軟土地區(qū)鄰近鐵路高壓旋噴樁施工室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

李世鑫 孫春輝 周星宇 張帥張建經(jīng)汪洋

1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京100048；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610500；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031

自20世紀(jì)70年代日本發(fā)明單管噴射注漿法以來(lái)，各種噴射注漿新工法不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大［1］。高壓旋噴成樁過(guò)程中，大量高壓水泥漿持續(xù)注入土中產(chǎn)生較大的膨脹作用，這種膨脹作用勢(shì)必會(huì)使周邊一定區(qū)域內(nèi)土體產(chǎn)生變形。當(dāng)施工區(qū)處于鐵路附近尤其是在鐵路橋墩周邊時(shí)，高壓旋噴樁施工過(guò)程中產(chǎn)生的高壓射流將對(duì)周圍橋墩產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，如有不慎將引發(fā)工程事故［2-3］。因此有必要對(duì)旋噴樁施工過(guò)程中漿液流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。

文獻(xiàn)［4］建立了二維高壓旋噴樁注漿模型，分析在高壓旋噴樁施工過(guò)程中樁間距、樁體彈性模量、填土高度等對(duì)地基加固效果的影響。文獻(xiàn)［5-8］根據(jù)圓孔擴(kuò)張理論，考慮到施工時(shí)的土層參數(shù)及旋噴參數(shù)，提出了二維平面條件下高壓旋噴樁施工引起地表變形的分析方法。文獻(xiàn)［9-10］在分析高壓噴射注漿法地基加固機(jī)理的基礎(chǔ)上，引入面積置換率的概念，依據(jù)土的彈塑性力學(xué)和文獻(xiàn)［11］圓孔擴(kuò)張理論，推導(dǎo)了高壓旋噴樁施工中土體應(yīng)力增量的理論計(jì)算公式，并得到高壓旋噴樁成樁時(shí)的超孔隙水壓力理論計(jì)算公式。

本文采用自主研發(fā)的高壓旋噴注漿模擬設(shè)備開展軟土中高壓旋噴注漿試驗(yàn)，分析不同注漿壓力下土體超靜孔隙水壓力的變化以及鐵路橋墩的位移，以獲得高壓旋噴注漿過(guò)程中土體變形規(guī)律，為類似軟土中高壓旋噴注漿工程提供參考。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 高壓旋噴注漿系統(tǒng)

為研究軟土中高壓旋噴注漿對(duì)周邊鐵路橋墩的影響，自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一套室內(nèi)高壓旋噴注漿裝置。該裝置主要包括增壓裝置、儲(chǔ)泥裝置、注漿裝置三部分。試驗(yàn)裝置各模塊見(jiàn)圖1。

增壓裝置主要由空氣泵組成，可以提供穩(wěn)定的注漿壓力。儲(chǔ)泥裝置主要由儲(chǔ)泥罐、壓力表、注漿口、球閥、出漿口、通氣孔組成。注漿口、通氣孔、壓力表在儲(chǔ)泥罐頂部，注漿口蓋板由四根螺栓固定且拆卸方便，通氣孔可以快速釋放儲(chǔ)泥裝置中殘余壓力，壓力表可以觀測(cè)儲(chǔ)泥罐中壓力變化，出漿口設(shè)置在儲(chǔ)泥罐底部，在罐中壓力值達(dá)到預(yù)定值時(shí)，打開球閥，高壓水泥漿可以從儲(chǔ)泥罐以高壓形式流出。注漿裝置由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、提升電機(jī)、控制模塊、噴漿桿、高壓軟管組成。旋轉(zhuǎn)電機(jī)與提升電機(jī)可以分別提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，提升動(dòng)力使噴漿桿勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和提升，控制模塊控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)和提升電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

噴漿桿與高壓軟管通過(guò)軸承連接，噴漿桿底部開有兩孔，孔徑3 mm，高壓水泥漿可以從噴孔以高壓形式噴出。注漿設(shè)備的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)用土為重塑現(xiàn)場(chǎng)的原狀土，在試驗(yàn)之前須要將土樣進(jìn)行浸泡，在軟化的同時(shí)增大其含水率，軟土浸泡的過(guò)程中須要定期進(jìn)行攪拌，并補(bǔ)充水分，浸泡時(shí)間約30 d，見(jiàn)圖2。在進(jìn)行土樣填筑之前對(duì)土樣進(jìn)行含水率測(cè)試，待其含水率達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，將土體充分?jǐn)嚢柚箪o置5 h方可進(jìn)行填筑。試驗(yàn)所采用的模型箱長(zhǎng)、寬、高各1 m。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果模型箱邊界對(duì)試驗(yàn)的影響可以忽略不計(jì)［12-13］，因此本次試驗(yàn)不考慮模型箱邊界對(duì)試驗(yàn)的影響。在填筑土樣過(guò)程中每填筑5 cm要對(duì)土樣進(jìn)行一次壓實(shí)，填筑至孔隙水壓力計(jì)預(yù)放位置時(shí)，將孔隙水壓力計(jì)按照使用手冊(cè)放置在相應(yīng)的位置?？紤]到高速鐵路橋墩可以承受較大的豎向荷載而不能承受較大側(cè)向荷載，故采用鋼筋搭接的方式模擬高速鐵路橋墩。

