水泥–水玻璃双液注浆三阶段加固模型及其应用_张可能.pdf

第43卷第2期 2015年4月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.2 Apr. 2015 COALGEOLC阳Y residual soil; three-stage model; strengthening mechanism 软弱土层的存在通常是引起边坡、基坑失稳、地 基不均匀沉降、建筑物倾斜等各种工程事故的主要原 因。在处理这类软弱土层引起的地质问题过程中，注 浆加固土体是一种常用的技术［l-2］。近年来，在工程实 践中，人们发明了双液（水泥－水玻璃）注浆加固技术， 用于建筑物软土地基加固［3-6］、边坡加固［7-8］、高速公路 路基加固［9］。水泥一水玻璃浆液初凝时间短且易控制， 早期强度比一般纯水泥浆高，在加固边坡时能减小注 浆引起的土体中孔隙水压力上升对边坡稳定性的影 响，能在短时间内起到加固边坡的作用。其次水泥－ 水玻璃浆液凝结过程中失水少，结石率高，对既有建 筑物不会产生附加沉降［10］。 尽管双液注浆近年来应用很多，但对双液注浆 收稿日期2013-09-07 作者简介国家自然科学基金项目（51408069 模型和加固土体的机理研究得还不多。本文根据在 梆州地区对残坡和、红黠土的双注浆工程实践，研究 双液注浆对残坡积红黠土加固机理，并通过具体双 液注浆工程实例及监测数据分析验证双液注浆加 固机理。 1 梆州市典型残坡积土 梆州地处岭南地区，区域内广泛分布残坡积碎石 土（或全风化泥质粉砂岩）、红蒙古土、煤系土（或称全风 化碳质泥岩、碳质灰岩）、“白膏泥”（或称白色残积土） 等残坡积土。在建设和施工过程中，由残坡积土为主 要物质构成的地质体常常引发边坡变形、滑坡、地基 不均匀沉降以及桩基承载力不足等地质工程问题或 作者简介张可能（1962一），男，湖南邵东人，博士，教授，博士生导师，从事岩土工程基础理论、设计和施工技术 研究和教学工作.E-mail ken 引用格式张可能，黄飞，艾孝军，等水泥－7.玻璃双液注浆三阶段加固模型及其应用［J］.煤田地质与勘探，2015, 432 73-76. ChaoXing 74 煤田地质与勘探第43卷 地质灾害。这其中分布范围较广，危害较大的为残坡 积红勃土。红黠土地层一般上硬下软，土岩界面大多 含水量较大，多呈软塑状或流塑状。由于含水率较高， 红敬土层通常是滑坡很重要的致滑因素，同时也经常 引起路基过大的沉降。 2 双；在注浆加固残坡积土机理分析 2.1 双液注浆模型建立 依据梆州当地残坡积红番土的双液注浆工程实 践经验，参考刘显沐边坡多阶段注浆加固模型［7］，提 出针对残坡积红蒙古土的三阶段双液注浆模型如下 a.初级力口固阶段这一阶段为双液注浆的初始 阶段，在这一过程中，注浆压力较小，双液浆首先沿 着残坡积土体本身较大裂隙或岩石与土体的间隙面 流动，开始充填注浆，而当注浆压力的持续给予，浆 液将向周围孔隙或较小的裂隙渗透，形成渗透注浆 体。此阶段可以简单表述为加注一充填一渗透过程。 初步加固阶段主要表现在双液浆对土体产生填充、渗 透，对土体的径向压力还较小，可以称之为初级加固 阶段。 b.径向压密力口固阶段随着注浆压力持续加 大，浆液变浓，在出浆处附近，双液浆在土中呈球状、 柱状或椭球状扩张，对土体产生径向压力，并使土体 产生弹塑性变形，浆液在该区域积聚形成结石体。在 这个过程中浆液对土体主要是挤密作用，并使土体排 水固结。 c.成桩一顶升阶段随着径向压密加固阶段的 进行，当双液注浆压力进一步持续增大时，土体产生 劈裂。