楊 棟，王軍朝，石勝偉，楊東旭

（中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都611734）

帕隆藏布流域是我國海洋性冰川最重要的發(fā)育區(qū)，存在大量的冰川遺跡，形成為數(shù)眾多的松散堆積體，孕育著密集的地質(zhì)災(zāi)害。冰磧物堆積體存在3 種不同結(jié)構(gòu)，其中以淺表冰磧層降雨蠕滑型最為常見。冰磧物是由粘粒、粉粒、砂、礫石和漂石組成的非成層的冰川沉積土，其特征是粒級(jí)級(jí)配寬、粒度極不均勻，且固結(jié)程度差異極大［1-3］。失穩(wěn)的冰磧物斜坡往往存在較多架空結(jié)構(gòu)，且固結(jié)程度欠佳。針對(duì)上述情形，擬對(duì)架空結(jié)構(gòu)較多、固結(jié)程度欠佳的冰磧物斜坡進(jìn)行一定網(wǎng)點(diǎn)密度的鋼花管注漿加固試驗(yàn)，以填充冰磧物中架空結(jié)構(gòu)，并在壓力注漿下形成球形或類柱狀結(jié)石體，極大改善冰磧物物理力學(xué)特征，并形成類似樁土“土拱效應(yīng)”，從而達(dá)到加固冰磧物不穩(wěn)定斜坡的目的。

注漿加固松散堆積體既可改善巖土體的穩(wěn)定性，又可保留原有坡面進(jìn)行綠化，是一種經(jīng)濟(jì)、有效且環(huán)保的技術(shù)手段，因此應(yīng)用較為廣泛。雷進(jìn)生［4］以三峽庫區(qū)廣泛存在的碎石土地基為工程研究背景，考慮非均質(zhì)土物性參數(shù)空間分布的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性、注漿參數(shù)的動(dòng)態(tài)和時(shí)變特性及滲流場與應(yīng)力場的流固耦合作用，探討了非均質(zhì)松散巖土體漿液隨機(jī)擴(kuò)散過程。牛小玲等［5］在喀喇昆侖公路隧道洞頂松散崩坡積體進(jìn)行注漿加固試驗(yàn)研究，其注漿擴(kuò)散半徑為 9～18 cm。孫子正等［6］、楊樹才等［7］、李術(shù)才等［8］研究了軟流塑地層注漿加固機(jī)理，對(duì)注漿加固的可行性、注漿加固范圍、注漿施工及加固效果進(jìn)行了探討。周科峰等［9］對(duì)順層邊坡加固機(jī)理進(jìn)行了探索。王成華等［10］開展了粒狀碎屑溜砂坡注漿樹根樁技術(shù)研究，注漿深度1 m，壓力為0.2～0.3 MPa。路文琴等［11］使用斜導(dǎo)管注漿框架梁加固路堤邊坡。為方便研究注漿加固機(jī)理，張家奇等［12］研制了一套新型多功能綜合注漿加固試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功應(yīng)用于斷層角礫介質(zhì)注漿加固室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分別從應(yīng)力響應(yīng)-傳遞特征、加固體強(qiáng)度增長規(guī)律及加固模式等方面探究了斷層角礫介質(zhì)的注漿加固機(jī)理。目前關(guān)于鋼花管注漿加固松散冰磧物斜坡的研究較少，其注漿加固范圍、加固機(jī)理、設(shè)計(jì)及施工是亟待解決的問題。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)概況

1.1 現(xiàn)場試驗(yàn)點(diǎn)概況

地理位置：位于波密縣玉普鄉(xiāng)政府對(duì)岸的格巴村，加桑隆巴匯入帕隆藏布的匯口兩岸，為末次冰期的側(cè)磧壟，可見多期次堆積，如圖1 中A、B、C 所示，至少可分為3 個(gè)不同時(shí)期的堆積。冰川主谷走向約19°，為寬大的U 形谷，且多處存在堰塞體。冰磧壟在溝口兩側(cè)呈不對(duì)稱分布，左岸壟長約900 m，寬度范圍700 m；右岸壟長930 m，寬度范圍約1120 m，平均壟高60 m。壟內(nèi)側(cè)坡面長度約100 m，平均寬度930 m，前緣高程最低為3220 m，后緣高程最高為3350 m，最大高差 130 m，坡向 115°，平均坡度約37.3°，坡形基本為直線形，微地貌屬于緩坡，平面形態(tài)呈長條形。溝谷兩側(cè)由于修建公路及水渠，發(fā)育多處淺層溜滑（見圖1）。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)全貌Fig.1 Test point panorama

