非均质填土注浆加固特性及基坑开挖稳定分析

■吴玉鹏，张可能，杨宇航，张云毅，张顺清■1.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙 41008；2.地球科学与信息物理学院 中南大学，湖南 长沙 41008；.湖南建工集团，湖南 长沙 410004

城市填土地层是伴随人类活动产生的特殊非均质土层，不同地域之间存在很大的差异，土体主要成分、固结特性、水、力学特征等都不尽相同，土体物理力学特性与当地地层条件、气候特征、人类生产方式等因素均有关联。城市化建设过程中难以避免的会遇到很多特殊工程问题，与地上的结构问题不同，地下工程的安全性极易受到土体情况变化的影响，随着工业技术的发展，世界范围内岩土工程技术水平在近代以来获得了很大的提高，但依靠现有的勘察评价手段和土体理论研究成果仍然难以精确描述非均质土体的力学特性，进行相关地下工程设计和施工时都存在不确定性的风险，因此现行的国家或行业规程对于填土层的评价一般基于定性的理论研究成果，填土的分类标准主要以土体成分和赋存年代划分，具有一定的随机性，不能很好的反应实际工程性质变化［1］。在填土的一般研究过程中，以地基处理方面的成果居多，在分类标准上，也主要参考了地基承载力方面的要求，考虑要素包括时间、成分、含水、赋存条件、有机物含量等因素。对于基坑工程，土体内摩擦角和粘聚力参数是岩土工程师最为常用的土体指标，相关研究很多，但大多具有地区区分度，尚未建立广泛认可的通用标准［2-4］。为保证相关工程活动的安全开展，发展起来诸多坡体稳定性评价方法，如图1所示。

图1 工程评价方法

为验证非均质土体条件下的坡体稳定性，普通尺寸的室内模型试验和一般分析方法很难奏效，因此本文采用有限元分析的方法进行模拟计算，从基础运动力学理论的观点探究注浆工艺对坡体稳定性方面的作用。

1 深厚填土层的注浆施工实例

1.1 工程概况

该基坑工程位于湖南省株洲市石峰区，属于城市建设开发的外延中心带，发展潜力较大。其原始地形低洼，最初为人工鱼塘，后在道路建设和商品住宅开发时进行了回填，回填用料和固结程度各不相同。2013年部分空闲场地开始进行新一期商品住宅的开发，基坑开挖过程中遇到平均深度超过5m的深厚填土层，土体内含有大量建筑和生活垃圾，成分不均，勘察报告无法提供准确的力学性质指标，相邻高层住宅基坑开挖过程中采用了桩锚支护的保守设计，效果良好，但造价成本极高。经过充分考察论证和安全性评估，工程建设单位拟对特殊地段采用注浆加固的方法对土层进行预处理［5］，再采用喷锚支护的手段进行加固。方案实施后基坑稳定性良好，监测指标满足规范要求，实际造价相比传统桩锚方法节约造价1/3以上，施工工期也大幅度缩短。

该工艺实施部分位于场地南侧，临近高层建筑，地面以下有超过5m的新近填土，为小区道路建设的回填土层，密实度较差，采用传统的土钉、锚杆支护难以保证基坑安全，因此先采用双排竖向注浆孔对土体进行注浆预加固（图2）。

图2 基坑支护剖面图

1.2 施工工艺

竖向钻孔。选择坡顶合适部位进行放线，采用简易煤田钻机进行竖向孔的施工，施工单位自行研发的自钻导水头能够满足快速成孔的要求，孔径可控制在±72mm，短接钻杆为流体输送用无缝钢管，成本较低，性能可靠，可直接预留土体中充当注浆管使用。

浆液配比。注浆浆液主要采用水泥-水玻璃双液浆，该类浆液通过水玻璃加量的调整可以有效控制浆液凝固时间，达到精确控制注浆量的要求，水灰比以1～0.5：1为宜，水泥浆和水玻璃液体体积比为1：0.08～0.15。

