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地下水对地基稳定性影响与控制技术研究
摘要：针对土壤承载力不足、过度沉降和液化倾向等问题，地面注浆通过改善土壤的工程特性(如强度、渗透性和稳定性等)是一种常用的地基处理技术，它通过注入流体灌浆混合物，填充孔洞并固化松散或弱质地层。随着材料渗透入土壤基质，最终达到提高地下水管理、基础支撑和整体岩土性能的目的。通过对基础设施对象如挖掘坑、各种基础、土地复垦和滩涂养护等的基本规划和建设，在处理过程中，水文地质在工程调查中扮演了至关重要的角色，通过分析水如何进入地下、水在含水层中如何流动以及地下水如何与周围的土壤和岩石相互作用，总结了注浆技术的研究进展，分析了工程调查中水文地质问题，并提出了相应的措施和建议。
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土壤改良技术可以提升土壤质量以满足各种基础设施项目的需求[1]｡注浆是通过注入一种能够形成凝胶并结合土壤颗粒的流体材料来实现地面改良的过程[2]｡地面注浆主要用于防止水涌入并确保周围岩石的稳定,通过将注浆材料注入地面,使其更适合支撑结构､最小化沉降和处理土壤相关问题[3]｡地面注浆包括基础加固､挖掘支持､液化缓解以及隧道和采矿作业中的地面改良｡地面注浆的研究对于理解其细微差别和探索注浆材料､注射技术[4]和质量控制系统的最新突破至关重要｡水文地质调查作为一种重要的防范策略,通过对地下水条件的详细分析和评估[5],可以提取识别和预测与地下水相关的潜在风险[6]｡这种调查不仅包括地下水位､流向和流速的测定,还包括对土壤和岩石与地下水相互作用的研究[7]｡与临时措施如除水和地面冻结相比,注浆提供了永久性或至少半永久性地面处理的好处,以及在某些情况下增加稳定性的额外优势[8]｡研究提供一个关于地面注浆的基本概念和实际应用的全面回顾,阐明其作为解决土壤改良问题的可持续性和经济可行的解决方案,总结保持地基稳定性的防护策略｡
1、地下水对地基稳定性影响
地下水的变化,包括水位的升降和流动模式,直接影响着土壤和岩石的力学性能及其稳定性｡当地下水位发生变化时,可能会导致土壤的湿润或干燥,进而影响土壤的紧实度和承载力[9]地下水位的上升可能会导致基础下的土壤液化,降低土壤的有效应力,使得原本稳定的地基出现沉降或滑移现象[10]
地下水不仅能够通过改变土壤的物理状态来影响地基稳定性,也可能导致土壤颗粒的冲刷和迁移,特别是在含有大量细颗粒或可溶性物质的土壤中｡地下水的流动可能会逐渐侵蚀地基材料,形成空洞或裂缝,从而减少土壤的有效承载面积,引起地面的沉降甚至塌陷｡此外,地下水的化学成分也可能对地基材料产生腐蚀作用,特别是对于含有钙质或其他易溶成分的岩石基础[11]｡地下水中的化学物质,如硫酸盐和碳酸盐,能够与地基材料发生化学反应,导致材料强度的降低,进而影响整个地基的稳定性｡
2、地面注浆技术
2.1注浆方法
注浆主要通过高压注入混合流体至土壤,形成射流,侵蚀并替换现有土壤或注入混合物[12]｡注浆方法根据注浆类型､机制和应用领域而有所不同｡
2.1.1渗透注浆
