路基注浆试验与仿真分析

李强， 林占胜， 裴福才， 王冲， 单景松， 孙培丽

(1.山东省路桥集团有限公司， 济南 250014； 2. 山东高速股份有限公司， 济南 250014； 3. 山东科技大学土木工程与建筑学院， 青岛 266590； 4. 山东汇通建设集团有限公司， 济南 250002)

随着中国经济高速发展，人车流量使公路面临较为严峻的挑战。路基病害尤为严重，路基注浆技术凭借工艺简单、设备灵活等优点在路基病害治理中得到广泛应用。

路基病害情况较为复杂，同时受注浆工艺的限制，很难保证注路基注浆加固的精确控制[1-2]，国内外学者对注浆机理及注浆技术展开了深入研究。Yang等[3]基于计算流体动力学-离散单元方法(computational fluid dynamics-discrete element method，CFD-DEM)耦合算法对路基微观灌浆机理进行了研究，从微细观层面模拟了浆液注浆过程和扩散机理。陈学喜等[4]分析了不同注浆技术的适用性，在此基础上提出了精细化袖阀管注浆加固技术，并在实际工程中证明了该技术的有效性。蒋功化等[5]依据太沙基一维固结理论对工程黏土段压密注浆补偿效率进行了研究，结果表明注浆补偿效率随着时间变化呈现先减小后稳定的规律。

随着注浆技术的发展，注浆效果的检测显得尤为重要，如樊齐旻[6]对比了3种检测路基深层注浆效果的方法，结果表明钻芯取样只能对注浆效果进行半定量分析，而标准贯入试验只能定性反映土体强度，只有旁压试验能够得到注浆前后土体性质参数的变化，对于检测注浆效果适用性良好。李圣林等[7]则通过试验研究证明了采用瞬态面波法与电测深法相结合的综合物探技术对岩溶路基注浆质量进行检测是完全可行的。

许多学者对注浆材料也有一些研究，王川等[8]研究了煤矸石-矿粉作为注浆材料，试验结果表明当煤矸石掺量达到30%～40%时，浆体28 d强度要高于 P.O32.5水泥，符合路基充填材料的技术要求。刘晓贺[9]、Corson等[10]进行了复合注浆材料的试验研究，通过室内试验对复合注浆材料的力学及耐久性能进行研究，得出性能最佳的复合注浆材料种类及含量。Zheng等[11]对慢凝水泥基灌浆膏的配方及性能进行了正交试验，得出水灰比和膨润土掺量对流动度和泌水率的影响较其他因素更为显著。

综上所述，路基注浆加固影响因素众多且复杂，这就需要针对具体路基病害建立不同的注浆方案，继而对具体注浆过程进行内在机理的深入研究，以此来指导实际工程。现主要从室内注浆试验模拟真实工程概况，在此基础上进行数值仿真，双重分析路基注浆过程中的浆液流向及注浆对路面结构受力，探究注浆渗透规律以及影响因素，为实际工程提供借鉴。

1 路基注浆室内试验

1.1 室内试验路基路面铺筑

制作钢制模板，长、宽、高分别为140、140、50 cm，试验时首先填筑35 cm厚土层，为保证压实度分3次填铺，从下到上厚度分别是15、10、10 cm，每次填铺完以后用小型击实仪振动夯实，夯实时间分布为4～6 min/m2。从第二层起注浆口为中心的直径为20 cm的圆形区域不进行夯实，以模拟路基疏松状态。在路基上表面距离注浆管左右两侧分别为20 cm和30 cm处一共埋设4处土压计，如图1所示，从左到右依次编号为1#～4#，路基注浆过程中用来监测基层与路基之间受力情况，分析路基注浆过程对路基及基层的影响。路基填筑完毕后依次填筑水泥稳定碎石基层，基层料采用人工拌合方法，主要控制拌和均匀，减少离析，摊铺完成后及时人工整平，采用击实仪振动整平。

