公路軟土層注漿試驗中漿脈分布與壓力分析

葉振沛, 袁建議,薛海陽，吳成皓，陳合龍

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，湖北 黃石435003)

軟土地基是我國公路建設(shè)中經(jīng)常遇到的一種不良地質(zhì)工程問題。由于軟土具有擾動性大、抗剪強度低、天然含水量高、透水性差、高壓縮性等特點[1-2]，嚴重影響了道路的施工質(zhì)量。為保證公路路基的安全與穩(wěn)定性，在公路建設(shè)工程中必須對軟土地基進行置換或加固。常見的處理方法有換填法、注漿法、真空預(yù)壓法、強夯法等。在滿足技術(shù)要求的前提下，注漿法與其他方法相比，具有環(huán)保、節(jié)省工期和成本的優(yōu)勢。

針對目前注漿理論的研究現(xiàn)狀，朱子靳[3]通過對劈裂注漿加固技術(shù)在路基養(yǎng)護維修中的作用機理展開具體分析，得出該方法可以提升路基的強度與穩(wěn)定性；張家奇等[4]研制的新型綜合注漿加固試驗系統(tǒng)，既能保證密封性，實現(xiàn)高壓注漿，同時又能滿足注漿加固過程中對力學(xué)分析、加固體力學(xué)性能測試等的需求；周逸等[5]運用Comsol和FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，得到了漿液的擴散半徑以及加固的整體效果，但由于注漿完成后，漿液在土體內(nèi)部的壓力變化和漿脈路徑具有不可見性，很難對注漿的內(nèi)部實際效果進行描述。

本文通過相似原理，將現(xiàn)場施工轉(zhuǎn)換為室內(nèi)模型試驗進行注漿，在7 d后達到凝固狀態(tài)時進行拆模，通過對比各個方位所測得的壓力以及拆模后的漿脈結(jié)石圖形，分析壓力以及漿脈路徑的變化規(guī)律。

1 工程背景

湖北省黃石市陽新縣308省道興國至富池段公路改建工程項目中，(K28+469)～(K28+649)段存在一定深度的軟土地基。地質(zhì)勘探出軟粘土層物理力學(xué)指標見表1。

表1 地質(zhì)勘探出軟粘土層物理力學(xué)指標

2 方案設(shè)計

2.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

試驗主體模型由4塊規(guī)格為800 mm×1 210 mm ×10 mm的亞克力板通過螺栓固定拼接而成。模型設(shè)計與實物如圖1所示。

圖1 模型設(shè)計與實物

2.2 滲壓計的布設(shè)

滲壓計是用來檢測不同深度與擴散范圍的土層在注漿時的壓力。儲華平等[6]通過相關(guān)性分析、誤差分析等方法，得出振弦式滲壓計的測量精度和長期穩(wěn)定性都可以滿足檢測需要。因此試驗選用振弦式滲壓計，埋設(shè)時以注漿管為中心，選定3個相互垂直的方向進行檢測。滲壓計埋設(shè)方式及順序編號如圖2所示。

(a) 正視圖 (b) 俯視圖

(c) 順序編號

2.3 漿液的配合比

漿液為水泥混合漿液，配置原料為水泥、A劑、B劑。水泥選用華新水泥廠的普通硅酸鹽42.5級水泥，A劑和B劑從市場上購買。水泥摻入量為軟土質(zhì)量的2.5%，水膠比為1∶1，A劑含量為水泥用量的4%，B劑含量為水泥用量的1%。

2.4 試驗方法

目前，最常用的一種注漿方式為劈裂注漿，即將水泥復(fù)合漿液從注漿孔注入軟土地基中，當漿液產(chǎn)生的壓力大于劈裂壓力時，發(fā)生劈裂[7]。漿脈的走向與劈裂過程有密切關(guān)系。

將原狀土分層鋪在模型中，并將滲壓計按照圖2所示順序埋設(shè)于各個土層，固結(jié)24 h后開始注漿。將配置好的漿液用注漿機從預(yù)埋的PVC梅花孔注漿管注入模型內(nèi)，注漿時間控制在1 min內(nèi)，并實時記錄滲壓計的壓力變化。注漿完畢后，養(yǎng)護7 d，拆開模型，去除軟土，得到漿脈。

3 不同方向壓力變化分析

通過埋設(shè)在不同土層中的滲壓計收集壓力數(shù)據(jù)，觀察在注漿時間內(nèi)土體內(nèi)部壓力的變化，對土體的劈裂過程進行研究。注漿所形成的漿脈實際形狀及實際尺寸如圖3所示。

