山區(qū)沿溪公路路基穩(wěn)定性數(shù)值分析與注漿加固研究

梁根才，劉 澤，葉建勝

(1.浙江佳途勘測設(shè)計有限公司，浙江 麗水 323000;2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 前言

隨著社會能源需求的不斷增加，許多山區(qū)河流被截流蓄水發(fā)電，使得河道水位上升，一些依山伴水的公路路基由非浸水路基變成了浸水路基，荷載條件發(fā)生重大變化，路基的安全運(yùn)營出現(xiàn)新的隱患。如何保證這些路基的穩(wěn)定性是山區(qū)水電事業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)和諧發(fā)展的重要課題。

通過注漿改變路基填土性質(zhì)、提高路基穩(wěn)定性是蓄水前路基預(yù)加固的主要措施之一。國內(nèi)外的許多學(xué)者都對注漿加固的機(jī)理和施工技術(shù)進(jìn)行了研究。徐志永［1］對高壓注漿的作用機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為高壓注漿加固土體有滲透、壓密和劈裂等三方面作用，可以有效提高土體的抗剪強(qiáng)度和整體性。葛家良［2］通過注漿模擬試驗，分析了被注漿介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征、漿液水灰比、注漿壓力等因素對漿液擴(kuò)散半徑和結(jié)石體強(qiáng)度的影響規(guī)律。阮文軍［3］通過試驗研究了影響漿液擴(kuò)散性能的因素。聶善文［4］進(jìn)行小導(dǎo)管注漿試驗，楊忠［5］采用超聲法對注漿效果進(jìn)行了檢驗。朱赤［6］、韓順學(xué)［7］、郭建新［8］等沿河浸水擋土墻加固實踐。筆者在沿甌江的330 國道、333 國道也進(jìn)行了多次加固實踐。張君靜［9］還分析了注漿加固的經(jīng)濟(jì)效益。

為了進(jìn)一步探索注漿加固對沿溪庫公路的作用效果，本文以FLAC3D為研究平臺，建立數(shù)值加固模型，對路基擋土墻注漿加固的作用機(jī)理、加固設(shè)計參數(shù)的影響進(jìn)行流固耦合分析，獲得了一些有益結(jié)論。

1 水位變化對山區(qū)公路路基的影響與加固

由于地形復(fù)雜多變，山區(qū)公路一般都是依山伴水而行，路基多采用半挖半填結(jié)構(gòu)，以重力式擋墻支擋。設(shè)計時主要考慮永久荷載和基本可變荷載，對動水壓力、流水壓力等可變荷載考慮較少。當(dāng)河道被截流蓄水后，受山洪影響，水位極易出現(xiàn)暴漲落，使路基擋土墻的荷載條件發(fā)生重大改變。當(dāng)河道水位升高時，墻前水壓力增大會使擋土墻受到的總側(cè)向壓力減少，但路基填料會應(yīng)含水量增加、飽和而軟化，抗剪強(qiáng)度降低，使路基沉降增大;當(dāng)河道泄水排洪時，庫水位將快速下降，使擋土墻內(nèi)外形成水力梯度，產(chǎn)生的非穩(wěn)定滲流場［10～13］，不僅增加了擋土墻的側(cè)向土壓力，易造成路堤滑塌、擋墻傾覆失穩(wěn)。而且滲透水壓還會造成墻后填土內(nèi)細(xì)顆粒填料不斷流失，引起路堤沉陷。

盡管擋土墻加固的方法很多，但注漿加固的優(yōu)點最明顯。當(dāng)將預(yù)配的膠凝漿液通過加壓方式注入到土體并固化后形成結(jié)石體，不僅可以使?jié){液與土體顆粒相結(jié)合，將土體粘固成一個整體，改變土體的物理力學(xué)性質(zhì)，提高c、φ 值，同時達(dá)到增加土體的密實性、降低土體的滲透性。當(dāng)用于公路路基加固時，漿液通過滲透、擠壓作用，對注漿點周圍土體施加復(fù)雜的三向應(yīng)力作用，使得土體中的水和氣泡被擠出，最終會形成壓縮模量小、凝聚力大，孔隙比、壓縮系數(shù)顯著降低的結(jié)石體，提高墻后土體自穩(wěn)能力、降低作用在擋土墻上的側(cè)向土壓力。從而提高擋土墻的穩(wěn)定性。