图1 土压计埋设Fig.1 The installation of earth pressure gage

1.2 注浆试验

试验采用水灰比1∶1的水泥浆液作为注浆材料。将水泥在搅拌桶中充分搅拌，使液体达到悬浊状态。试验采用一整套的恒压注浆装置，水泥浆液搅拌桶、空气压缩泵、注浆泵、压力调节阀、压力容器、泄压阀和压力表等构成了恒压注浆装置的主要部分。注浆过程中，水泥浆液在搅拌桶中充分搅拌混合均匀后，打开注浆泵，将搅拌桶中的浆液输送至压力容器中，空气压缩泵采用压缩空气的方法提高压力向压力桶中的浆液施加压力把浆液压入渗透装置。整个注浆过程在10 s内注浆压力达到0.6 MPa，直到注浆结束注浆压力维持稳定。开始注浆时同步开启监测系统，对注浆过程中的受力情况进行数据采集，采集频率为1 s/次。渗透装置出口设置在路基下10 cm处，泄压阀和压力调节阀可以实现在注浆过程中注浆压力恒定。

1.3 注浆试验结果分析

1.3.1 注浆土压力

通过模型内部埋设的压力监测元件，注浆过程中对不同位置处的土压力进行了监测。由静态应变仪量测土体压力，可能由于铺设原因，土压计1数据不显示，其他3个可以正常监测到数据。监测系统每秒采集一次数据，注浆总时长234 s，各压力计数据随时间变化结果如图2所示。可以看出注浆过程中土压力随着时间的变化呈线性增长，尽管在整个注浆过程中出现小范围的波动，但不影响整体变化趋势。注浆结束时土压力达到最大。压力计2#、3#最大应力几乎相同，压力计4#埋设位置比2#、3#距注浆管远20 cm，最大应力相对较小。

1.3.2 浆液分布特性

浆液分布测试采用两种方法，其一采用地质雷达进行无损检测分析，其二采用开挖验证方式。地质雷达检测时，需要在注浆前后分别对结构层进行雷达检测，以比较注浆前后的雷达图像差异。在水泥稳定碎石基层铺筑并养护28 d，首先采用探地雷达进行数据检测，在注浆完成后7 d待水泥浆液抗压强度达到80%后，对道路结构层进行第二次雷达检测。采用软件resWin2进行处理，对原始数据进行滤波和线性增益等方法，得到较为清晰的波形图案，如图3、图4所示，从处理后的雷达图像可以看出基层与土基层间的分界、结构层的厚度等。由图3、图4对比可以看出注浆之后的土基层注浆管周围雷达图像与注浆之前有不同之处，注浆前土层与基层间图形分层明显，土层顶部图像呈波纹状，下部均匀。注浆后受水泥浆分布影响，基层与土基分界面不太明显，呈现过渡区域，另外注浆管周围的土层受到注浆压力的作用对周围的土体进行挤压让周围土体变得密实，改变了注浆管周围的土体密度，注浆区域的介电常数发生改变及水泥浆液分布的非均匀性，土基靠近顶部的图像有些杂乱，但整体呈层状分布。探地雷达用于检测路基注浆效果时，应首先标定不同状态下的图像特点，建立典型图像库，才能较好地用于注浆效果识别。

图2 压强-时间曲线Fig.2 Pressure-time line

图3 注浆前雷达检测图像Fig.3 The image of radar detection before grouting

图4 注浆后雷达检测图像Fig.4 The image of radar detection after grouting

雷达检测完成后，对试验结构层进行开挖，开挖时发现注浆管周围区域开挖困难，距离注浆管越近开挖越困难。以注浆管为中心浆液扩散半径大约在35 cm，注浆区域土体颜色泛白，如图5所示。基层与路基接触面处发现以注浆管为中心向四周扩散的水泥浆液，有明显的浆脉走向，扩散面积较大，水泥浆液注入的路基层土体颜色发白，强度较高，如图6所示。

