袖阀管注浆法加固用于桥梁浅基础研究

2014-04-09姜明君

建筑与预算 2014年3期

姜明君

(沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳 11016)

0 引言

近年来铁路桥梁时有坍塌，洪水冲刷，导致桥梁浅基础勾缝脱落、部分基石冲走，造成桥台脱空悬起，承载能力严重降低。墩台因浅基而被洪水冲歪、冲倒，造成铁路运输中断，给国家与人民带来很大财产损失。比如，2002年濡河陇海铁路大桥就因浅基病害而被洪水冲毁，5个桥墩连续垮塌，横贯东西的铁路大动脉陇海铁路西安段随即瘫痪，损失巨大，造成了严重的不良影响［1］。因此，科学判定桥梁是否存在浅基病害并及时进行有效防护是非常必要的。

1 浅基础病害及成因

造成桥梁浅基病害的原因是多方面的，设计阶段因缺乏水文资料或采用的冲刷计算方法不当，桥位附近河道内的非法采砂活动，河床演变、河道变迁等原因引起河床下切严重等，都会形成桥梁浅基病害，给汛期行车和运输安全带来隐患［2-3］。桥梁墩台基础的埋置深度是指墩台在土面以下部分即墩台身土内部分加基础高度之和。墩台基应低于最大冲刷面，当水流冲刷能淘空基底的时，墩台将倾倒或被冲走。对于建在非坚硬岩石地基上的桥梁，其墩台基础在通过检定洪水的最大冲刷线(包括一般冲刷线和局部冲刷总和)下埋置深度，不能满足公路工程水文勘测设计规范［4］规定，如表1。则按浅基处理。

对于一般桥梁，安全值为2m加冲刷总深度的10%；对于大桥(或特大桥)因技术复杂，修复困难，安全值为3m加冲刷总深度的10%。

表1 墩台基础埋置深度的安全值

2 工程实例

某铁路桥梁，上行梁部结构为3跨度36m，桥梁下部结构为2台2墩，桥墩高5.5m，上承板梁，桥面系为有渣桥面，桥墩为混凝土实体桥墩，该桥位于直线平坡段上，与河流正交，如图1。该桥于1990年建设，墩台基础为扩大基础，各墩台基底均为砂夹卵石，全桥竣工为片石护底，现已被土层埋没，故具体状态情况不详。经测量本桥河床底面至梁底面距离为6.2m，推算现基础埋深为3.58 m，故该桥墩基础可视为浅基。

该桥墩基础及基底状况较差，因河道挖砂，河床下切严重，此桥基础多次外露。在水流的急剧冲刷下，已把河床中的松散沉积物全部冲走，在墩基底造成局部淘空，直接影响桥墩自身的稳定，威胁整个桥梁的安全。由此可见，由冲刷、水毁、河岸护堤不足等原因导致该桥浅基础破坏十分严重，所以对此桥梁浅基础加固是必要的。本工程采用玻璃钢袖阀管注浆加固地基，通过注浆使地层起到均匀加固的效果，增强地基土层强度，从而加固桥梁浅基础。

3 地基载荷试验

3.1 袖阀管注浆

袖阀管注浆工法通过封管和注浆两种材料进行“分次”封孔和注浆，本次注浆选取直径为50m m的泄浆孔的PVC管(即袖阀管)，如图2。通过内压力的作用，被加压的浆液沿着地层结构产生充填、渗透、压密、劈裂流动，劈裂裂缝不断向外延伸，浆液在土体中形成固结体，从而达到增加地层强度，降低地层渗透性的目的［5］。

图1 桥位布置图

图2 袖阀管注浆结构示意图

本次工程实例注浆袖阀管外贴玻璃钢纤维锚片，如图3。其特点为重量轻，耐久性好，强度高，玻纤袖阀管配合分段注浆管注浆，锚注结合，为杆体提供锚固力，加固杆周岩体，使桥墩基础之下的地基成为一个受力整体，达到加固效果。

图3 双纤维片型示意图

3.2 设计方案

根据现场地质条件知，该桥位处基底为砂土、砂夹卵石属软弱地层，经详细分析后，本桥决定采用玻璃钢袖阀管注浆加固法加固墩台基础，设计方案如图4。注浆材料采用普通水泥浆，浆液里加入6～10%的膨润土，使浆块结合体强度不高于1M Pa。注浆袖阀管采用柔性塑胶袖阀管［6］。

实施方案：（1）钻孔间距1m，注浆孔与孔之间采用“梅花形”布置，布孔时孔位偏差≤50m m；（2）注浆孔排与排之间的施作循序为由外向内；（3）注浆孔排内施工采用“三序孔”作业，即先施作1、4、7…序孔，再施作2、5、8…序孔，最后施作3、6、9…序孔。