2 分析方法與模型

2.1 分析方法

墻前水位變化將使土體內(nèi)孔壓變化，引起非穩(wěn)態(tài)滲流，故浸水擋土墻穩(wěn)定性分析應(yīng)進(jìn)行流固耦合分析。本文采用FLAC3D建模，并基于達(dá)西定律和強(qiáng)度折減法進(jìn)行流固耦合分析。

FLAC3D計算巖土體的流固耦合效應(yīng)時，將巖土體視為多孔介質(zhì)，流體在孔隙介質(zhì)中的流動方程依據(jù)Darcy 定律［14］:

式中，i 為水力梯度;v 為層流狀態(tài)下的流速;k 為滲透系數(shù)。

路基的穩(wěn)定性計算采用強(qiáng)度折減法，以計算不收斂作為安全系數(shù)的判定準(zhǔn)則。強(qiáng)度折減法的基本原理［15］是將材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c，tanφ 同時除以一安全系數(shù)F，得到一組新的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c'，φ'，即:

2.2 分析模型

圖1 斷面圖(單位:m)

圖2 分析模型

計算以330 國道青麗復(fù)線K60+879 斷面為依托。路基斷面設(shè)計如圖1 所示，路基寬度為12 m，采用衡重式漿砌片擋土墻支擋，墻高13 m，路基右側(cè)為河流。因建設(shè)水電站需要，對河流進(jìn)行截流蓄水，蓄水后常水位水深6 m。據(jù)此，建立如圖2 所示的數(shù)值模型，模型寬24 m，高21 m，沿線路方向取4 m。計算時約束底部全方向的位移、模型左右兩側(cè)x向的位移和模型y 方向的位移。結(jié)合《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30－2004)要求，在路面施加q=10 kN/m2的簡化車輛荷載。模型各部分的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 注漿前后土體參數(shù)對比

通過在擋土墻墻面和河床上施加孔壓模擬墻前水位的作用。計算時以常水位為初始水位，靜力平衡后，進(jìn)行流固耦合計算;再計算水位下降對擋土墻穩(wěn)定性的影響;然后對擋土墻進(jìn)行注漿加固分析，討論注漿參數(shù)對擋土墻穩(wěn)定性的影響。

3 水位下降對擋土墻穩(wěn)定性的影響

設(shè)墻前水位因河道泄洪而快速下降，由常水位(6 m)快速下降到1 m。每下降1 m 計算1 次，以擋土墻的水平位移和路基的安全系數(shù)為目標(biāo)，討論水位下降對擋土墻穩(wěn)定性的影響。

圖3 為初始水位(常水位，6 m)時路基模型的水平位移云圖。滲流穩(wěn)定后，擋土墻發(fā)生外傾式變形，最大水平位移為31 mm，出現(xiàn)在擋土墻墻頂處。將常水位下?lián)跬翂Φ奈灰浦昧愫笤儆嬎闼幌陆禃r的各工況。圖4 為水位下降3 m 后模型的水平位移云圖。當(dāng)水位下降3 m 時，擋土墻新增了1.69 mm的位移，分布模式與常水位一致，呈外傾式。當(dāng)水位下降5 m 時，擋土墻將新增2.57 mm 的變形量(圖5)。

圖3 初始水位時模型的水平位移云圖

圖4 水位下降3 m 后模型的水平位移云圖

圖5 為水位下降時擋土墻最大水平位移的變化曲線。隨著水位差的增大，擋土墻的水平變形增大，當(dāng)水位自常水位下降到1 m 時，擋土墻新增了3 mm的水平變形。