(a) 實際形狀

(b) 實際尺寸

3.1 豎直方向壓力分布

以豎直方向2-9-10-17-18線上各個滲壓計測得的壓力數(shù)據(jù)為例，繪制豎直方向的壓力變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，各滲壓計的壓力變化趨勢大致相同。

圖4 豎直方向的壓力變化曲線

以最底層的2號滲壓計為例，漿液緩慢注入土體時，主要填充土體內(nèi)的空隙，壓力較小。隨著空隙慢慢被填充完成，壓力逐漸聚集，注漿時間為11 s時，最底層壓力達到一個峰值29 kPa，即為啟裂壓力[8]。0～11 s為漿液填充空隙階段。從11 s左右的壓力分布來看，越靠近底層，壓力越大，說明啟裂壓力與深度成正比關(guān)系。

11 s后的壓力明顯降低，漿液壓力使土體內(nèi)部劈裂出現(xiàn)裂縫。由于模擬的土層是由人工鋪筑，各層比較均勻，不存在明顯的軟弱破裂面，裂縫產(chǎn)生在阻力最小部位。此段沿程壓力在一定范圍內(nèi)持續(xù)波動并有一定的增長，表明此階段漿液沿著裂縫不斷填充空隙，并不斷發(fā)展裂縫，直到28 s時壓力再次達到最大峰值38 kPa，即為極限劈裂壓力。此時，因啟裂壓力形成的裂縫及擴大延伸已經(jīng)全部被填充完畢，若要使土體產(chǎn)生新的裂縫，或使初始裂縫進一步加深，則需要對土體施加一個更大的壓力。11～28 s為土體的啟裂與裂縫的填充擴大階段。

28 s后的沿程壓力持續(xù)波動，表明再次劈裂的裂縫被漿液填充，并進一步擴大發(fā)展，直至壓力最終迅速下降，此時漿液從模型空隙中完全流出，注漿全部完成。此階段為土體的極限劈裂與裂縫填充完成階段。

3.2 水平方向壓力分布

以最底層2-3-4-5和2-6-7-8兩條線的滲壓計測得的壓力數(shù)據(jù)為例，繪制水平方向的壓力變化曲線如圖5所示。

(a) 2-3-4-5線壓力變化 (b) 2-6-7-8線壓力變化

注漿開始后，水平方向上不同位置滲壓計的壓力數(shù)值區(qū)別不大，整體變化趨勢基本與豎直方向壓力變化相同。隨著注漿進程的發(fā)展，土體中同樣存在二次峰值，即啟裂壓力與極限劈裂壓力。

不同注漿時間水平方向上不同深度處注漿峰值壓力見表2。在11 s時，2號滲壓計數(shù)值為29 kPa，最遠端的5號與8號數(shù)值分別為27 kPa與26 kPa，而近處3號與6號的數(shù)值分別為29 kPa與27 kPa；在28 s時，2號滲壓計數(shù)值為38 kPa，最遠端的5與8號數(shù)值分別為35 kPa與36 kPa，近處3號與6號的數(shù)值分別為37 kPa與38 kPa。由此說明注漿峰值壓力是由注漿孔向壁面處消散，同一時刻不同方向上注漿峰值壓力有所不同。這與土層內(nèi)部滲透率、各向異性的實際情況是相關(guān)的。

表2 不同注漿時間水平方向上不同深度處注漿峰值壓力 kPa

3.3 壓力分布與形成漿脈的對比

綜合豎直和水平方向上的壓力變化與注漿完成后形成的漿脈圖(圖3)來看，淺層土層較深層土層而言，其啟裂壓力與極限劈裂壓力都相對較小。因此通道優(yōu)先在所需壓力較小的土層面打開，從漿脈圖上來看，直觀表現(xiàn)為形成以注漿孔為中心，向四周擴散的漿脈，并且淺層土層的漿脈較深層土層更廣，也就是注漿的深度越深，相應(yīng)的漿液實際擴散半徑越小，這與注漿完成后得到的漿脈的實際形狀是一致的。

4 結(jié)論

1)通過室內(nèi)注漿模型再現(xiàn)公路軟土地基中注漿的內(nèi)部壓力變化和漿脈分布，發(fā)現(xiàn)注漿加固過程可分為漿液填充空隙、土體的啟裂與裂縫的填充擴大、土體的極限劈裂與裂縫填充完成3個階段，同時存在二次劈裂，從注漿峰值壓力上體現(xiàn)為啟裂壓力與極限劈裂壓力。

2)隨著深度增加，劈裂土體所需壓力逐漸增大，注漿峰值壓力沿深度方向逐漸增大，漿脈擴散半徑沿深度方向逐漸減小。這與土層上覆土壓力、已注漿液的自重及漿液的沿程壓力消耗密切相關(guān)。