渗透注浆是用于改善软土地基的工程地质条件的一种常用技术,用于增强建筑和基础设施项目的土壤质量｡通过将特定的灌浆混合物注入土壤,改变土壤的性质并增加了其强度､稳定性和耐久性｡渗透注浆钻孔完成后,通常用由水泥､水和添加剂组成的流体灌浆混合物强制填入土壤[13]｡通过渗透土壤基质,注入的灌浆填充空隙,压实松散颗粒,并将土壤颗粒结合在一起｡从而增加土壤的承重能力,降低沉降并增加了地面稳定性｡当土壤不足够强或稳定以支撑结构的情况下,渗透注浆在地面改良､加固和基础恢复等操作中经常使用[6]｡渗透注浆通过有效改变土壤的结构,适用于多种地质环境条件,可用于凝聚性和非凝聚性土壤[10]
2.1.2压实注浆
压实注浆作为一种常用的地面改良技术,通过注入非常硬的灌浆材料,径向移动土壤颗粒到更紧密的间距来密实被处理的土壤｡压实注浆使用的灌浆通常是水泥或聚氨酯物质[14],通过注射填充物替代潜在的下沉空间,从而控制地表下沉,减少基础沉降的风险,并为松软或松散的土壤提供结构支撑｡压实注浆的主要优点之一是其能够提高土壤密度和承载能力[15]｡注入的灌浆排挤并密实了下方的土壤,填补空隙,使基础更加安全｡这种方法在松散或未固结的土壤且易于沉降的地区广为应用,如建筑､桥梁和挡土墙等结构稳定项目中[16]｡
2.1.3喷射注浆
喷射注浆是一种有效提高地基强度和刚度以减少地面沉降的土壤增强方法[17]｡如果地表层的注浆无法支撑上部结构,则需要深基础,如旋转注浆桩｡喷射注浆主要是通过高压灌浆流注入土壤,形成一种增强土壤工程特性的水泥质块体,处理后的土壤块体具有一定的稳定性､承载能力和渗透性[18]｡喷射注浆主要优点之一是能应用于各种土壤条件｡喷射注浆可根据现场的特定需求进行定制[19],无论是处理松散､无粘接力的土壤还是含有大量水分的粘性土壤,是基础改善和复杂岩土条件下地面加固的绝佳选择[20]｡
2.2注浆的目的
2.2.1增加承载能力和控制水渗透
通过注浆进行地面改良主要是提高土壤或岩石的承载能力｡通过向地面的空腔､裂缝和缝隙注入灌浆材料,显著增强土壤颗粒之间的凝聚力和摩擦力｡形成一个更强大､更坚固的基础,适用于建筑､桥梁和挡土墙等结构,控制水分渗入[18]｡通过封闭地下通道和空洞,注浆可以降低土壤侵蚀的风险,防止洞穴形成,并稳定地下水位,防止水涌入并确保周围岩石的稳定｡
2.2.2减少沉降和保护环境
注浆可减少松散或易压缩土壤区域的土壤沉降｡向这些土壤注入灌浆材料可以填充空隙,提高整体密度和稳定性,减少沉降的可能性,能够有效避免结构损坏以及维持道路､管道和工业设施等基础设施的功能[21]｡在某些情况下,注浆(化学注浆)用于限制并固定地面中的污染物,如有毒化学品或污染物｡有助于防止毒素进入地下水和周围生态系统[22]｡
2.2.3增加地面稳定性
注浆可以增加斜坡和堤岸的稳定性,降低滑坡和侵蚀的危险[23],其是提高地面稳定性､确保安全的重要技术,能够实现更高承载能力､控制水渗透､减少沉降和提高地面稳定性等目标｡这对于山区或多山地区的基础设施项目建设尤为重要｡
2.2.4土壤改良
土壤改良方案包括动态压实､预压､振动石柱､喷射注浆柱､深层土壤搅拌､开挖更换等[20]｡注浆是将流体成分(通常是水泥灌浆)注入土壤的过程,以填充空隙､促进凝聚力和提高整体强度,此外还能抵御自然灾害如洪水和地震的影响[24]｡注浆的一个主要优势是其提高土壤承载能力的能力,施工时可以通过向地面注入灌浆来有效加固土壤并减少沉降[25],在土壤颗粒之间架起桥梁,形成一个更均匀和紧凑的基础;灌浆还常用于限制地下水流动[26]｡在多孔土壤中的水渗透可能导致土壤不稳定和侵蚀,有助于形成一个不透水屏障,阻止水渗入土壤;同时,注浆还有助于减少地下空洞和洞穴的影响｡地表下的空洞可能导致突然的坍塌[27],通过注浆填充这些空间,增加强度并防止未来沉降｡在易发生洞穴的地区,注浆可以稳定土壤并降低快速地面下沉的风险[28]｡
