高聚物注漿在滑坡治理中的應(yīng)用研究

王玉成

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖 734000）

高聚物誕生于20個(gè)世紀(jì)70年代末期，其是將樹(shù)脂和固化劑按照一定的比例調(diào)和，并注入一定的混合試劑，使其迅速膨脹，形成一種具有抗壓性、抗拉性和高強(qiáng)度的泡沫固體，有助于高聚合注漿效果。結(jié)合其生產(chǎn)條件，高聚物注漿具有高強(qiáng)度、高膨脹性以及耐久性質(zhì)和灌注效能。該注漿高聚合物注漿技術(shù)靈活，運(yùn)輸方便，可以完成多種設(shè)備的裝配和運(yùn)輸管理，適合于多種工程建設(shè)管理，甚至是人力運(yùn)輸方式。目前，高聚物材料已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于建筑工程和道路工程，如地基加固、地下結(jié)構(gòu)防滲漏和堤壩加固處理等。

1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用高聚物注漿治理滑坡的情況

基于高聚物材料及其注漿技術(shù)的一系列優(yōu)勢(shì)，高聚物注漿已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐中。國(guó)外研究中針對(duì)高聚物注漿鐵路道渣進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明，注漿技術(shù)的應(yīng)用可以顯著降低路基沉降量，也可通過(guò)體積膨脹的機(jī)理降低土體結(jié)構(gòu)孔隙，發(fā)揮對(duì)上部荷載作用力的承擔(dān)作用，并且對(duì)地震作用下地基基礎(chǔ)液化問(wèn)題也有一定的處理效果。國(guó)內(nèi)也有研究人員圍繞高聚物注漿材料的基本力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)之上概括分析此項(xiàng)技術(shù)在宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道、上海蘇州河堤防工程、南水北調(diào)工程中的應(yīng)用效果，收效理想。

2 高聚物的特點(diǎn)

聚合物或高聚物又稱(chēng)有機(jī)高分子材料，是一類(lèi)由一種或幾種分子或分子團(tuán)（結(jié)構(gòu)單元或單體）以共價(jià)鍵結(jié)合成具有多個(gè)重復(fù)單體單元的大分子，其分子量高達(dá)104～106。其可以是天然產(chǎn)物，如纖維、蛋白質(zhì)、天然橡膠等；也可以是用合成方法制得的產(chǎn)物，如合成橡膠、合成樹(shù)脂、合成纖維等非生物高聚物。聚合物的特點(diǎn)是種類(lèi)多，密度?。▋H為鋼鐵的1/7～1/8），比強(qiáng)度大，電絕緣性、耐腐蝕性好，加工容易，可滿(mǎn)足多種特種用途的要求，包括塑料、纖維、橡膠、涂料、黏合劑等領(lǐng)域，可取代部分金屬、非金屬材料。

對(duì)比其他材料，高聚物材質(zhì)具有穩(wěn)定的理化性能，這些特性為其優(yōu)化生產(chǎn)、提升運(yùn)用范圍有重要的作用。針對(duì)高聚物注漿運(yùn)用特點(diǎn)，其分為以下幾類(lèi)。

（1）高彈性。高彈性輕度交聯(lián)的高聚物具有典型的高彈性，即變形大、彈性模量小，而且彈性隨溫度升高而增大。橡膠是典型的高彈性材料。

（2）強(qiáng)黏接性。黏彈性高聚物的黏彈性是指高聚物材料既具有彈性材料的一般特性，又具有黏性流體的一些特性，即受力的同時(shí)發(fā)生高彈性變形和黏性流動(dòng)，主要表現(xiàn)在蠕變和應(yīng)力松弛、滯后和內(nèi)耗等現(xiàn)象上。

（3）穩(wěn)定性。在恒定溫度和應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變。應(yīng)力松弛是在應(yīng)變恒定的情況下，應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而衰減的現(xiàn)象。在外力的作用下，高聚物大分子鏈由原來(lái)的卷曲態(tài)變?yōu)檩^伸直的形態(tài)，從而產(chǎn)生蠕變；隨時(shí)間的延長(zhǎng)，大分子鏈構(gòu)象逐步調(diào)整，趨向于比較穩(wěn)定的卷曲狀態(tài)，從而產(chǎn)生應(yīng)力松弛。

