-94