冰磧壟頂部可見大量冰漂礫分布，粒徑多為0.5～1.5 m，最大可見3 m×2 m 巨石，礫石母巖為晚石炭統(tǒng)來姑組變質(zhì)砂巖。經(jīng)現(xiàn)場顆分試驗(yàn)及側(cè)窗分析其粒徑大小，冰磧土粒徑以6 cm 以下含量居多，物質(zhì)整體呈灰白色，較松散且存在大量架空結(jié)構(gòu)（見圖2）。

圖2 斜坡物質(zhì)Fig.2 Exposed substances

1.2 注漿方案

由于藏區(qū)屬于生態(tài)脆弱區(qū)，土壤層較薄，為盡量減少對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)環(huán)境的影響，地面以下1 m 深度范圍內(nèi)不使用壓力注漿，在中空注漿錨桿孔下1 m處，設(shè)置特制的止?jié){塞，在1～2 m 深度范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固，通過漿液填充架空結(jié)構(gòu)及入滲土體孔隙來加固土體，增加斜坡的自穩(wěn)性，而坡面則進(jìn)行植物護(hù)坡（見圖3）。

圖3 冰磧物不穩(wěn)定斜坡鋼花管注漿加固示意Fig.3 Sketch of grouting reinforcement

因所加固冰磧物為欠固結(jié)、顆粒級(jí)配寬的土石混合體，成孔較難，極易產(chǎn)生垮孔、卡鉆等現(xiàn)象，且部分冰磧物不穩(wěn)定斜坡坡高較高、交通不便，因此考慮輕型成孔、注漿工藝，具體如下。

（1）成孔：主要設(shè)備及材料為3.5 m3空壓機(jī)、YT28 型鑿巖機(jī)及空心自鉆式錨桿。鉆桿為1 m+1 m，其中下部1 m 鉆桿上鉆有直徑10 mm、間距20 cm 呈螺旋型分布的小孔。

（2）上部封閉：在上部1 m 處進(jìn)行封閉。將土工布包裹在鉆桿周圍，使用水灰比0.5 的水泥漿液自重灌漿，待其凝固后，再進(jìn)行下一步注漿。

（3）注漿：在上部封閉12 h 后，進(jìn)行注漿試驗(yàn)。注漿主要設(shè)備及材料：3.5 m3空壓機(jī)、空心自鉆式錨桿及氣動(dòng)式注漿泵。由于注漿量較少，可用人工攪拌的方式進(jìn)行。水灰比按照設(shè)計(jì)應(yīng)控制在0.5、1 及2。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害治理工程施工技術(shù)手冊(cè)》，注漿壓力以不掀動(dòng)巖體為原則，該處注漿深度較淺，故擬定注漿壓力分別為 0.5、1、1.5 MPa 及 2 MPa。注漿時(shí)應(yīng)記錄注漿時(shí)間、注漿壓力變化、注漿量、終止壓力等。當(dāng)注漿孔周圍土體有返漿現(xiàn)象時(shí)，說明當(dāng)前注漿壓力與土體結(jié)構(gòu)下，注漿達(dá)到飽和無法再注入漿液，結(jié)束注漿。

（4）開挖：注漿完成2 周后，使用挖機(jī)開挖，觀測(cè)記錄結(jié)石體形狀，取樣、送檢。主要檢測(cè)指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗剪強(qiáng)度參數(shù)。并取相應(yīng)深度土樣進(jìn)行檢測(cè)，主要包括土體的重度、含水量、滲透系數(shù)、孔隙率、顆粒級(jí)配、抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 冰磧物有效加固半徑

現(xiàn)場根據(jù)不同水灰比及注漿壓力，共進(jìn)行15 組現(xiàn)場試驗(yàn)，記錄其終孔壓力、注漿時(shí)間及注漿量，結(jié)果見表1。

表1 注漿試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Table 1 Grouting test data