2.3灌浆材料及其特性
灌浆材料种类繁多,大多数都是使用水泥[12]､聚氨酯和环氧树脂,因其能够进入地面的小裂缝和缝隙而广为使用,非常适合于密封和防水目的[29]｡工程所在地的地质､预期的土壤或岩石特性以及项目的环境限制都会影响灌浆材料的选择[20]｡
在选择灌浆材料时须考虑灌浆特性以确保地面改良的有效性,包括灌浆的抗压强度､渗透性､黏度和凝固时间[19]｡灌浆封闭裂缝和防止水渗透的能力对于防水和环境保护至关重要[3]｡此外,也要考虑灌浆的流变特性,如触变性､剪切变稀倾向和屈服应力等性能,控制灌浆如何移动和与周围地面相互作用[10],影响其进入裂缝和排出空气或水以及有效填充空隙的能力｡
2.4注浆设备及质量保证
技术和设备对注浆地面改良的有效性至关重要｡灌浆泵､搅拌机和注射工具是常见的灌浆设备[9],计算机控制系统的进步提高了注浆操作的精确度和效率,使得实时监控和调整灌浆注射设置成为可能｡材料测试､灌浆配方设计和注射压力及体积的监测等[30]都是质量控制的关键程序[14]｡
3、展望
地下水对地基稳定性的影响显著,因此,掌握和改进控制技术尤为重要｡随着工程需求的不断提高和环境条件的多样化,对灌浆技术的研究和发展仍面临着新的挑战和机遇｡未来可以从以下方面进行深入的分析及探讨:
(1)开发新型灌浆材料,如智能灌浆材料､环境友好型灌浆材料,以及具有更高强度和耐久性的复合材料｡研究不同材料对地基稳定性的影响,深入探讨这些材料的力学性能､化学稳定性及其与土壤相互作用的机理;
(2)研究和开发更高效､精确的灌浆技术和设备,例如自动化和智能化的灌浆系统,以提高工程效率和质量｡探索如何更有效地控制灌浆过程中的压力和流量,以及如何提高灌浆的精确性和均匀性;
(3)利用先进的计算机技术和数值模拟方法来预测灌浆效果,分析地下水流动和灌浆材料在土体中的扩散过程｡通过模拟不同条件下的灌浆过程,优化灌浆方案和参数;
(4)开发实时监测技术,以跟踪灌浆过程中地基的稳定性变化,并评估灌浆效果｡利用物联网(IoT)技术､传感器网络和远程监测技术来实现工程的实时监控和数据分析;
(5)研究灌浆技术对环境的影响,包括评估使用过程中的能耗､碳排放和对地下水系统的潜在影响｡开展生命周期评估,优化灌浆技术的环境友好性和可持续性｡
4、结语
回顾了与地基稳定性相关的一系列岩土问题,总结了地下水对地基稳定性的影响因素,综述了常用的地面注浆技术,并对研究进展进行了展望｡地面注浆是一个灵活且有效的选择｡无论是用于减少渗透性､控制沉降还是稳定基础,地面注浆都提供了一种改善地下工程特性的经济方式｡由于其多功能性｡随着灌浆材料和注射技术的持续进步,地面注浆的效率和应用预计将大幅增加,为各种岩土问题提供可靠和可持续的解决方案
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文章来源:莫继军,陈秋光,梁秀明.地下水对地基稳定性影响与控制技术研究[J].粘接,2025,52(05):174-177.
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