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岩土研究院

古塔塔基的水泥灌浆加固

359 2022-04-19 16:21:42

1.工程及地质概况

虎丘塔位于苏州虎丘山上,是座建于五代周显德六年至北宋建隆二年(公元959年~961年)的七层八角形仿木结构的砖塔,塔底直径13.66m,高47.5m,重6300余吨。支承在十二支砖墩上面(外八个,内四个),见图3-13-59,是国家重点保护文物。

虎丘塔建造于虎丘山顶西北薄、东北厚的人工填土层上,由于地基土压缩层厚度不一样,在建造时就发生了向东北向的倾斜。到解放初,塔心部分裂缝宽已达18cm。1956-1957年间曾进行了上部结构的修缮,使塔体增加了200t重量,加速了塔体不均匀沉降的发展,塔顶水平位移由1957年的1.7m。发到到1978年的2.3m,塔重心偏离轴线0.924m。由于塔身严重倾斜,砌体多处出现竖向裂缝,部分砖墩应力已接近极限状态,必须进行加固。

虎丘塔下场地自上而下的大致情况为∶

(1)粉质粘土夹块石层(包括近期杂填土,厚0.5~1.2m的碎砖、瓦等三合土),层底标高-2.2m~-6.2m,块石多为黄色凝灰岩和紫红色晶屑流纹岩,质地坚硬,最大粒径1000mm,一些粒径20-500mm块石填充其间,部分区域粘土颗粒流失,形成了大孔隙。土层下部较密实,夹有小块石风化岩核,透水性较差。其物理力学指标见表3-13-29。

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(2)风化岩土层,标高-2.2m和-3.2m~-6.2m和-9.8m,属于基岩上层部分,多为黄色凝灰岩强风化层,少数为紫红色晶屑流纹岩风化层,土质干燥而且较密实,钻出的岩屑呈砾砂和粗砂状。

(3)基岩,在-3.2m和-9.8m以下,上部有节理裂纹,下部为黄色凝灰岩和紫红色晶屑流纹岩,成层状构造,质地坚硬。地质构造如图3-13-59所示。

由图3-13-59可见,在塔底直径13.66m的范围内,北面塔外墩至基岩面的覆盖层厚度为7.6m,而南面塔外塔却为3.6m,覆盖层厚度相差4m之多,这就是塔体发生倾斜的最主要的原因。

(4)地基处理方案

鉴于虎丘塔的倾斜是由于地基土压缩层厚度不均,而塔的东北方向的地基土发生流失和水平方向变形又是造成塔逐步发生倾斜的主要原因。经研究,决定先在塔外墙约3m处,布置44个直径为1.4m,伸入基岩50cm的桩柱,形成桩排式地下连续墙,以防止塔下土体的继续流失和水平位移,改善塔下土体的受力状态,提高地基承载力。然后在桩排式地下连续墙内(包括塔内)进行钻孔注浆和树根桩施工,以提高地基土的密

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实性和整体性,并为塔下地基卸荷和承担塔体加固所增加的荷载创造条件。由于东北及北边塔基下的覆土较厚,且上部为孔隙很大的松散碎砖瓦、块石,该侧的砖墩又承受着很大的偏心荷载;同时,由于桩排式地下连续墙的施工,使地基又将有所扰动,因此,必须对塔基北侧先行进行加固。为此,提出了如下灌浆步骤。

(1)分别在塔基北侧先进行第一、二批灌浆,如图3-13-60所示;

(2)在塔基南侧桩排式地下连续墙内侧进行第三批灌浆;

(3)在北侧塔基外进行第四批灌浆;

(4)在内北部灌注第一、二批树根桩;

(5)在塔外南侧压注第五批水泥浆;