根據(jù)目前已有的理論有球形結(jié)石體理論、柱形結(jié)石體理論，假設(shè)結(jié)石體的形狀為球形或者柱形，注漿速率恒定，則擴(kuò)散半徑與滲透系數(shù)、注漿孔半徑、注漿時(shí)間、漿液粘度比相關(guān)，注漿時(shí)間越長則擴(kuò)散半徑越大。實(shí)際上本次現(xiàn)場試驗(yàn)開挖注漿結(jié)石體發(fā)現(xiàn)，由于冰磧物特有的架空結(jié)構(gòu)使得其滲透性質(zhì)存在很大的不均勻性，漿液沿著優(yōu)勢(shì)滲流路徑擴(kuò)展較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)達(dá)到1.7 m；且由于注漿難度不同，注漿速率很難保持恒定，實(shí)際上，影響注漿時(shí)間的因素很多，與注漿泵壓力、流量有關(guān)（壓力與時(shí)間的乘積并不等于注漿量），還與采取的工藝相關(guān)。實(shí)際操作時(shí)并非時(shí)間越長注漿量越大，個(gè)別孔由于注漿困難，耗時(shí)長，但注漿量小。現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，由于記錄了實(shí)際注漿量，因此，選擇使用地基處理規(guī)范中的公式計(jì)算有效加固半徑：

式中：Q——注漿量（取值按照現(xiàn)場試驗(yàn)記錄），L；l——注漿長度，此處取1 m；n——孔隙比，根據(jù)巖礦測(cè)試中心出具的室內(nèi)試驗(yàn)報(bào)告，該點(diǎn)孔隙率約為1。

開挖后發(fā)現(xiàn)，由于鉆頭直徑為75 mm，鉆桿直徑為51 mm，中間有較大空隙，漿液在空隙中和孔周土體形成硬殼層，其半徑為8～10 cm。有效半徑、最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離、硬殼體半徑如圖4 所示。

圖4 冰磧物注漿加固試驗(yàn)擴(kuò)散半徑Fig.4 Diffusion radius of grouting tests

本次冰磧物淺表層注漿試驗(yàn)的有效加固半徑為20～55 cm，其符合期望為27.14 cm、方差9.07362 的正態(tài)分布（見圖5）。

圖5 擴(kuò)散半徑正態(tài)分布檢驗(yàn)Fig.5 Distribution of diffusion radius

2.2 加固后土體物理力學(xué)性質(zhì)

將原土樣、加固后土體及開挖出的硬殼層采取一定數(shù)量樣本送檢，其力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表2 所示，需要指出的是，由于冰磧物原狀土樣難以獲得，而且室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)剔除了粒徑較大的礫石，因此室內(nèi)試驗(yàn)難以反映真實(shí)的土體力學(xué)性質(zhì)，但可以作為對(duì)比。從表2 中可見，加固后土體（TR）與原土體（TY）相比，其粘聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量均得到了改善，豎直滲透系數(shù)變?。欢矚樱╕K）的抗壓強(qiáng)度達(dá)到21 MPa。

表2 注漿加固實(shí)驗(yàn)力學(xué)測(cè)試結(jié)果Table 2 Mechanical test results

2.3 合理注漿壓力及水灰比

單孔注漿量與注漿壓力及水灰比的關(guān)系見圖6。由圖6 可見，注漿壓力越大，單孔注漿量越大，但其趨勢(shì)線斜率較緩，增長得并不快，且在淺層注漿加固中，不易保持較穩(wěn)定的壓力，因此注漿壓力使用0.5～1.0 MPa 即可。漿液水灰比0.5 時(shí)，可灌性較差，滲透性太差，而水灰比2 時(shí)，漿液太稀，無法保證加固效果。水灰比2、1 時(shí)比較適宜。

圖6 注漿量與水灰比及注漿壓力關(guān)系Fig.6 Curve of grouting volume vs water/cement ratio and grouting pressure

2.4 基于土拱效應(yīng)的數(shù)值模擬

基本假定：

（1）有效注漿加固區(qū)為一圓柱體。

（2）加固柱體非剛性。

由于冰磧物裂縫分布的隨機(jī)性大大增加了計(jì)算難度，為方便計(jì)算，假定有效注漿加固區(qū)為一圓柱體；以往討論合理樁間距多假定抗滑樁為剛體，不產(chǎn)生水平位移［13-16］。由于注漿加固體與剛度較大的抗滑樁不同，它與土體一樣會(huì)產(chǎn)生位移。

使用巖土計(jì)算軟件FLAC3D 建立如下簡化后的冰磧物淺層滑動(dòng)三維計(jì)算模型（見圖7），滑床及滑體均為冰磧物，滑面設(shè)置為水平接觸面，模型荷載為均布荷載10 kPa，按照不同的距徑比（s/r）進(jìn)行模擬。