注浆控制。注浆过程中主要通过注浆压力和注浆量进行施工控制，实施前应依据土体基本参数进行注浆量的预算［6］：

注浆量的大小与土体孔隙性和被压缩程度等相关，式（1）中，Cc为土体压缩系数，e1为浆后孔隙比。在本工程新近填土地层中注浆，压力应控制在3.5MPa以下。

2 填土地层中浆液扩散特性分析

2.1 基本扩散理论

浆液扩散存在三个基本理论过程—渗透、挤密、劈裂，通过探槽开挖试验，能够很明显的观察到上述现象：

基于简单渗透理论，在均质填土中浆液扩散可以用球形公式表示：

图3 土体中浆脉的分布

式中：K—填土的渗透系数（cm/s）；β—浆液粘度对水的粘度比；r—浆液扩散半径（cm）；h1—注浆压力水头（cm）；r0—注浆管半径（cm）；t—注浆时间（s）。

劈裂过程是浆液扩散的重要过程，参照莫尔-库伦强度破坏理论可推导出各向同性地层中的临界注浆压力条件［7］：

式中：r—砂石重度；rw—水重度；h—灌浆段深度；hw—地下水位；K—主应力比；c′—有效粘聚力；φ′—有效内摩擦角。

2.2 浆液结实体的形成

填土地层具有土体成分不均匀的特性，土体孔隙分布也存在较大的离散性，除了分散较为均一的填土颗粒成分，常有大型块石成分，交接面之间容易形成大型孔隙，为浆液的渗透提供很好的填充空间，从而形成大型浆液结实体或者与坚硬块石粘连形成复合结实体（图4）。

4 坡体开挖发现的大型浆液结实体

2.3 水玻璃作用机理

浆液中水玻璃成分能有效控制浆液凝固时间进而限制浆液扩散半径，这主要是基于水泥中的硅酸二钙发生的水解和水化反应，其Ca（OH）2产物能与硅酸钠迅速凝固，形成水化硅酸钙的凝胶体。

3 试验结果分析

3.1 原位剪切试验结果分析

对基坑坡体向内开挖后进行原位剪切试验，试验结果之一如下图5所示。

图5 J2直剪应力-应变曲线

当剪应力达到峰值后，随着剪应变的增加，剪应力在峰值附近波动；在理论剪切破坏位移以内（剪切盒边长1/10的剪切位移），试样的剪应力随着应变的增加没有出现明显下降段；超过理论剪切破坏位移后，试样的剪应力随着应变的增加在峰值附近波动。

剪切试验过程中，J2的注浆结石体首先受到剪切作用，由于注浆结石体的强度高，在剪应力与应变关系曲线中表现为：剪应变在0-2%范围内，剪应力随应变的增加快速增大，随着剪切的继续进行，J2中的注浆结石体基本破坏，剪应力迅速达到峰值随后缓慢变化（图6）。

3.2 土体室内实验分析

注浆结束后对土体进行取样分析，分别选取距离注浆口不同距离的土体进行重塑土直剪试验，结果经分析离散性较大，这主要是因为室内试验仪器尺寸有限，无法准确制备非均质土试样，填土单元随机分布的特性很难通过简单模型试验进行模拟。

图6 J2剪切面形态

为了探究注浆注入量与土体强度的关系，进行了掺加水泥浆液的重塑土直剪试验，选用均质土体作为基质，添加不同比例的水泥浆液搅拌养护后进行试验，结果如图7、图8。

图7 峰值应力随水泥加量变化的曲线图

图8 土体c、φ值统计表

图8所示，土体c、 φ值总体上有一定的上升趋势，但并不明显，这与试验过程控制不严和土体成分复杂有关，由以上实测数据分析，水泥浆注入量对土体的c值提升作用呈线性相关，水泥用量较少，分布均匀，改变了土体汲水特性，使土体内部粘土成分的含水率稳定在一个适当的比率，造成粘土间粘结力的提高。当浆液数量达到一定程度后，其土体聚粒成分必然增多，大颗粒土体间的摩擦力增大，表现为内摩擦角数值的提高，因此在6%水泥加量条件下土体φ值明显增大。