3.3 施工工序

袖阀管注浆施工工序见图5。

图5 工艺流程

3.4 注浆参数

注浆参数如表2。

3.5 注浆试验

图4 袖阀管注浆设计示意图

表2 注浆参数

袖阀管施作完成后，下入双向止浆塞并开始注浆，浆液通过注浆管冲开阀套进入需注浆加固的土体中。注浆时采用先外围、后内部的注浆顺序，外围孔注浆控制以限制注浆量为主，内部孔注浆至不进浆为止。按注浆技术指标要求，有序注浆，直至注浆结束。对该地基进行了原位载荷试验，以判定经注浆加固后地基承载力和压缩性指标，本试验选用8 m×8 m砼块压重作反力装置，1.2m×1.2m方形刚性压板和钢梁平台，在承压板顶面装设四个位移传感器，以测读试验土层在各级荷载作用下的沉降量。加荷方法采用慢速维持荷载法，加荷等级分为八级，逐级施加荷载，每级压力在其维持过程中应保持数值稳定。

3.6 结果分析

依建筑地基处理技术规范［11］的规定，在本地基加固范围内，随机选取三个孔号做为试验点，试验结果如表3，荷载—沉降(Q-s)曲线如图6。

根据现场试验结果，A 1，A 2，A 3近似一条平滑的曲线，均没有明显的拐点。依规范，综合评价本地基承载力特征值为153k Pa≥130k Pa，满足设计要求；在试验荷载值153k Pa时，三试验点地基变形量最大差值为3.76m m，满足设计规范要求。

图6 荷载－沉降(Q-s)曲线图

4 建模分析

4.1 有限元模型建立

在路堤、轨道结构及列车荷载产生的附加应力的作用下，软土地基表现为工后沉降。由现场实际河床位置地判定，第一层主要人工填沙区，主要为粉砂，夹杂有碎石、碎贝壳，第二层为抛填石区，填料主要为碎石、黏土和粉砂土。建模依“中华人民共和国铁路桥涵地基和基础设计规范TB10002.5—2005”进行，活载按铁路标准活载。为分析和验证注浆后加固效果，运用ABAQUS软件对桩土结合模型进行了数值仿真。对桩身采用弹性模型，土体采用扩展的Drucker-Prager模型进行模拟，并考虑初始地应力的影响，通过计算得到荷载－沉降曲线，结果与现场实测值相近。

表3 地基土载荷试验结果

4.2 计算假定

本计算采用增量法，荷载逐级增加，基础垂直埋置与地基中，地基表面水平，应力分析采用总应力法，基础、碎石注浆体为线弹性材料，浆液影响区、地基土体为理想弹塑性材料，模型本构模型采用计算参数如表4。产生的地基沉降）；加固后，地基总沉降量:0.085m（含地层初始应力产生的地基沉降）；地基总沉降量由0.1121m m降低到0.085m，减少85.6m m，能减少37%。将地基沉降的试验值，模拟值绘制如图，如图7。由图可以看出，模拟值要大于实测值，在获取土层的计算参数时，模拟取值更为保守，故数值模拟沉降大于实测值。加固前总位移云图最大位移为134.32m m，加固后总位移云图（最大位移为92.55m）。

（3）基础稳定验算:加固前，抗倾覆稳定

表4 材料参数

4.3 结果分析

（1）基底应力验算:通过ABAQUS分析结果可以看出，对于加固前基础分析，由Mises应力图可以看出，基础底反力最大出现在距基础左2m处。基础两端差异沉降达到7.5m m，已经不满足规范要求。需要加固处理。加固后基础分析，Mises应力图可以看出，加固后，两个状态下位移变化很小，基础两端差异沉降从7.5m m减小到1.7m m，完全满足设计要求。加固前，基础最大应力Sx=318.24MPa≤350.00M Pa满足应力容许要求；加固后，基础最大应力Sx=214.56MPa≤420.00M Pa满足；地基承载力安全系数由1.09提高到1.96，提高80%。

（2）基础沉降计算：通过ABAQUS计算分析得加固前基础沉降云图，对比两图，可以看出，加固前，基础底面的沉降呈蝶形。基础底中心沉降最大，最大值130m m，且地基沉降最大部位集中基础底面3m范围内，加固前，地基总沉降量:112.1m m（含地层初始应力系数:6.077，抗滑动稳定系数:10.200；加固后，抗倾覆稳定系数:10.051，抗滑动稳定系数:13.230；抗倾覆，抗滑移安全系数均得到提高。