钢花管竖直注浆技术在山区公路病害加固中的模拟应用

陆庆荣

摘要：由于山区公路所经沿线地质条件复杂，路堤发生沉降病害的几率较大。为提高路堤承载力，保证公路安全运营，文章采用FLAC3D有限差分软件建立了钢花管注浆模型，研究了路堤的应力变形规律和沉降变形规律。研究表明：钢花管竖直注浆加固后水平、垂直位移量都相对降低，路堤边坡更稳定，路堤土层的物理力学性质显著提高，塑性变形量降低，刚度增大。

关键词：山区公路;钢花管;注浆加固;沉降;模拟

Due to the complicated geological conditions along the mountainous highway，the probability of settlement damage on the embankment is relatively large.In order to improve the bearing capacity of the embankment and ensure the safe operation of highway，this article uses the FLAC3D finite difference software to establish the steel tube grouting model and study the embankment stress deformation law and settlement deformation law.The research shows that the horizontal and vertical displacements after steel tube vertical grouting reinforcement are relatively reduced，the embankment slope is more stable，the physical and mechanical properties of the embankment soil layer are significantly improved，the plastic deformation is reduced，and the stiffness is increased.

Mountainous highway;Steel tube;Grouting reinforcement;Settlement;Simulationo

0 引言

近年来，国内山区公路发展迅速，通车里程和等级也在不断增长。但因山区公路所经沿线地质条件复杂，同时附加荷载大，导致路堤发生沉降病害的几率较大，尤其是在软土区域，软土层的厚度在很大程度会决定路堤的沉降状况。虽然这种现象从表面上看，对正常通车的影响不会很大，但公路填方路堤沉降病害发生率较高，会使公路安全运营无法得到保障。为此，经研讨确定采用钢花管竖直注浆技术进行加固处理，处理前对其进行模拟应用。

1 工程概况

某公路地处山川纵横的地区，地质条件复杂，夏季降雨量大，由于当年经济条件限制，初期的设计标准低，加之后期交通量大、重卡超载，该山区公路填方路堤沉降病害发生率较高，公路安全运营无法得到保障[1]。从现场观测得知，路堤高、附加荷载大则路堤的沉降会相对较大，尤其是在软土区域，软土层的厚度在很大程度会决定路堤的沉降状况，软土层越厚则沉降会相对越大。路堤受载后，内部生成附加应力，最终导致了土体整体变形。土体变形可归纳为体积变形、形状变形两大类[2]。体积变形是由于压应力作用下土体体积被压缩密实而形成的;形状变形是受到剪應力作用后形成的。若土体压缩性较大则路堤沉降量大，若路堤上覆荷载越大则路堤沉降量越大。路堤沉降大小一是受软土层厚度的影响;二是受路堤上覆荷载的大小的影响。路堤沉降可以分为三个过程，首先是瞬时沉降;第二是固结沉降;第三是次固结沉降[3]。

2 钢花管垂直注浆法介绍

在拟加固路段K283+200～K283+400范围内，采用钢花管垂直注浆法借助钢花管预设的小孔可以实现向拟加固岩土体注入致密高压泥砂浆，注入的泥浆可以迅速渗透、填充岩土体内部的原生裂隙，从而大幅度降低路基孔隙，整体提高路基岩土体的防水性能与稳定性能。向拟加固岩土体注入致密泥砂浆，施工简单，操作快捷，可以在不中断交通的情况下快速处治道路沉陷。

选用孔径≥90 mm的钻机施工钻孔，钻机钻进时严格控制转速，避免震动过大而出现卡钻、掉钻事故。同时钻杆的倾斜度一定要<1%。钻进压力与推进压力分别设置为20 MPa、5 MPa。钢花管直径为40 mm、壁厚2 mm，钢花管管壁每间隔50 cm钻呈螺旋式布置、=5 mm的注浆眼。灌注浆液按水：水泥：粉煤灰=1∶0.5∶0.5配制，水泥采用42.5级硅酸盐水泥;用搅拌机拌合5～7 min;注浆压力应该控制在0.1～0.5 MPa范围内;注浆结束后采用强度为C40的混凝土进行封孔作业。

3 模型建立

3.1 FLAC3D软件介绍

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）三维有限差分程序采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构，能进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析[4]，并实现位移与应力分布的分析[5]。

FLAC3D模拟钢花管注浆采用桩单元（pile）、界面单元联合与实体单元三种方法。pile单元适合大面积桩基模拟，pile单元中注浆管与土层间的相互作用，可以通过各单元节点耦合连接弹簧相连来模拟。假定钢花管为线弹性体，忽略土体的排水固结[6]。

3.2 FLAC3D建模

钢花管注浆加固模型原点为路堤中心正下方，路堤横截面方向为X轴，取半宽50.0 m;沿线路方向为Y轴，取值20.0 m;路堤垂直方向为Z轴，取值38 m;路堤厚、路堤填高分别为30.0 m、8.0 m;路面宽度为11.2 m，路堤边坡坡率为1∶1.0;钢花管长、直径、桩间距分别为11.0 m、40 mm、2.0 m。网格模型由多面体混合单元组成。将模型的左右边界X轴方向进行边界约束;将模型前后边界Y轴方向进行边界约束;模型底边界则取为全约束;模型上边界为自由边界[6]。模型力学性质为弹塑性，破坏准则选用MohrCoulomb准则，模型初始应力为自重应力。模型有关参数如表1～3所示。