当注浆区域下部地层是稳定的完整基岩或有较 下部地层具有足够的承载力时，注浆压力会达到一个 临界值，这个临界值等于上覆土层的整体抗剪力。此 时注浆孔内会形成柱状注浆体或蘑菇状注浆体，我们 可称之为微型桩。当注浆压力超过临界值后，双液浆 对土体将会产生破坏。此时在宏观上表现为地表出现 隆起或地面出现裂缝，浆液将从裂缝中渗出，注浆对 土体的效果达到极限并开始衰减。一般的双液注浆工 程注浆压力应尽量避免达到临界值，以免破坏土体， 但对一些沉降过大的建筑，有时需要进行“顶升”阶 段，以进行纠偏或部分恢复。 事实上，注浆第一阶段双液浆以填充、渗透为主， 大面积填充土体裂隙和孔隙，还未完全起到加固土体 的作用，但是应看作为第二、三阶段的基础。第二阶 段，双液浆以径向压密为主，此时浆液对土体的应 力作用明显，土体开始产生弹塑性变形。第三阶段， 浆液开始仍有压密土体的作用，但随着注浆压力的 作用，双液浆劈裂土体形成柱状或蘑菇状体，极大 增加土体的强度和压缩模量，此时会对土体产生抬 升作用。 现对双液注浆各阶段理论分析如下 a.初级加固阶段 在裂隙不发育的残坡积红勃土中，双液浆的扩散 渗透可采用文献［11］中提出的公式计算，此时的双液 浆扩散半径rp和注浆压力Po的计算式如下［II] 、tJ l ，，．、 Po＝生LJn＿＿＿二一＋I 2 v 3 21 v）τf 式中E为土体的弹性模量；v为土体的泊松比；而 为球形扩散初始半径，cm；τf为土体的抗剪强度。 b.压密加固阶段 对于双液注浆径向压密阶段作理论分析很难。 为作定量分析作假设如下①土体为理想弹塑性体； ②变形以径向变形为主；③注浆段内压力不损耗， 各处都一样。因为水泥水玻璃浆液在残坡积土中以 挤密为主，可将其简化为圆筒模型。根据Mohr coulomb准则，对压密注浆的注浆半径rp和注浆压 力Po求解如下［12] [ 1叫123 Ps sincco吵＋LlGI、， I 1 LlG 11＋创 I I 4 O I Ps sin扣CCOS扣AGI 式中AC l sin p c tan-c tan功，G＝一互－ 21 为土体剪切模量；Ps为土体的静压力；A为塑性区土 的体积应变；C,/IA“别为土体的蒙古聚力与内摩擦角。 从结果可以看出径向压密加固阶段，注浆管周围 的土体发生了弹塑性变形。另，注浆压力Po与注浆 半径rp的变化存在一定规律。随着Po增大，rp也会 增大，但是rp不会一直增大下去。当Po增大到一定 值，土体会破坏，会导致土体隆起或开裂。 c.成桩一顶升阶段 一般双液注浆工程经历第一、第二阶段就已经完 成，对于第三阶段一般应避免达到临界压力值。对于 这阶段的临界压力Po可用如下公式计算［13] 、1If qdA c I 月二三一｜之一τ一＋－－－－－＝....τByHCI 5 αI 7ta-CO咀tJI 式中Cu为饱和土体不排水抗剪强度；α为修正系数； a为注浆体半径；H为浆体至地面高度；q为荷载集 ChaoXing 第2期张可能等水泥－水玻璃双液注浆三阶段加固模型及其应用 75 度；D为倒圆台上荷载区域；y为土的重度；0为 45＋豆 2 HtanθH2 , 2 Htanθ Cl＋一一一一＋－－－－；－－－阳4θ，B＝一＋一－－；；－一。 a a a a- 2.2 双液注浆加固土体机理分析 双液注浆加固残坡积红蒙古土过程中，土体裂隙、 孔隙被填充、渗透，同时士体也会被劈裂挤密。这都 会使土体的强度增大。可以从如下3个方面解释土体 的强度增长机理。 a.颗粒及界面化学作用水玻璃会和水泥水 化生成的氢氧化钙发生化学反应，生成了凝胶体一一 水化硅酸钙。而水化硅酸钙具有早期强度，本身是 较强的骨架。同时双液浆也会与土体内的物质发生 化学反应形成新的固结体，这些颗粒也会增强土体 的强度。 