（4）耐久性。高聚物透明材料由于透光度高、相對(duì)密度小、絕緣性能良好，而且具有一定的強(qiáng)度和韌性，不似無(wú)機(jī)玻璃那樣容易破碎，加工成型工藝比較簡(jiǎn)單，可以制成透明的板、管、棒以及各種物罩、器皿、光學(xué)鏡片、透明模型等。缺點(diǎn)是使用溫度低，表面硬度小，不耐磨損。

3 高聚物注漿對(duì)滑坡治理的效果和作用

高聚合材質(zhì)在我國(guó)工業(yè)建設(shè)中運(yùn)用廣泛，常見(jiàn)的工程有高速鐵路、隧道以及堤壩等基礎(chǔ)建設(shè)工程，且在多個(gè)領(lǐng)域有著明顯的運(yùn)用價(jià)值。將其運(yùn)用在滑坡治理中，主要體現(xiàn)在增大滑坡抗滑力、增強(qiáng)滑面阻水性、提高滑坡完整性、加固已有重力型治理工程等方面。

（1）增大滑坡抗滑力。高聚物注漿材料灌入滑坡面后可以起到黏結(jié)作用，體積膨脹，減小已產(chǎn)生沉降，形成圓柱狀高聚物樁體，與樁基周邊土體產(chǎn)生黏結(jié)作用，并通過(guò)增加界面摩擦的方式達(dá)到提高承載力水平以及滑坡抗滑力的目的。

（2）增強(qiáng)滑面阻水性。高聚物注漿材料具有良好的隔水性特點(diǎn)，可以通過(guò)灌入滑坡面的方式在短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)，預(yù)防地下水貫穿滑面進(jìn)而導(dǎo)致長(zhǎng)期浸潤(rùn)性滑面產(chǎn)生的問(wèn)題。

（3）提高滑坡完整性。高聚物注漿材料灌入滑坡已有裂縫中，可以對(duì)裂縫進(jìn)行有效充填，并使其黏連形成整體，有效提高滑坡滑弧深度與路徑，避免了淺層滑坡問(wèn)題的產(chǎn)生，對(duì)減小邊坡變形、提高滑坡完整性有重要意義。

4 高聚物注漿和水泥注漿對(duì)比分析

針對(duì)邊坡注漿處理的方法，注漿加固是治理邊坡滑坡問(wèn)題的重要措施。由于水泥硬化時(shí)候的干縮性和水泥漿液凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)的特點(diǎn)，往往會(huì)導(dǎo)致整個(gè)注漿效果處理不明顯。目前，邊坡注漿加固處理的主要途徑包括高聚物注漿及水泥注漿這兩種類(lèi)型。與水泥注漿加固技術(shù)對(duì)比，高聚物注漿的整體效果更為確切。待注漿材料充分混合后可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，自由膨脹比達(dá)到20∶1，對(duì)松散基層的填充效果更為確切，可顯著改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且固結(jié)體有良好的彈性，不易產(chǎn)生脆裂現(xiàn)象，水分不易滲透至內(nèi)部，因而整體加固效果較好。而且高聚物注漿材料前期準(zhǔn)備不復(fù)雜，施工過(guò)程中所需機(jī)械設(shè)備較少，整體難度明顯更低，施工全程有更好的可控性。除此之外，高聚物注漿加固的費(fèi)用低廉，用于邊坡注漿加固處理無(wú)須養(yǎng)生周期，大幅度節(jié)約工期，減少了交通干擾。這些優(yōu)勢(shì)是水泥注漿加固措施所不具備的。

5 高聚物材料注漿的滑坡治理技術(shù)數(shù)值模擬分析

以往的滑坡研究多是分析高聚物材料的使用時(shí)效性，針對(duì)高聚物注漿技術(shù)的基本性能及滑坡的運(yùn)用條件來(lái)看，可以采用針對(duì)性的方式，優(yōu)化滑坡治理效果，也有助于優(yōu)化高聚物材料應(yīng)用管理，對(duì)比其他高聚物材料，相應(yīng)的單位也要做好數(shù)據(jù)處理，并針對(duì)高聚物的注漿管理，做好對(duì)應(yīng)的加固管理和效果分析。此外，根據(jù)高聚物材料的使用特點(diǎn)，若貿(mào)然進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可能會(huì)造成不必要的損失，采用邊坡有限元分析及數(shù)據(jù)模擬計(jì)算的方式，有助于推算邊坡安全系數(shù)，做好對(duì)應(yīng)的變形管理，實(shí)現(xiàn)加固處理質(zhì)量。