圖7 花管注漿加固試驗(yàn)計(jì)算模型Fig.7 Sketches for numerical simulation

計(jì)算參數(shù)見表3。土體、滑床采用彈塑性模型，其中土體彈性模量取壓縮模量的5 倍，滑面采用接觸面模型，注漿孔采用FLAC3D 自帶樁單元建模，其孔徑為有效加固半徑，計(jì)算中取r=25 cm，剪切耦合彈簧內(nèi)聚力為1.3×108Pa，剛度1.0×109Pa，內(nèi)摩擦角40°；法向耦合彈簧內(nèi)聚力為1.3×108Pa，剛度1.0×109Pa，內(nèi)摩擦角40°?？紤]到有效加固區(qū)內(nèi)存在硬殼層及未拔出的注漿鋼管，其彈性模量綜合考慮后取彈模為5.0×108Pa。

表3 花管注漿加固試驗(yàn)數(shù)值模擬參數(shù)Table 3 Numerical simulation parameters

按照距徑比分別為 4、6、8、9、10 進(jìn)行計(jì)算，由于規(guī)律的相似性，限于篇幅，本文重點(diǎn)討論距徑比為8和9 時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。不同埋深下（離滑面距離z=1.5、1、0.5、0 m）的位移云圖及應(yīng)力云圖見圖 8 和圖 9（二圖中的 a、b、c、d 為位移云圖，e、f、g、h 為應(yīng)力云圖）。

圖8 距徑比為8 時(shí)的位移云圖、應(yīng)力云圖Fig.8 Displacement cloud and stress cloud map when the distance to radius ratio is 8

圖9 距徑比為9 時(shí)的位移云圖、應(yīng)力云圖Fig.9 Displacement cloud and stress cloud map when the distance to radius ratio is 9

距徑比為8 時(shí)，z=1～1.5 m，位移拱不明顯，加固區(qū)土體位移大于非加固土位移，這是因?yàn)橛捎诩庸讨w下部受力大于上部受力，在土壓力的作用下產(chǎn)生指向坡外的位移，而由于其剛度遠(yuǎn)大于周圍土體，則加固柱體上部也產(chǎn)生指向坡外的位移或者位移趨勢(shì)；z=0～1 m 時(shí)，位移拱明顯，加固區(qū)土體位移大于加固柱體的位移，柱體前土體被楔緊，形成拱形；注漿有效加固區(qū)的水平位移明顯小于其他部分土體位移，可視為拱支座。其兩排注漿加固體x方向應(yīng)力也相應(yīng)呈明顯的拱形分布，說明此時(shí)兩排注漿加固體能協(xié)調(diào)工作，共同發(fā)揮作用；滑面以上2/3范圍內(nèi)，由于外力的作用，在兩排注漿加固柱體前均形成了有限的位移拱，且能共同發(fā)揮抗滑作用。

距徑比為 9 時(shí)，z=0～1.5 m 處，未加固區(qū)土體位移大于加固柱體的位移，但位移云圖不呈拱形分布，且除加固柱體附近外，中間土體與加固區(qū)后土體位移一致，有繞加固柱體運(yùn)動(dòng)的跡象；從x方向應(yīng)力云圖來看，z=0～1 m 時(shí)，加固柱體外圍產(chǎn)生應(yīng)力脫空，說明未加固土體已繞過柱體運(yùn)動(dòng)。

綜上，距徑比應(yīng)不大于8，據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，合適的注漿孔間距約為2 m。

3 結(jié)論

（1）隨著災(zāi)害治理的生態(tài)化需求越來越突出，淺表層崩滑帶注漿加固技術(shù)將改善巖土體性質(zhì)與坡面綠化結(jié)合起來，在生態(tài)脆弱區(qū)、景區(qū)災(zāi)害治理中有較好的前景。且冰磧物由于自身具有較多架空結(jié)構(gòu)，因此注漿加固是一種較好的防治對(duì)策。

（2）本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算表明，冰磧物淺表層注漿有效加固半徑為20～55 cm，注漿加固后土體粘聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量均得到了改善，豎直滲透系數(shù)變小，其注漿壓力宜采用0.5～1.0 MPa；水灰比宜選用 1∶0.5、1∶1；注漿孔間距與有效加固半徑的比值不宜大于8。

（3）由于研究區(qū)處于藏區(qū)，交通不便，因此提出3.5 m3空壓機(jī)、YT28 型鑿巖機(jī)、空心自鉆式錨桿及氣動(dòng)式注漿機(jī)的施工工藝，設(shè)備輕便，施工效率較高。

（4）冰磧物的各向不均勻性較為顯著，本文未討論其空間分布的隨機(jī)性對(duì)其加固力學(xué)行為的影響，是后續(xù)研究的重點(diǎn)方向。