b.有效应力作用对残坡积土进行双液加固 过程中，浆液对土体有挤压作用，土体的孔隙水压 力也会消散，土体的有效应力会不断加大，有效应 力增加，土的抗剪强度也会相应增大。同时土体发 生排水固结，此过程也会增加土体抗剪强度与压缩 模量。 c.水泥－水玻璃的充填、劈裂作用水泥水玻璃 浆液沿着土体的间隙流动，浆液对间隙进行充填，或 较大压力下劈裂土体。浆液固结后形成骨架，骨架限 制了残坡积土体沿裂隙面滑动及残坡积土的间隙变 形，增强了浆液与土体复合结构的强度，从而提高土 体强度。 3 双液洼浆加固残坡积土路基实例 3.1 工程概况 2012年8月，由于存在不良地基并且处理不到 位，汝梆高速15标K71520的人行通道涵板左幅3、 4、6、7板沉降严重，其中3、7板沉降值已达10cm 以上。图1为沉降最为严重的3号板。 图l汝城高速15标人行通道沉降现场 Fig. I The subsidence of pedes位ianpassageway of the fifth bid sec ion of Ruch en highway 3.2 地层条件 由地表往下 a.种植土灰褐色，软塑，为水田表土，厚0.5m; b.软塑状红和土灰黑色，软塑，厚5.4-4.9m ; c.灰岩微风化，深灰色一灰黑色，隐晶质结 构，中厚层状构造，沿裂隙面有溶蚀现象。 3.3 沉降原因分析 该涵通道底板下为残坡积的软塑红黠土，属于软 弱土体。在路基施工时应清除这一不良地基，但当时 红黠土的处理没有完全到位，仅清除到4.0m位置， 然后用碎石换填处理。路基填方后，在上覆土层作用 下，软塑状红黠土出现压缩变形，进而导致盖板涵底 板和顶板出现沉降。 3.4 施工方案 针对汝梆高速15标K71520的人行通道盖板涵 出现的沉降，采用了双液注浆的方式予以加固。注浆 分三序进行。第 一序孔布设在距离通道左侧壁约 0.60.8 m的位置，第二序孔布设在距离通道右侧壁 0.6-0.8 m的位置；三序孔布设在通道中间位置。注 浆孔深为5～10m，控制标准为必须进灰岩0.5m。每 个注浆孔内放人直径为48mm的注浆管，注浆管长 度距孔底0.5m。注浆采用普通硅酸盐水泥（P.0.42.5 和40。Be水玻璃为主要注浆材料，采用水玻璃调节注浆 液的初凝时间。水灰比0.6. 1-0.8 1。水泥浆液和水 玻璃液体体积比1 0.11 0.15。在注浆过程中浆液浓 度由稀到浓注入。关于注浆压力，通过上文中注浆模型 中压力计算公式估算。由于本工程的目的在于使浆液尽 可能的扩散、压密土体，并达到一定抬升效果，以加固 不良路基，因此，采用一次注浆，注浆压力逐步增加， 最后控制在0.6-0.8MPa。 3.5 注浆前后土体力学性能对比 根据注浆前勘察报告、注浆后钻孔取心及室内 试验，得出注浆前后残坡积红黠土的主要力学参数 （表I）。从表1中可以发现，注浆后残坡积红黠土的 黠聚力c和内摩擦角功以及压缩模量E都具有较大提 高，表明双液注浆取到了明显的加固效果。由于注 浆加固后参数只是由土体的室内试验获得，并未考 虑到浆液结石体的骨架效果，故实际注浆效果应优 于以上对比结果。 3.6 监测分析 由于人行通道盖板涵的沉降很明显，从201 2年 6月10日至8月3日施工开始结束后一个月对盖板 涵底板进行了沉降观测。沉降较大的3、4、6、7板 沉降数据如表2所示。选取沉降参数变化较大的3 号板作沉降曲线（图2）。 ChaoXing 第43卷 土样 注浆前 注浆后 b. 6月10-29日，人行通道盖板涵底板的沉降 还在进行。但是可以看到沉降曲线的斜率从6月15 日已经开始变缓，这表明注浆的效果已经开始显现。 