圖5 水位下降對擋土墻最大水平位移影響

圖6 為水位下降時路基安全系數(shù)與水位下降量之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，水位下降量越大，路基的安全系數(shù)越小。與初始水位時的安全系數(shù)1.41相比，水位下降3 m 后安全系數(shù)為1.28，下降5 m后安全系數(shù)僅為1.26，已經(jīng)小于《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30－2004)的要求?？梢娝豢焖傧陆祵跬翂Φ姆€(wěn)定性有較大影響。

圖6 水位下降對擋土墻安全系數(shù)的影響

4 擋土墻注漿加固

4.1 注漿加固對擋土墻的影響

為了提高浸水后擋土墻的穩(wěn)定性，擬在距路基邊緣3 m 處向下鉆孔注漿加固。注漿采用純水泥漿，水灰比為1 ∶1，注漿范圍:橫向以鉆孔為中心，左右各2 m;豎向從基底開始，向上6 m。圖7 和圖8 為注漿加固前后的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力云圖。由于未加固前水位下降5 m 穩(wěn)定后該模型的安全系數(shù)為1.26，模型中加固區(qū)域的土體還處于彈性狀態(tài)并沒有發(fā)生塑形破壞，所以注漿增大墻后填土的抗剪強(qiáng)度對模型的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)影響很小。因此，圖7和圖8 中加固前后的應(yīng)力狀態(tài)相差不大，加固后擋土墻的水位位移云圖也和圖4 相差不大。但采用強(qiáng)度折減法計算其安全系數(shù)，可得加固后的安全系數(shù)為1.47，較未加固時的安全系數(shù)(1.26)增大了16.7%，甚至大于原初始水位時的安全系數(shù)(1.41)，因此該加固方法是有效的。

圖7 加固前后擋土墻的水平應(yīng)力云圖

圖8 加固前后擋土墻的豎向應(yīng)力云圖對比

4.2 注漿參數(shù)對擋土墻穩(wěn)定性影響

4.2.1 注漿深度的影響

設(shè)每個注漿孔的影響半徑為2 m，分別計算注漿深度為2，4，6，8 m(從基底向上計量)時、水位下降5 m 后擋土墻的安全系數(shù)。圖9 為不同注漿加固深度時擋土墻的安全系數(shù)。分析可知，擋土墻的安全系數(shù)隨注漿加固深度的增加而增大，加固深度為0 時表示未進(jìn)行加固。加固深度從0 m 增加到2 m時，安全系數(shù)增大幅度越大，之后隨著加固深度的增加安全系數(shù)增長較緩。可見，實際加固時不需要沿全墻高注漿加固。

圖9 加固深度對擋土墻安全系數(shù)的影響

4.2.2 注漿范圍的影響

取加固深度為4 m，分別計算注漿加固范圍為2、3、4、5、6 m 時擋土墻的安全系數(shù)。圖10 為水位下降5 m 后、不同加固范圍時擋土墻的安全系數(shù)增長曲線。由圖可知，當(dāng)加固范圍從0 m 增加到2 m時，擋土墻的安全系數(shù)從1.24 增加到了1.41，與初始水位時的安全系數(shù)相當(dāng)。之后隨著加固范圍的增大，擋土墻安全系數(shù)變化不大?？梢姡瑢嶋H加固時也不需要進(jìn)行全斷面寬度注漿加固。