3.3 基于快速拉格朗日方法的有限元分析

利用flac命令流的方式建立基坑开挖模型，计算分析施加注浆结实体结构前后坡体位移应力的变化。

土层利用brick立方体模型生成，定义为莫尔-库伦强度理论（model mohr）。采用property语句根据表1数据进行材料赋值。材料重度使用initial命令进行初始化赋值，在随后的计算步骤中，重度指标会随计算过程进行微调。

initial density 1970 range z 0 11.991；粘性土饱和重度

initial density 1800 range z 11.991 14.474；填土饱和重度

initial density 1656 range z 14.474 18.974；填土天然重度

initial pp 6.436e3 gradient 0 0-1e3 range z 8.038 14.474；设定填土层孔隙水压力

初始应力的施加通过初始化计算自动添加，具体操作方法是将土体抗拉强度及粘聚力设为无穷大（1e10），利用fix命令对土体边界节点进行条件约束并进行初始化计算。运算结束后再重新赋值，进行下一步建模计算。

初始沉降计算完成后应对各点位移及速度进行清零。

ini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0；位移归零

ini xvel 0 yvel 0 zvel 0；速度归零

土体开挖过程采用null模型实现，先对拟开挖土体部分进行分组：group kw1 range plane normal 1.495 0-0.194

origin 19.368 0 18.974 below …

z 17.479 18.974；开挖第一层分组，其它开挖层分组过程相同

model null range group kw1；模拟开挖过程

通过sel命令施加土钉（cable）、砼层（shell）等支护结构。注浆结实体模拟为立方体单元，通过设置特殊材料属性的方式予以实现，强度参数模拟普通混凝土。

group sk1 range x 16.304 17.304 y 1.5 2.5 z 14.479 15.479；浆液结实体分组。

表1 土体参数取值

模型建立结果如下图所示（图9、图10）。

由图表可知，注浆结实体可以有效改善坡体的位移变化，基坑开挖至第二层后，坡体稳定性计算结果云图分析表明：水平位移（xdisp）出现在坡脚处，第一层开挖平台也存在较大的位移变化点，通过对比两种条件下的xdisp云图，未设置浆液结实体试块时云图扩展面积略大，图示最大位移量为-4.3536e-2m，存在注浆结实体时图示最大位移量缩减为-3.938e-2m，位移量减少9.55%。

4 结论

（1）以株洲某深厚填土基坑为例，采用注浆预加固的方法可以有效提高基坑开挖过程的稳定性，方法经济可行。

（2）非均质填土地层中，浆液扩散的渗透、挤密、劈裂现象并存，非均匀分布的大空隙有利于大型浆液结实体的形成。

图9 模拟注浆结实体试验模型

图10 xdisp-注浆结实体试验结果

（3）原位剪切试验和有限元计算分析表明浆液结实体可以有效提高坡体剪切变形过程的抗剪力，降低土体变形参数。

［1］艾孝军.残坡积土双液注浆加固机理研究及工程应用［D］.中南大学，2013.

［2］姜洪涛，施斌，刘瑾.人为土的工程分类与利用研究［J］.工程地质学报，2010（03）：363-370.

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［4］吴言军.北京地区人工填土的工程地质特征与工程应用分析［A］.2011年全国工程地质学术年会论文集［C］.2011.

［5］ZhusupbekovAZ.Anchoringofsoilsoffoundationsbyamethodofgrouting［J］.InternationalconferenceonAnchoring&GroutingtowardstheNew Century，1999（10）：140-142.

［6］刘强，张可能，陈宾，黎永索.不同土体中水泥-水玻璃浆液的扩散规律［J］.中南大学学报（自然科学版），2015（1）：255-260.

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