根据上述分析可推断：在注浆过程中由于土体压实度较好，水泥浆液沿着注浆管向上流动，在土基层和基层之间界面处进行渗透，层间有明显的浆脉层分布。在模型拆模开挖过程中发现在距离注浆管35 cm左右范围内土体密度增加，开挖困难，分析原因可能是在注浆过程中尽管受到土的压实度影响水泥浆液无法完全进入到土体中，但注浆管周围土体受到来自注浆泵的0.5 MPa压力影响，迫使注浆管周围土体进一步向四周挤压，对周围土体起到挤密作用，同时，浆液在注浆管周围固化膨胀产生较大膨胀压力，对土体也有挤密效果。

图5 层间接触面图Fig.5 Interface between layers

图6 路基开挖Fig.6 Subgrade excavation

2 路基注浆仿真计算及分析

2.1 道路模型的建立

为模拟路基注浆对路面结构受力的影响，建立道路注浆仿真模型进行分析。仿真模型采用双轮组单轴载100 kN作为标准轴载，采用静态模型路基路面模型材料参数。土基弹性模量取40 MPa。沥青面层弹性模量取2 000 MPa，水泥稳定碎石层弹性模量取3 000 MPa。土基的泊松比为0.35，其余各层的泊松比均为0.25。数值模拟时考虑注浆区域模量、注浆半径、注浆横向位置及注浆深度4个方面变化对道路力学响应的影响。仿真模型采用双向行车道，路面宽12 m，机动车道宽3.75 m，边坡坡率1∶1.5，面层采用18 cm厚沥青混凝土，基层用38 cm厚水泥稳定碎石基层。

建模过程分局部单点注浆和道路纵向多点连续注浆两种情况，对比局部但点路基注浆和区域性路基注浆加固差异，同时为对比注浆质量的影响，仿真模型将注浆区的模量变化也作为一个变化因素。有限元网格划分时路面部分采用规则划分，沿厚度均分为3层，路基部分采用自由划分形式，设置单元尺寸0.2 m，路基注浆区域局部加密处理，网格模型如图7所示。

图7 ANSYS三维模型Fig.7 3D ANSYS model

2.2 局部注浆结果分析

2.2.1 注浆区模量影响

固定注浆区半径为0.5 m，位于路基顶面以下1 m，对注浆区域取三组模量，分别为600、1 200、1 800 MPa，计算沥青面层底部与水稳基层底部的应力状态，如图8所示。可以发现，在路面行车荷载影响下，沥青面层底部受到的纵向应力为负，故在以下的仿真模拟中不予考虑，水稳基层底部水平拉应力变化也很小。由此可知，局部注浆时注浆区模量的变化对基层和沥青层的影响较小。这是因为单点注浆区域相对较小，而车辆荷载扩散至注浆区时分散面积已较大，尽管注浆区模量相对于路基模量大很多，较小的注浆区域对路基整体的变形影响不大，故沥青层和半刚性层应力响应变化较小。

图8 注浆区弹性模量影响Fig.8 Influence of elastic modulus in grouting area

2.2.2 注浆半径影响

固定注浆区位置在路基顶面以下1.0 m，注浆区弹性模量为600 MPa，对注浆区域取三组注浆半径，分别为0.2、0.5、0.8 m，计算水稳基层底部的应力状态，如图9所示。可以发现：在路面行车荷载作用下，局部注浆半径对水稳基层底部受拉应力有一定影响，注浆半径由0.2 m增加至0.5 m和0.8 m时，水稳层底部拉应力分别减小1.8%和13.3%。这是因为随着注浆半径增加，其注浆区域顶部逐渐接近路基顶面，对车辆荷载的扩散作用增加，降低了路基路面整体变形，因而使水稳层底部拉应力明显减少。