圖10 加固范圍對擋土墻安全系數(shù)的影響

4.2.3 注漿結(jié)石體強(qiáng)度的影響

注漿加固的效果與加固范圍有關(guān)，還與固化后結(jié)石體的強(qiáng)度有關(guān)。結(jié)石體強(qiáng)度通?？梢酝ㄟ^調(diào)整漿液種類、水灰比等參數(shù)調(diào)整。設(shè)加固范圍為寬3 m、深4 m。以表2 中注漿后的土體參數(shù)為基礎(chǔ)，考慮注漿后土體c 值和tanφ 值增大不同倍數(shù)時擋土墻安全系數(shù)的變化(注:增大倍數(shù)為0 時表示未進(jìn)行加固)。圖11a、圖11b 分別為c 值和tanφ 值增大對擋土墻安全系數(shù)的影響曲線?？梢?，注漿結(jié)石體的強(qiáng)度對加固后路基的穩(wěn)定有較大的影響。注漿后擋土墻安全系數(shù)隨著c、tanφ 值的增加而增大，但結(jié)石體強(qiáng)度增加倍數(shù)在0 到1.25 之間時，路基安全系數(shù)增加明顯，兩者基本上呈線性關(guān);繼續(xù)增大膠凝體強(qiáng)度，安全系數(shù)的增長效果減小，曲線放緩。實際工程為了提高結(jié)石體強(qiáng)度而過多降低漿液水灰比，不僅會使注漿施工難以進(jìn)行，而且路基穩(wěn)定性提高幅度也有限。

圖11 注漿后c 值和tanφ 值對擋土墻安全系數(shù)的影響

5 結(jié)論

本文以FLAC3D為研究平臺，建立數(shù)值加固模型，對路基擋土墻注漿加固的作用機(jī)理、加固設(shè)計參數(shù)的影響進(jìn)行流固耦合分析，獲得的主要結(jié)論有:

1)墻前水位下降對擋土墻受到的總側(cè)向壓力增大，路基穩(wěn)定性降低。

2)注漿加固不會改變路基的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，但可以提高路基的安全系數(shù)。

3)路基安全系數(shù)隨加固范圍的增加而增大，隨注漿膠體強(qiáng)度的增加而大，但存在一個合理的加固范圍和強(qiáng)度提高倍數(shù)。

［1］徐志永，施 斌.高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)加固失穩(wěn)擋土墻作用機(jī)理分析與應(yīng)用［J］.巖土工程界，2005，8(9):48－50.

［2］葛家良，陸士良.注漿模擬試驗及其應(yīng)用的研究［J］.巖土工程學(xué)報，1997，19(3):28－33.

［3］阮文軍.注漿擴(kuò)散與漿液若干基本性能研究［J］.巖土工程學(xué)報，2005，27(1):69－73.

［4］聶善文.散體圍巖隧道小導(dǎo)管注漿試驗及效果分析［J］.公路工程，2011，36(3):1－3.

［5］楊 忠，梁俊輝，張升彪，等.超聲成像法在橋梁預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用［J］.公路工程，2012，37(5):168－171.

［6］朱 赤.沿河浸水擋土墻墻趾注漿的施工技術(shù)［J］.路基工程，1997(4):52－55.

［7］韓順學(xué)，潘 冰，李 旭.采用高壓旋噴注漿法加固擋土墻技術(shù)［J］.鐵道建筑，2006(5):78－79.

［8］郭建新.分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)機(jī)理和應(yīng)用［J］.路基工程，2008(6):44－45.

［9］張君靜，肖昭升.高聚物注漿技術(shù)處治高速公路病害的經(jīng)濟(jì)效益分析［J］.公路工程，2013，38(2):12－15.

［10］彭述權(quán)，樊 玲，劉愛華，等.拱效應(yīng)和滲流作用剛性擋墻主動水土壓力研究［J］.石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(S1):3029－3035.

［11］王 釗，維 列，李廣信.擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力和水壓力［J］.巖土力學(xué)，2003，24(2):146－150.

［12］鄧方明.浸水加筋土擋墻流固耦合分析［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2009.

［13］鄭穎人，時衛(wèi)民，孔位學(xué).庫水位下降時滲透力及地下水浸潤線的計算［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(18):3203－3210.

［14］彭文斌.FLAC3D 實用教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［15］謝 磊，王建國，顏丹青.強(qiáng)度折減法分析水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響［J］.工程與建設(shè)，2009，23(5):693－695.