注浆过程中附近注浆孔出水，也说明了浆液正在挤密 土体，使其排水。此过程中土体的压缩模量逐步增大， 沉降逐渐减慢。这一阶段可以看做上文中建立的三阶 段注浆模型中的径向压密阶段。 c. 6月29日－7月4日，从沉降曲线上看，人行 通道盖板涵底板的沉降已经完全被控制住。同时在注 浆压力作用下，盖板涵底板出现2～3cm的上顶。此 时为避免破坏土体与盖板涵，注浆压力不再增大。以 上结果表明浆液凝结后强度不断增长，同时浆液劈裂 土体，继而在土中形成较大的柱状或蘑菇状桩体。这 一阶段，可以看做是三阶段注浆模型中的成桩一抬升 阶段。 煤田地质与勘探 变形模量E ／（时｛m2 300 2104 啡。l∞。 表1洼浆前后红毅土主要参数对比表 Table 1 Comparison of the main parameters of red clay before and after grouting 秸聚力c内摩擦角4 /kPa I （。） 8 oml 』户。 Vl O Vl O N C“““l O - 幸幸生生 观测日期 v、 r、a p、 0 ONlFC 18 的－lFD 10 25 企 重阳一川 容ω －l 的｛1唱。 19.7 456.28 456.26 456.24 晏456.22 撞456.20 妓456.18 4区456.16 456.14 456.12 ＂、 旷、 0 76 （下转第82页） d.7月4日8月3日，由于注浆施工结束日期 为7月4日，从曲线上可以看到，注浆结束后盖板涵 底板有6～7mm的下沉，这是由于注浆压力的突然消 失导致盖板涵上部土体的回弹。从7月11日－8月3 日，盖板涵底板的高程呈现为稳定值，不再继续下沉， 土的固结已经基本完成。这表明双液注浆已经达到预 期效果，注浆形成的复合地基的地基承载力达到加固 要求。 a.结合双液注浆工程对双液注浆加固残坡和、土 体的物理宏观过程进行了研究，表明双液注浆加固土 体主要通过充填作用、渗透作用、劈裂作用和挤密作 用来实现。在任何一个双液注浆加固工程其加固作用 都不是单一的，一般来说都是两种或两种以上加固作 用的联合展现。 b.建立了双液注浆加固土体的三阶段模型，即 初级加固阶段、径向压密加固阶段和成桩一顶升阶 段。注浆的第一阶段过程中双液以填充、渗透为主， 大面积填充土体裂隙和孔隙。第二阶段，双液浆以径 向压密为主，浆液在压力作用下挤密土体，使其排水 固结，强度增长。第三阶段过程中，浆液开始对土体 产生劈裂作用，最后双液浆将在土体中形成桂状或 蘑菇状桩体，此时会对土体产生抬升作用。 c.结合汝梆高速15标路基双液注浆加固工程， 结合沉降监测数据对注浆的过程进行了分析，表明注 浆的过程与本文中建立的初级加固阶段、径向压密加 固阶段和成桩一顶升阶段的三阶段注浆模型是基本 吻合的。 图2人行通道3号板沉降曲线 Settlement curve of the third slab culvert of the pedestrian passageway 表2人行通道3、4、6、7盖板涵沉降数据（高程） Table 2 Settlement data of slab culverts 3,4,6,7 of the pedestrian passageway 3号板4号板6号板 456.268 456.270 456.228 456.226 456.235 456.215 456.188 456.200 456.202 456.173 456.196 456.192 456.158 456.181 456.180 456.145 456.173 456.174 456.154 456.180 