桥梁地基渗透注浆加固研究

2018-03-19潘志强吉禹霏

城市道桥与防洪 2018年2期

潘志强，吉禹霏

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074；2.天津市交通科学研究院，天津市 300074）

0 引言

桥梁地基的安全稳定影响整个桥梁的稳定性和正常使用，为提供桥梁地基的承载性能，保证桥梁基础的安全可靠，可采用对桥梁地基进行注浆加固的方法提高桥梁地基的承载能力和稳定性。这种加固方法对砂土地基尤为适用。

注浆技术有着悠久的历史，在加固工程和防水工程中有着广泛的应用。然而目前注浆技术的理论研究还不完善，很大程度上仍依靠施工经验，施工具有很大的盲目性，容易造成材料浪费或者留下工程隐患。浆液扩散半径是控制注浆过程和施工质量的一项重要指标，目前对浆液扩散半径的计算一般采用柱面扩散理论。计算中对浆液黏度参数按定值处理，即按浆液的初始黏度进行计算。实际中大多数浆液黏度随时间增加，这就使得理论计算值比浆液实际扩散范围大。也就是说，如果按目前的理论计算结果对桥梁地基进行注浆加固设计，浆液实际扩散半径达不到所需的扩散半径，很容易造成加固工程隐患。为了消除此种误差，本论文将给出考虑浆液黏度变化的理论计算公式，使理论计算结果更好地与实际相符。

1 渗透注浆计算方法的改进

为了消除现有公式对浆液黏度按定值处理所造成的渗透范围计算误差，本论文将对浆液扩散范围计算公式进行改进。在桥梁地基注浆加固工程中，浆液一般采用柱形扩散的加固方法，其柱形扩散理论的模型如图1所示。

图1 浆液柱形扩散图

目前柱形扩散理论的渗透公式如下：

式中：t为整个灌浆过程所用时间，s；r为浆液扩散半径，m；k为地基土的渗透系数，m/s；β为浆液黏度对水的黏度比；h1为灌浆压力，m；r0为灌浆管半径，m；n为地基土的孔隙率。

下面对目前采用的渗透注浆柱面扩散公式进行改进。

首先，由渗流力学知识可知，地基土层渗透系数k的计算公式如下：

式中：k为地基土层的渗透系数，m/s；κ为地基土层的内在透水率，m2，其大小只与土的性质有关，与所注液体种类无关；g为重力加速度，m/s2；v为浆液的运动黏滞性系数，m2/s。

下面推导浆液黏度对水的黏度比β与浆液的运动黏滞性系数v的关系。由渗流力学知识可知，浆液黏度系数μ与浆液的运动黏滞性系数v有如下关系：

式中：μ为浆液黏度系数，Pa·s；ρ为浆液的密度,kg/m3；v为浆液的运动黏滞性系数，m2/s。

又有公式

式中：β为浆液黏度对水的黏度比；μl为浆液黏度系数，Pa·s；μw为水的黏度系数，Pa·s。

由公式（4）和公式（5），得

式中：β为浆液黏度与水的黏度比；ρl为浆液的密度,kg/m3；vl为浆液的运动黏滞性系数,m2/s；ρw为水的密度，kg/m3；vw为水的运动黏滞性系数，m2/s。

对于特定的温度条件和特定的浆液，ρl、ρw、vw是非常容易得到的。

将公式（6）代入公式（3），得

式中符号意义同上。

将 k值代入公式（1）和（2）中，得

式中符号意义同上。

下面说明灌注浆液的黏度与水的黏度比β的处理方法。首先，通过试验测定不同时刻的浆液黏度，然后利用计算机应用Matlab软件对数据进行分析，可得到浆液黏度与时间的函数关系。设浆液黏度与时间的函数关系为μl=μl（t），则在t时刻有浆液黏度与水的黏度比β=μl（t）/（ρwvw）。在考虑整个灌注过程时，浆液黏度与水的黏度比β应取整个灌注过程中的浆液平均黏度与水的黏度比，即

式中：t为整个灌浆过程所用时间，s；其他符号意义同上。

将公式（10）分别代入公式（8）和公式（9），可得桥梁地基中浆液扩散半径的计算公式如下：灌浆时间：

浆液扩散半径：

式中：t为整个灌浆过程所用时间，s；r为浆液扩散半径，m；n为地基土的孔隙率；κ为地基土的内在透水率，m2；g 为重力加速度，m/s2；h1为灌浆压力，m；r0为灌浆管半径，m；μ（lt）为浆液黏度与时间的函数关系表达式，Pa·s；ρl为浆液的密度，kg/m3；ρw为水的密度，kg/m3；vw为水的运动黏滞性系数，m2/s。

由渗流力学知识得到，vw与温度t的关系为