(6)在塔内南部灌注第三批树根桩。

2)地基的加固施工

1.桩排式地下连续施工

由于桩排式地下连续墙距塔外墙仅3m,处于塔体自重附加应力范围内,桩坑开挖时,坑壁的应力释放,使应力为零。因此必然产生变形。尤其是东北边由于填土层较厚,挖坑深度大,容易引起土体变位,将直接威胁塔体安全。为此在进行开挖时,必须按照一定的顺序进行,使桩坑起着土拱的作用。在塔倾斜的东北边不准同时开挖二个以上的桩坑。在桩坑施工时,每挖深80cm,绑扎钢筋,立圆形内模板。浇注C20混凝土,筑成厚15cm的护壁井圈,待达到强度之后,再继续开挖深80cm,绑扎钢筋和装设高60cm的模板,其上20cm的空隙作为混凝土的塞仓口,如此循环,直至桩柱伸入到基岩下50cm。然后,在直径1.1m的圆井内绑扎由18根φ18mm及箍筋组成的钢筋笼,浇注C15混凝土。在每施工六、七个桩柱之后,在其顶上浇注圈梁,以连成整体。相邻桩排之间,挖除土体后,浇以紊混凝土塔接作为防渗措施。

(2)压力灌浆施工

压力灌浆以加固塔基北部为。对塔南边桩排式地下连续墙附近的基土,由于施工扰动,也沿地下连续墙布置钻孔灌浆。在塔内考虑到日后塔体结构固时荷载,在塔墩的基础下,完成了48根采用静力注浆成桩方法的树根桩。

1)压浆孔的布置原则

①先加固东北侧上覆深厚松软碎石瓦的杂填土和粉质粘土。

②从桩排式地下连续墙内边沿向塔中心推进,以梅花形布孔,钻孔间距为1.15~1.5m;先塔外,后塔内;先垂直孔,后斜孔。

③塔外钻孔注浆采用三序式全孔一次注浆工艺,二序钻孔是对一序注浆的检查;三序钻孔是对一、二序注浆的检查。为全面加固地基土,提高承载力,要求钻孔伸入基岩10cmo

2)压浆方法

静力注浆用二种方法∶其一,根据钻孔取出的岩芯,若地层孔隙大,即直接用压浆机注浆。其二,在土质较密实的情况下,由于浆液难以渗透,宜先用压缩空气通路,使地层中的细小孔隙尽量连通,然后注浆到孔中,接着封闭孔口,再施加气压。

在每钻完一孔之后,立即注浆,但一次注浆量不准超过规定的数量,以防地基土的软化。钻成之孔不准暴露过夜。

在成孔后,插入同孔径的注浆套管。对于粘性土的地面,挖出"v"形坑,用快硬水泥封住套管,接通输浆管(或输气管),进行全孔一次注浆。

3)停止注浆的标准∶

凡符合下列条件之一者须停止注浆∶

①压力超过规定值(塔外300kPa,塔内150kPa)。

②浆液从孔口及其它地方冒出。

③经现场工程负责人研究认为有必要停注时。

4)浆液的选择和配方比

根据地质资料,塔北边及东北边的地层,上部是由碎砖、瓦和块石夹少量粉质粘土构成的。由于地面水渗入的侵蚀作用,形成了很大的空隙,故注浆材料以水泥为主。在注浆时,为了提高浆液在管路中的流畅性及提高浆液的渗透效果,在浆液中掺入了占水泥重量2.5%的膨润土。对可灌性好的地层,可选用配比2和3(见表3-13-30)。对于土体较密实又夹块石的土层,采用配比1,效果较好。

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6)树根桩的施工

为了承担塔体结构加固所增加的荷载,在塔内及塔墩基础下,设置了注浆成桩直径为90mm的树根桩。在成孔后,根据孔的深度制备钢筋笼(由3根φ16mm螺纹钢筋及p8mm,间距100cm的箍筋组成)。在壶门内和回廊中,因主钢筋长度受到空间的限制,钢筋笼是分段焊接放入的,然后进行压力注浆成桩。

3.加固效果

(1)塔基不均匀沉降的观测

经过地基加固钻孔注浆施工,塔体沉降得到控制∶1982年10月10日至1983年8 月2日塔体沉降观测点最大沉降值0.7mm,而且从1983年1月26日就出现了0.6mm,到8月2日只增加0.1mm。这期间经历了4月28日的龙卷风和黄梅雨季的考验,见图3-13-61。

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