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(dòng)性大、抗剪強(qiáng)度低、天然含水量高、透水性差、高壓縮性等特點(diǎn)[1-2]，嚴(yán)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(duì)軟土地基進(jìn)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(qiáng)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(shì)。

針對(duì)目前注漿理論的研究現(xiàn)狀，朱子靳[3]通過對(duì)劈裂注漿加固技術(shù)在路基養(yǎng)護(hù)維修中的作用機(jī)理展開具體分析，得出該方法可以提升路基的強(qiáng)度與穩(wěn)定性；張家奇等[4]研制的新型綜合注漿加固試驗(yàn)系統(tǒng)，既能保證密封性，實(shí)現(xiàn)高壓注漿，同時(shí)又能滿足注漿加固過程中對(duì)力學(xué)分析、加固體力學(xué)性能測(cè)試等的需求；周逸等[5]運(yùn)用Comsol和FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了漿液的擴(kuò)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(duì)注漿的內(nèi)部實(shí)際效果進(jìn)行描述。

本文通過相似原理，將現(xiàn)場(chǎng)施工轉(zhuǎn)換為室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行注漿，在7 d后達(dá)到凝固狀態(tài)時(shí)進(jìn)行拆模，通過對(duì)比各個(gè)方位所測(cè)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(xiàng)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(biāo)見表1。

表1 地質(zhì)勘探出軟粘土層物理力學(xué)指標(biāo)

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(jì)與實(shí)物如圖1所示。

圖1 模型設(shè)計(jì)與實(shí)物

2.2 滲壓計(jì)的布設(shè)

滲壓計(jì)是用來檢測(cè)不同深度與擴(kuò)散范圍的土層在注漿時(shí)的壓力。儲(chǔ)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(jì)的測(cè)量精度和長期穩(wěn)定性都可以滿足檢測(cè)需要。因此試驗(yàn)選用振弦式滲壓計(jì)，埋設(shè)時(shí)以注漿管為中心，選定3個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行檢測(cè)。滲壓計(jì)埋設(shè)方式及順序編號(hào)如圖2所示。

(a) 正視圖 (b) 俯視圖

(c) 順序編號(hào)

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(jí)水泥，A劑和B劑從市場(chǎng)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(yàn)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(dāng)漿液產(chǎn)生的壓力大于劈裂壓力時(shí)，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(jì)按照?qǐng)D2所示順序埋設(shè)于各個(gè)土層，固結(jié)24 h后開始注漿。將配置好的漿液用注漿機(jī)從預(yù)埋的PVC梅花孔注漿管注入模型內(nèi)，注漿時(shí)間控制在1 min內(nèi)，并實(shí)時(shí)記錄滲壓計(jì)的壓力變化。注漿完畢后，養(yǎng)護(hù)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(jì)收集壓力數(shù)據(jù)，觀察在注漿時(shí)間內(nèi)土體內(nèi)部壓力的變化，對(duì)土體的劈裂過程進(jìn)行研究。注漿所形成的漿脈實(shí)際形狀及實(shí)際尺寸如圖3所示。

(a) 實(shí)際形狀

(b) 實(shí)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(gè)滲壓計(jì)測(cè)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(jì)的壓力變化趨勢(shì)大致相同。

圖4 豎直方向的壓力變化曲線

以最底層的2號(hào)滲壓計(jì)為例，漿液緩慢注入土體時(shí)，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(shí)間為11 s時(shí)，最底層壓力達(dá)到一個(gè)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(dòng)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(shí)壓力再次達(dá)到最大峰值38 kPa，即為極限劈裂壓力。此時(shí)，因啟裂壓力形成的裂縫及擴(kuò)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(jìn)一步加深，則需要對(duì)土體施加一個(gè)更大的壓力。11～28 s為土體的啟裂與裂縫的填充擴(kuò)大階段。

28 s后的沿程壓力持續(xù)波動(dòng)，表明再次劈裂的裂縫被漿液填充，并進(jìn)一步擴(kuò)大發(fā)展，直至壓力最終迅速下降，此時(shí)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(jì)測(cè)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(jì)的壓力數(shù)值區(qū)別不大，整體變化趨勢(shì)基本與豎直方向壓力變化相同。隨著注漿進(jìn)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(shí)間水平方向上不同深度處注漿峰值壓力見表2。在11 s時(shí)，2號(hào)滲壓計(jì)數(shù)值為29 kPa，最遠(yuǎn)端的5號(hào)與8號(hào)數(shù)值分別為27 kPa與26 kPa，而近處3號(hào)與6號(hào)的數(shù)值分別為29 kPa與27 kPa；在28 s時(shí)，2號(hào)滲壓計(jì)數(shù)值為38 kPa，最遠(yuǎn)端的5與8號(hào)數(shù)值分別為35 kPa與36 kPa，近處3號(hào)與6號(hào)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(shí)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(shí)際情況是相關(guān)的。

表2 不同注漿時(shí)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(duì)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(duì)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(kuò)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(shí)際擴(kuò)散半徑越小，這與注漿完成后得到的漿脈的實(shí)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(kuò)大、土體的極限劈裂與裂縫填充完成3個(gè)階段，同時(shí)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(kuò)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)。