試驗(yàn)所填筑土體高度為0.8 m，土體填筑完成后靜置24 h，之后在試驗(yàn)土體上放置木板，在木板上放置砝碼等重物進(jìn)行堆載，堆載的載荷約為3～5 kPa。在堆載過(guò)程中利用百分表對(duì)土體沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待其沉降穩(wěn)定后，卸除上覆堆載物靜置3 h后測(cè)量不排水抗剪強(qiáng)度并進(jìn)行注漿試驗(yàn)。

2 單樁注漿試驗(yàn)

單樁試驗(yàn)共使用孔隙水壓力計(jì)7個(gè)，布置在距注漿孔中心20、30 cm的橫斷面上。各傳感器（K1～K6）間距30 cm，傳感器K1、K2、K3上覆土20 cm，傳感器K4、K5、K6上覆土50 cm，距離模型箱底部30 cm，傳感器K7布置在距離注漿孔20 cm斷面，K7上覆土50 cm，下部土體高度30 cm，距離模型側(cè)邊50 cm?？紫端畨毫τ?jì)的具體布置如圖3所示。為測(cè)量鐵路橋墩產(chǎn)生的位移，采用激光位移計(jì)對(duì)橋墩橫橋向、順橋向、豎橋向的位移進(jìn)行測(cè)量。

單樁注漿長(zhǎng)度為70 cm，注漿壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa，鉆桿轉(zhuǎn)速20 r∕min，提升速度6 cm∕min。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在堆載結(jié)束后利用便攜式十字板剪切儀對(duì)模型箱中填筑軟土進(jìn)行不排水抗剪強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖4。可知，模型所填土不排水抗剪強(qiáng)度較低，具有觸變性、流變性、高壓縮性、低強(qiáng)度、低透水性、不均勻性等特點(diǎn)，在外加荷載作用下，極易出現(xiàn)剪切破壞，產(chǎn)生較大的沉降。

圖4 不排水抗剪強(qiáng)度變化

在注漿試驗(yàn)過(guò)程中統(tǒng)計(jì)了不同注漿壓力下超靜孔隙水壓力、鐵路橋墩的位移，見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 不同注漿壓力下土體超靜孔隙水壓力

圖6 不同注漿壓力下鐵路橋墩位移

由圖5可知：在注漿過(guò)程中試驗(yàn)的前11 min左右，超靜孔隙水壓力隨著注漿的進(jìn)行不斷增大，在注漿結(jié)束后超靜孔隙水壓力開始逸散。在注漿過(guò)程中隨著深度的增大，在高壓旋噴樁施工過(guò)程中所產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力也逐漸增大，且埋深越大超靜孔隙水壓力增大的幅度也越大。在同一埋深，隨著距高壓旋噴樁距離的增大，土體中的超靜孔隙水壓力減小。注漿壓力0.2、0.3、0.4 MPa時(shí)，土體超靜孔隙水壓力最大值分別為1.75、1.93、2.25 kPa。

由圖6可知：在單樁注漿過(guò)程中高壓旋噴樁施工過(guò)程對(duì)鐵路橋墩的影響主要發(fā)生在橫橋向和豎橋向，在注漿過(guò)程中由于土體受到漿液產(chǎn)生的膨脹作用以及噴桿旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的剪切力產(chǎn)生變形，繼而導(dǎo)致鐵路橋墩產(chǎn)生偏移，而橋墩所產(chǎn)生的位移大小又與樁的布置方式有關(guān)，因而在單樁施工時(shí)會(huì)呈現(xiàn)在在橫橋向和豎橋向位移較大，而在注漿完成后由于土體產(chǎn)生回彈，會(huì)導(dǎo)致鐵路橋墩位移有一定的回彈。注漿壓力0.2、0.3、0.4 MPa時(shí)，鐵路橋墩最大位移分別為0.37、0.70、0.89 mm。

4 結(jié)論

1）在注漿過(guò)程中土體超靜孔隙水壓力隨深度的增加而逐漸增大，且增大的速率也隨深度的增大而增大，在注漿結(jié)束以后超靜孔隙水壓力由于裂縫閉合會(huì)逐漸逸散。

2）單樁注漿過(guò)程中高壓旋噴樁施工過(guò)程中對(duì)土體位移的影響主要發(fā)生橫橋向、豎橋向，在注漿完成后由于土體回彈，鐵路橋墩位移也會(huì)產(chǎn)生一定回彈。

3）高壓旋噴樁施工過(guò)程中對(duì)土體所產(chǎn)生的擠土效應(yīng)以及對(duì)鐵路橋墩的影響是一個(gè)復(fù)雜的累加過(guò)程，在獲得單樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的累加以預(yù)估群樁施工對(duì)橋墩的影響，進(jìn)而采取相應(yīng)措施以降低施工對(duì)鐵路安全運(yùn)營(yíng)的影響。