图9 注浆半径的影响Fig.9 Influence of grouting radius

2.2.3 注浆横向位置影响

固定注浆半径0.5 m，深度1.0 m，对注浆区域取三组不同的横向位置，注浆位置1位于道路行车道轮迹带中心正下方处，注浆位置2位于右侧荷载正下方，注浆位置3球心点位于位置1右侧1.8 m处，位于两荷载之外，具体注浆位置见图10，计算结果绘于图11。可以发现：横向注浆位置的变化时基层底水平应力变化幅度很小，差别不足1.5%。相对来讲，注浆横向位置在行车道中间下部的1号位置时基层底部拉应力最小，其次是轮迹带正下方，3号位置基层底部拉应力最大。

图10 注浆区横向位置示意图Fig.10 Schematic diagram of transverse position of grouting area

图11 注浆区横向位置影响Fig.11 Influence of lateral position of grouting area

2.2.4 注浆深度位置影响

固定注浆区半径为0.5 m，注浆区模量600 MPa，取三组不同的注浆深度，分别距基层底面以下1、2、3 m，计算水稳基层底部的应力变化，如图12所示。可以发现：随着注浆区深度方向的增加，水稳基层底部纵向应力逐渐变大，注浆区深度由1 m增大到3 m时，水稳层底部拉应力增加4%。这同样与车辆荷载沿路基深度的扩散规律有关，注浆位置越深，荷载扩展至注浆区时单位应力越小，注浆区承担的荷载越小，对路基路面变形的影响越小，且注浆区域相对较小，因而注浆区达到一定深度时，局部注浆对路面的影响可忽略。

图12 注浆区深度影响Fig.12 Influence of grouting area depth

2.3 连续多点注浆

道路纵向多点连续注浆模拟实际加固过程中的区域性路基注浆，即沿道路纵向以一定间隔通过注浆孔连续注浆加固。道路连续注浆仿真计算时，假定一定尺寸的注浆范围沿道路纵向连续存在，相当于局部注浆首尾相连沿道路纵向连续无间隔分布。

2.3.1 注浆区模量影响

对于纵向连续注浆，注浆位置同局部注浆位置相同，但其沿道路纵向连续分布，注浆区模量同样取600、1 200、1 800 MPa三种情况，计算结果绘于图13中。可以看出水稳基层底部水平拉应力随注浆区模量增加而逐渐减小，但整体变化幅度较小，注浆区模量由600 MPa增加1 800 MPa时，水稳基层底部纵向拉应力降低不足4%。这是因为注浆区模量远高于路基模量，相当于在道路一定深度连续埋设混凝土管，虽对行车荷载有一定的支撑分散作用，但注浆区域相对较小，四周被模量较小的路基填料包裹，因而对行车荷载的分散能力较弱。

图13 注浆区模量的影响Fig.13 Influence of elastic modulus in grouting area

2.3.2 注浆区半径影响

对注浆区域取三组注浆半径，分别为0.2、0.5、0.8 m，计算水稳基层底部的应力状态变化，如图14所示。可以发现：在路面行车荷载作用下，注浆半径对水稳基层底部受拉应力影响较大，注浆半径由0.2 m变化至0.8 m时，水稳基层底部受拉应力减小幅度达28.5%，远高于局部注浆时降低幅度。这是因为，随着注浆半径的增加，注浆区域距离荷载作用点越来越近，更加有效地分散车辆荷载，同时纵向连续注浆区域相当于弹性地基上圆形梁，纵向也可起到良好的荷载承担作用，因此，纵向连续注浆区半径的增加对水稳层底部的拉应力降低作用比较明显。

2.3.3 注浆横向位置影响

对连续注浆取3个不同的横向位置进行对比，横向位置与前文局部注浆横向位置相同，连续注浆情况下，注浆位置横向变化对半刚性层层底拉应力的影响如图15所示。可以发现横向注浆位置的变化对基层底面水平拉应力有一定影响，与局部注浆结果类似，当注浆位置位于车道中间①时，基层底面纵向拉应力最小，相比较于②③注浆位置基层底部拉应力分别减少8.3%和7.0%，说明注浆位置位于车道两轮迹带的中间位置正下方区域比较有利。这一结论与局部注浆结果相同。