此次研究針對(duì)高聚物的材質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合有限元分析及參數(shù)化模擬方式檢驗(yàn)高聚物的作用。首先，建立單元厚度為基準(zhǔn)的有限元模型，假設(shè)虛擬邊坡尺寸為高20m，邊坡比例為1∶1，設(shè)計(jì)虛擬邊坡為26.3°，將其細(xì)化為5000個(gè)單元和8000個(gè)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)模型的底部采用鉸支處理方式，控制其左右位移；整個(gè)模型也采用軸向唯一管理方式。對(duì)比整個(gè)高聚物加固處理方式，土體材料參數(shù)采用摩爾-庫(kù)倫模型處理方法，運(yùn)用強(qiáng)度拆減的計(jì)算方式了解邊坡的穩(wěn)定性。為了保證計(jì)算的針對(duì)性，整個(gè)高聚物設(shè)計(jì)成了柱狀的模式，高聚物邊坡土體的加固采用混合土顆粒黏結(jié)，以此來(lái)提升土層的強(qiáng)度。

經(jīng)過(guò)虛擬模擬后，整個(gè)高聚物的注漿加固前后安全系數(shù)對(duì)比明顯。研究結(jié)果顯示，土體黏凝聚力差，整個(gè)應(yīng)變最大位置僅位于邊坡表面，經(jīng)過(guò)高聚物注漿加固后，邊坡滑動(dòng)模式也從以往的淺層控制轉(zhuǎn)向成為深層次滑動(dòng)模式。加固后，整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)提升，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)也從原來(lái)的1.32增強(qiáng)到了1.39。該方式也表示了高聚物注漿滑坡運(yùn)用的價(jià)值和有效性。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理分析，加強(qiáng)高聚物注漿滑坡處理，是增加邊坡深度和弧度的重要途徑，也是提高邊坡系數(shù)的重要方式。經(jīng)過(guò)高聚物注漿前后的位置移動(dòng)分析，淺表層滑動(dòng)趨勢(shì)明顯，邊坡變形集中于坡面，且位移水平高的地方，其滑弧運(yùn)動(dòng)基本一致，整個(gè)唯一的變動(dòng)也會(huì)有所改變。邊坡的位移增加，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后，坡面的位置和位移運(yùn)動(dòng)變化明顯，這表示高聚物注漿處理后，可以控制滑坡的位移量，有效控制了滑坡的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。

6 結(jié)果和評(píng)價(jià)

分析高聚物注漿加固的變形情況，虛擬實(shí)驗(yàn)中，技術(shù)人員要分析加固前后坡體的穩(wěn)定性，采用有限元分析方式，觀察注漿對(duì)整個(gè)邊坡的深度以及路徑影響，要不斷減少前表面滑坡問(wèn)題，增加整個(gè)體系的安全系數(shù)，減少邊坡位移問(wèn)題。經(jīng)過(guò)有限元論證分析，可以加強(qiáng)高聚物的濃度注漿，增加滑弧的深度和路徑，避免嚴(yán)重的二次滑坡問(wèn)題，更能夠減少1/3的位移。經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)論證分析，采用合理可行的加固方式也對(duì)優(yōu)化高聚物材料的生產(chǎn)使用有重要價(jià)值。經(jīng)過(guò)相應(yīng)的研究闡述可知，為減少二次滑坡，建議技術(shù)人員設(shè)計(jì)更為精準(zhǔn)、具體的計(jì)算模型，做好參數(shù)計(jì)算工作，并根據(jù)不同的尺寸、坡度以及非均值邊坡進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算，不斷驗(yàn)證邊坡數(shù)據(jù)計(jì)算的合理性，保證人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

針對(duì)滑坡問(wèn)題及獨(dú)特的地質(zhì)條件來(lái)看，要對(duì)處理環(huán)境采用可行的治理方法和手段。高聚物材料在巖土工程中有一定的運(yùn)用價(jià)值，其具有化學(xué)性能穩(wěn)定、材質(zhì)性能強(qiáng)度高、凝結(jié)時(shí)間短以及隔水性、耐久性好的特點(diǎn)，創(chuàng)新高聚物注漿治理工程技術(shù)，有助于增大滑坡抗滑力、增強(qiáng)滑面阻水性、提高滑坡完整性、加固已有重力型治理工程，達(dá)到有效治理滑坡的目的。