由图1～3可知：在路面荷载作用下路肩处与路堤边坡处有较明显的水平位移分布，路堤路肩处水平max位移量约为6.0 mm，路堤边坡上部处水平位移量约为12.0 mm，水平max位移位于边坡上部位置。在路面行车道处垂直位移较明显，且此处的垂直位移大小类似于同心圆弧状由上而下依次按规律分布，垂直位移最大值在行车道位置，而后向两边逐渐减小，差异沉降的特征较明显。垂直位移max值位于路堤路面行车道处，约为33.5 mm。位移矢量线密则位移量大。由图2可知：路堤边坡处矢量方向向右，路堤填土中间位置位移矢量线较密集，两侧密集度减小，说明此处的位移最大，两侧位移减小。综合分析表明，路堤边坡有滑塌危险且路堤面易拉裂破坏。

4.2 未注浆加固时应力模拟

由图4～5可知：底部路堤位置没有显著的应力集中现象，等值应力呈现出平行分布，应力集中（应力场相交）主要出现在路堤中心底面处和路面的行车道处。路堤中心底面位置处以拉应力为主，最大主应力约为3.0×105 Pa，最小主应力约为1.0×105 Pa;路面的行车道位置处以压应力为主，最大主应力约为1.75×105 Pa，最小主应力约为7.67×105 Pa。路面行车道的应力集中源于路面荷载。

4.3 未注浆加固时塑性区模拟

由图6可知，路堤中上部和路堤中心地面处出现了塑性破坏区。经过软件分析可知：剪切破坏体积、拉张破坏体积分别为1.23×104 m3、8.59×102 m3。

5 钢花管竖直注浆加固后路堤模拟

5.1 钢花管竖直注浆加固后位移模拟

未注浆处理时，边坡下部和路肩区域处是路堤水平位移发生变形的主要位置。在采用钢花管竖直注浆加固后，由图7～9可知：边坡主要水平位移区域向下转移，其中位移区域内的位移量明显小于未注浆处理的路堤。垂直位移发生变形的区域与未注浆时大约一致，而垂直位移量、差异沉降相对减小，弧形沉降不显著。整体位移矢量呈现均匀分布，行车道、超车道无显著的位移矢量集中现象，路堤边坡无向右的位移矢量。采用注浆加固方案后水平位移max值向下转移到坡脚位置，max位移量约为1.5 mm;路肩处水平位移量约为0.5 mm;路堤路面行车道位置处垂直位移量最大，约为12 mm，与路肩处的沉降差仅为3.8 mm。综合分析表明，采用注浆方案后水平、垂直位移量都相对降低。

经过钢花管竖直注浆加固后，水平位移最大值在路堤边坡下部、路堤路肩处分别减少了约5.0 mm、1.3 mm，分别降低了约83%、33%;垂直位移量最大值减少了约35 mm，降低了约67.0%。综合分析表明：钢花管竖直注浆加固后提高了路堤修筑层的稳定性，降低了位移变形量。

5.2 钢花管竖直注浆加固后应力规律模拟

由图10～11可知，经过钢花管竖直注浆加固后路堤中心底面处最大主应力降低了50%，约为1.5×105 Pa，最小主应力值为-3.0×105 Pa;路面行車道和超车道位置处最大主应力为-3×105 Pa，最小主应力值为-1.5×106 Pa。注浆钢花管周围有显著的应力集中现象，表明路堤土层的刚度等物理力学参数在经过钢花管竖直注浆加固后显著提高，路堤承载力亦显著提高，最终保证了公路的安全运营。

由图12可知，路堤经过钢花管竖直注浆加固后，剪切破坏体积约1.3×102 m3，剪切破坏体积区域降低了98%;拉张破坏体积约33 m3，拉张破坏体积区域降低了96%。塑性破坏区从路堤中上部和路堤中心地面处转移至路堤中上部，且破坏区域呈现出明显减小的态势，路堤以剪切破坏为主，整体的塑性变形量都在降低。由此表明，钢花管竖直注浆加固后路堤土层的物理力学性质显著提高，塑性变形量降低，刚度增大。

6 结语

（1）未经过钢花管竖直注浆加固时，边坡下部和路肩区域处是路堤水平位移发生变形的主要位置;在采用钢花管竖直注浆加固后，边坡发生水平位移的区域向下转移，位移量明显降低。

（2）经过钢花管竖直注浆加固后路堤中心底面处最大主应力降低了50%，约1.5×105 Pa。剪切破坏体积约1.3×102 m3，剪切破坏体积区域降低了98%;拉张破坏体积约33 m3，拉张破坏体积区域降低了96%。塑性破坏区从路堤中上部和路堤中心地面处转移至路堤中上部，且破坏区域呈现出明显减小的态势，路堤以剪切破坏为主，整体的塑性变形量都在降低。

参考文献：

[1]杨海风.钢花管注浆处理公路项目通道地基不均匀沉降[J].交通世界，2018（Z1）：144-145，151.

[2]赵国庆.钢花管注浆法在石太线路堤沉降病害处治中的应用分析[D].西安：西安科技大学，2015.

[3]冯熊凯.G323国道某边坡注浆钢花管加固效果评价[D].成都：西南交通大学，2014.

[4]吴裕铭.钢花管注浆技术在加固既有铁路软土路堤中的应用[J].路堤工程，2012（1）：130-134.

[5]成尚锋，张海燕.钢花管注浆技术在填方路堤病害处治中的应用[J].中外公路，2007（4）：36-39.

[6]蔡业青，刘朝权，舒 翔.钢花管注浆加固山区高填土路堤、台背工艺探讨[J].中外公路，2006（3）：48-51.