图14 注浆区半径影响Fig.14 Influence of grouting radius

图15 连续注浆横向位置影响Fig.15 Influence of lateral position of grouting area

2.3.4 注浆区深度影响

与局部注浆相同，选取三组不同的注浆深度，分别距基层底面以下1、2、3 m，分析连续注浆深度不同时的影响，计算结果如图16所示。可以发现：随着注浆区深度方向的增加，水稳基层底部纵向拉应力依次增大，增加幅度8.1%和11.4%，说明处理路基病害时注浆位置尽量靠近路基顶面位置对降低基层弯拉受力比较有利。纵向连续注浆深度的影响规律与局部注浆时相似，但影响幅度变大。

图16 连续注浆深度影响Fig.16 Influence of grouting area depth

2.3.5 局部注浆与道路纵向多点连续注浆对比

对比局部注浆与纵向连续注浆仿真结果，从考虑的注浆区模量、注浆区半径、注浆区横向位置和注浆深度4个因素影响来看，两种注浆方式对半刚性基层底部拉应力整体影响规律相似，注浆区模量的影响相对较小，而注浆区半径影响相对明显，注浆区横向位置和深度对半刚性层底拉应力也有一定影响。具体表现为注浆区半径增大、注浆区横向位置靠近行车道中间下部、注浆深度靠近路基顶面位置时，对降低半刚性层底拉应力的比较有利。相对于局部注浆，纵向连续注浆对层底拉应力的影响幅度显著大于局部注浆，如注浆半径由0.2 m增加至0.8 m时，局部注浆法使水稳层层底拉应力降低13.3%，而纵向连续注浆可降低28.5%。注浆区深度由1 m增大到3 m时，局部注浆使水稳层底部拉应力增加5%，而纵向连续注浆使水稳层底部拉应力增加了11.4%。因此，纵向连续注浆对半刚性层底拉应力的影响要显著大于局部注浆，但需要注意注浆半径、注浆横向位置和注浆深度之间相互影响，在考虑某一因素影响时，固定了其他因素，并未做交叉影响分析，实际中可根据路基的病害位置及程度选择合理的注浆方式。

3 结论

采用室内模型试验和数值仿真两种方法研究了路基注浆的加固机理及影响因素，通过分析得出以下结论。

(1)通过室内试验可以看出，在注浆开始阶段浆液会向四周松散土体有压渗透，同时沿着注浆管外壁在压力作用下向上运动，在路基与基层接触面以注浆管为圆心发生扩散，并在重力作用下对路基土发生渗透。但水泥浆液的扩散路径受到路基土土质类型、疏松状态、注浆压力等多个因素的影响，具有不确定性，需要结合具体情况开展研究。

(2)路基注浆对路基土体的孔洞具有填充作用，对局部疏松处具有挤密加固作用，水泥浆液在路基和基层间界面处的渗透扩散还可加强层间黏结和抗水损能力。

(3)探地雷达图像能够反映路基土注浆前后的区别，但对路基孔洞、局部疏松的注浆状态很难做到定量描述，实际应用时应结合具体工程首先建立典型图像，然后通过图像对比确定注浆状态。

(4)数值仿真结果表明注浆区半径、注浆区横向位置和注浆区深度对降低半刚性基层层底拉应力都有一定的影响用，其中注浆区半径大小的影响更为显著，注浆的横向位置在车道轮迹带中间下方、深度靠近土基顶部时对降低半刚性层层底拉应力较有利。纵向连续注浆和局部注浆对半刚性层底拉应力的影响规律相似，但纵向连续注浆的降低作用更显著。