公路软土层注浆试验中浆脉分布与压力分析

2020-02-11叶振沛袁建议薛海阳吴成皓陈合龙

湖北理工学院学报 2020年1期

叶振沛, 袁建议,薛海阳，吴成皓，陈合龙

(1.三峡大学土木与建筑工程学院，湖北宜昌 443002；2.湖北理工学院土木建筑工程学院，湖北黄石435003)

软土地基是我国公路建设中经常遇到的一种不良地质工程问题。由于软土具有扰动性大、抗剪强度低、天然含水量高、透水性差、高压缩性等特点[1-2]，严重影响了道路的施工质量。为保证公路路基的安全与稳定性，在公路建设工程中必须对软土地基进行置换或加固。常见的处理方法有换填法、注浆法、真空预压法、强夯法等。在满足技术要求的前提下，注浆法与其他方法相比，具有环保、节省工期和成本的优势。

针对目前注浆理论的研究现状，朱子靳[3]通过对劈裂注浆加固技术在路基养护维修中的作用机理展开具体分析，得出该方法可以提升路基的强度与稳定性；张家奇等[4]研制的新型综合注浆加固试验系统，既能保证密封性，实现高压注浆，同时又能满足注浆加固过程中对力学分析、加固体力学性能测试等的需求；周逸等[5]运用Comsol和FLAC3D软件进行数值模拟，得到了浆液的扩散半径以及加固的整体效果，但由于注浆完成后，浆液在土体内部的压力变化和浆脉路径具有不可见性，很难对注浆的内部实际效果进行描述。

本文通过相似原理，将现场施工转换为室内模型试验进行注浆，在7 d后达到凝固状态时进行拆模，通过对比各个方位所测得的压力以及拆模后的浆脉结石图形，分析压力以及浆脉路径的变化规律。

1 工程背景

湖北省黄石市阳新县308省道兴国至富池段公路改建工程项目中，(K28+469)～(K28+649)段存在一定深度的软土地基。地质勘探出软粘土层物理力学指标见表1。

表1 地质勘探出软粘土层物理力学指标

2 方案设计

2.1 试验模型设计

试验主体模型由4块规格为800 mm×1 210 mm ×10 mm的亚克力板通过螺栓固定拼接而成。模型设计与实物如图1所示。

图1 模型设计与实物

2.2 渗压计的布设

渗压计是用来检测不同深度与扩散范围的土层在注浆时的压力。储华平等[6]通过相关性分析、误差分析等方法，得出振弦式渗压计的测量精度和长期稳定性都可以满足检测需要。因此试验选用振弦式渗压计，埋设时以注浆管为中心，选定3个相互垂直的方向进行检测。渗压计埋设方式及顺序编号如图2所示。

(a) 正视图 (b) 俯视图

2.3 浆液的配合比

浆液为水泥混合浆液，配置原料为水泥、A剂、B剂。水泥选用华新水泥厂的普通硅酸盐42.5级水泥，A剂和B剂从市场上购买。水泥掺入量为软土质量的2.5%，水胶比为1∶1，A剂含量为水泥用量的4%，B剂含量为水泥用量的1%。

2.4 试验方法

目前，最常用的一种注浆方式为劈裂注浆，即将水泥复合浆液从注浆孔注入软土地基中，当浆液产生的压力大于劈裂压力时，发生劈裂[7]。浆脉的走向与劈裂过程有密切关系。

将原状土分层铺在模型中，并将渗压计按照图2所示顺序埋设于各个土层，固结24 h后开始注浆。将配置好的浆液用注浆机从预埋的PVC梅花孔注浆管注入模型内，注浆时间控制在1 min内，并实时记录渗压计的压力变化。注浆完毕后，养护7 d，拆开模型，去除软土，得到浆脉。

3 不同方向压力变化分析

通过埋设在不同土层中的渗压计收集压力数据，观察在注浆时间内土体内部压力的变化，对土体的劈裂过程进行研究。注浆所形成的浆脉实际形状及实际尺寸如图3所示。

(a) 实际形状

(b) 实际尺寸

3.1 竖直方向压力分布

以竖直方向2-9-10-17-18线上各个渗压计测得的压力数据为例，绘制竖直方向的压力变化曲线如图4所示。由图4可以看出，各渗压计的压力变化趋势大致相同。

图4 竖直方向的压力变化曲线

以最底层的2号渗压计为例，浆液缓慢注入土体时，主要填充土体内的空隙，压力较小。随着空隙慢慢被填充完成，压力逐渐聚集，注浆时间为11 s时，最底层压力达到一个峰值29 kPa，即为启裂压力[8]。0～11 s为浆液填充空隙阶段。从11 s左右的压力分布来看，越靠近底层，压力越大，说明启裂压力与深度成正比关系。

11 s后的压力明显降低，浆液压力使土体内部劈裂出现裂缝。由于模拟的土层是由人工铺筑，各层比较均匀，不存在明显的软弱破裂面，裂缝产生在阻力最小部位。此段沿程压力在一定范围内持续波动并有一定的增长，表明此阶段浆液沿着裂缝不断填充空隙，并不断发展裂缝，直到28 s时压力再次达到最大峰值38 kPa，即为极限劈裂压力。此时，因启裂压力形成的裂缝及扩大延伸已经全部被填充完毕，若要使土体产生新的裂缝，或使初始裂缝进一步加深，则需要对土体施加一个更大的压力。11～28 s为土体的启裂与裂缝的填充扩大阶段。

28 s后的沿程压力持续波动，表明再次劈裂的裂缝被浆液填充，并进一步扩大发展，直至压力最终迅速下降，此时浆液从模型空隙中完全流出，注浆全部完成。此阶段为土体的极限劈裂与裂缝填充完成阶段。

3.2 水平方向压力分布

以最底层2-3-4-5和2-6-7-8两条线的渗压计测得的压力数据为例，绘制水平方向的压力变化曲线如图5所示。

(a) 2-3-4-5线压力变化 (b) 2-6-7-8线压力变化

注浆开始后，水平方向上不同位置渗压计的压力数值区别不大，整体变化趋势基本与竖直方向压力变化相同。随着注浆进程的发展，土体中同样存在二次峰值，即启裂压力与极限劈裂压力。

不同注浆时间水平方向上不同深度处注浆峰值压力见表2。在11 s时，2号渗压计数值为29 kPa，最远端的5号与8号数值分别为27 kPa与26 kPa，而近处3号与6号的数值分别为29 kPa与27 kPa；在28 s时，2号渗压计数值为38 kPa，最远端的5与8号数值分别为35 kPa与36 kPa，近处3号与6号的数值分别为37 kPa与38 kPa。由此说明注浆峰值压力是由注浆孔向壁面处消散，同一时刻不同方向上注浆峰值压力有所不同。这与土层内部渗透率、各向异性的实际情况是相关的。

表2 不同注浆时间水平方向上不同深度处注浆峰值压力 kPa

3.3 压力分布与形成浆脉的对比

综合竖直和水平方向上的压力变化与注浆完成后形成的浆脉图(图3)来看，浅层土层较深层土层而言，其启裂压力与极限劈裂压力都相对较小。因此通道优先在所需压力较小的土层面打开，从浆脉图上来看，直观表现为形成以注浆孔为中心，向四周扩散的浆脉，并且浅层土层的浆脉较深层土层更广，也就是注浆的深度越深，相应的浆液实际扩散半径越小，这与注浆完成后得到的浆脉的实际形状是一致的。