456.183 456.155 456.185 456.186 Fig.2 结论4 m 7号板 456.237 456.204 456.174 456.163 456.145 456.125 456.132 456.132 456.133 456.132 456.134 456.132 456.132 456.135 456.186 456.177 456.176 456.182 456.182 456.185 456.183 456.179 456.178 456.176 456.171 456.171 456.153 456.148 456.146 456.147 456.148 456.147 观测日期 06-05 06-10 06-15 06-20 06-27 06-29 06-30 07-02 07-14 07-20 07-23 07-29 07-04 07-11 456.132 456.186 456.180 456.148 08-30 总沉降量0.105 通过分析沉降数据表与沉降曲线可以得到如下 结论 0.042 0.09 0.12 a. 6月10一15日，人行通道盖板涵底板的沉降 仍在进一步进行。沉降曲线的斜率略小于注浆前，但 大于6月15日之后的斜率。这阶段土体开始被浆液 充填、渗透。但是由于时间太短，注浆后形成的复合 地基还没完全凝结好，承载力还没有达到预期效果， 沉降仍在继续。这一阶段可以看做上文中建立的三阶 段注浆模型中的初级加固阶段。 ChaoXing 82 煤田地质与勘探第43卷 FLAC5.0版本） 图例 运算步82024 塑性状态 剪切或体积变形破坏 蜒唯性，曾发生变形破坏 。JJl仰破坏 , ._ I 71“、＂＇r雪’，「军.. 如.. .....－－在－，’「ntr,.-，「旷町， 川，. .协 掷，．．，，．．．．，．．”’3蝇” 3蝇飞旬，a－，，－.－寸”1『1,11-0 ’”...a.........a‘」LL-』『－立一注」，后 汩饵，，，掷’. .。。。。汇，织.;-.”执 法3民苔””，．，．．”’..＞）曾笋，，，．．， 刻，， 汩汩..，，如’施，2阂，，，，汩 汩笋”’‘狼’””’汩汩汩”’掷， 汩 ””. ＞沫，，，．，，汩汩】岖，，.-）皿只 f I C C’‘漠’‘CCC.，，，，隧 3而Iy. it jl C e ’”’. . 拥抱．，鼠，，，】M 2‘英 图12巷道围岩塑性区分布 Fig.12 Plastic zone distribution in the surrounding rock 且在巨厚坚硬上覆砾岩影响下，在工作面开采中增 加了应力水平，在厚煤层中巷道沿顶板布置留底煤， 巷道开挖后，一定范围的底板煤层中的水平应力升 高，增加了煤层失稳破坏的应力条件，容易使底板 成为冲击破坏的突破口。 b.数值模拟研究说明，大采深存在巨厚坚硬砾 岩的条件下，当工作面开采过程中，相邻工作面煤 层中的垂直应力和水平应力相应增加，增大巷道的 冲击危险性。巷道开挖过程中底板煤层中的水平应 力升高、垂直应力降低，应力差增加，这相当于在 底板煤层中产生了冲击核，这是底板冲击发生前应 力条件。巷道开挖卸荷过程中，底板以垂直位移为 主，底板的塑性区范围大于两帮，并在塑性区变化 过程中产生了明显的拉伸破坏。当在外界扰动影响 下，以此局部破坏点为基础发生底板煤层的层裂破 （上接第76页） 参考文献 川王端端，贾力，李国旗．后压浆桩基础的承载力试验对比分 析［月煤田地质与勘探，20日，41338--41. 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