粘性土路基劈裂注浆压力预估计算方法研究.pdf

第3 5 卷第6 期 2 0 1 5 年1 2 月 矿冶工程 ⅣⅡN Ⅱ呵GA N DM 哐T A L L U R G I C A LE N G 舳E R l N G V 0 1 ．3 5 №6 D e c e m b e r2 0 1 5 粘性土路基劈裂注浆压力预估计算方法研究① 李文，曾胜，赵健，郭昕 长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙4 1 0 0 7 6 摘要通过分析现有非饱和土劈裂注浆压力计算模型，得出其主要计算参数为土的粘聚力、内摩擦角及回弹模量，根据室内抗剪 强度直剪试验，获得了粘性土粘聚力与含水率的半对数关系、内摩擦角与含水率的线性关系。根据全国9 个地区的粘性土现场承 载板试验，得到了基于压实度、稠度的粘性土回弹模量综合计算式，进而提出基于含水率、压实度的粘性土路基劈裂注浆压力预估 计算方法。通过邵怀高速公路注浆工程实例的现场实测值与理论计算值进行对比，验证了预估计算方法。 关键词注浆压力；内摩擦角；粘聚力；回弹模量 中图分类号u 4 1 6文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 5 ．0 6 ．0 0 4 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 5 0 6 0 0 1 6 0 4 P r e s s u r eE s t i m a t i o nM e t h o df o rF r a c t u r eG r o u t i n g o nC o h e s i v eS o i lR o a d b e d UW e n ，Z E N GS h e n g ，Z H A OJ i a n ，G U OX i n S 如D D Z 旷z 彬c 口蒯z 亿n 印。疗口z 幻nE 强毋础e n g ，劬口，炉梳‰i 睨瑙毋矿S c 据舵e 口以死c 加Z 9 9 y ，m o 咿 o4 1 0 0 7 6 ， 日也，I n n ，C A i 凡Ⅱ A b s t r a c t B a s e do nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n gp r e s s u r ec a l c u l a t i o nm o d e lf o rf h c t u r eg m u t i n go nu n s a t u r a t e ds o i l ，i ti s k n o w nt h a ts o i lc o h e s i v ef o r c e ，a n g l eo fi n t e 丌l a lf h c t i o na n dm o d u l u so fr e s i l i e n c ea 工em a i nc a l c u l a t i o np 猢e t e r s ． T h r o u g hal a b o r a t o r yd i r e c ts h e a rt e s t ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h em o i s t u r ec o n t e n ti s i nt h es e m i l o g a I i t h m i cr e g r e s s i o n r e l a t i o n s h i pw i ￡hc o h e s i v ef o r c eo fc o h e s i v es o i la n di nt h e1 i n e a rr e g r e s s i o nr e l a t i o n s h i pw i t hi n t e m a l 伍c t i o na n g l e ．7 1 1 l e p l a t el o a dt e s t sw i t ht h ec o h e s i v es o i lf 而m9r e 西o n so ft h ec o u n t r yl e dt oac o m p r e h e n s i v er e g r e s s i o nf 0 砷u l ao b t a i n e df o r t h er e s i l i e n tm o d u l u sb a s e do nt h ec o m p a c t i o nd e g r e ea n dd e n s i t yo fc o h e s i v es o i l ．T h e n ，ap r e s s u r ee s t i m a t i o nm e t } l o d f o rf h c t u r eg r o u t i n go nc o h e s i v es o i lr o a d b e dw a sp u tf o r w a r d ，w h i c hh a sb e e nt l l e nV e d f i e db yt h ec o m p a r i s o nb e t w e e n t h em e a s u r e dv a l u ea n dt h e o r e t i c a lv a l u ef o rS h a o ．H u a ih i g h w a yp r o j e c t ． K e yw O r d s f r a c t u n g 伊o u t i n gp e s s u r e ；i n t e m a lm c t i o na n g l e ；c o h e s i V ef o r c e ；r e s i l i e n tm o d u l u s 高速公路粘性土路基加固中的劈裂注浆压力的确 定取决于土体的力学参数。2J ，这些参数需通过一系 列室内试验获得，目前对现场预估注浆压力的方法还 有待研究。为了得到一种土体劈裂注浆压力的快速预 估计算方法，本文基于文献[ 3 5 ] 对土体抗剪强度的 研究成果，拟通过粘性土的抗剪强度试验，建立粘性土 抗剪强度参数c 、妒与含水率加的关系，综合现有不同 地区粘土的回弹模量的经验公式，建立统一的粘性土 基于压实度、含水率计算回弹模量的经验公式，提出了 粘性土基于含水率训与压实度K 的回弹模量计算方 法，从而实现在现场基于含水率和压实度直接快速确 定预估劈裂注浆压力，以期为公路路基快速维修与抢 险工程中的注浆作业提供理论指导。 1 假设 统一强度理论表达式简单，所需参数较少，已被广 泛应用于国内外的工程研究领域旧’8J 。该理论以双剪 应力单元体为物理模型，考虑了中主应力的影响，可用 于本文对粘性土中劈裂注浆压力的研究。本文在研究 粘性土路基劈裂注浆的力学机理及确定注浆压力计算 式中，假设土体服从c M 统一强度理论及大变形理 论，同时假设土体服从本文建立的粘性土抗剪强度指 标与含水率的变化关系，从理论上推导粘性土劈裂注 浆中土体服从大变形理论下的注浆压力计算式。 ①收稿日期2 0 1 5 0 6 一1 9 基金项目交通运输部重大科技专项资助项目 2 0 1 1 3 1 8 8 2 4 3 5 0 作者简介李文 1 9 8 8 一 ，男，湖南邵阳人，博士研究生，主要从事路基路面工程研究。 万方数据 第6 期李文等粘性土路基劈裂注浆压力预估计算方法研究 1 ．1 统一强度准则 根据统一强度理论，可将土体屈服函数表示为 盯， 肋口 矿o 1 其中 1 ．2 土体扩孔理论 土体扩孔理论一。1 假设土体的扩张形式是圆孑L 或 柱孑L ，扩孑L 形式与球形浆泡或柱形浆泡向周围挤压土 体扩张的实际情况相符合，因此可运用扩孔理论对土 体中注浆机理进行分析。基于土体扩孔理论，认为土 体在浆泡的挤压作用下形成弹塑性区域，为便于研究， 将浆泡周围分为3 个区域，即塑性流动区 破坏区 、 塑性屈服区 软化区 和弹性区，如图l 所示。 ●弹性区 图l 土体扩孔分析示意 图中p 为扩孔压力；p 0 为无限远处静止土压力； o 为塑性区半径；r ，为破坏区半径；口。为最终扩孔半 径；A 为土体周围任一点位置。根据弹塑性力学中的 力学平衡方程H I ，A 点处土体有如下平衡方程 孥 盟o 3 U ，j d rr 。 、。 2 注浆压力计算参数快速确定方法 2 ．1 强度的确定 加拿大F r e d l u n d 等人对粘性土的抗剪强度进行过 系统研究2 。1 引，提出了粘性土的抗剪强度表达式为 r 厂 c7 矿一u 。 t a n 妒’ Ⅱ。一“w t a n 妒6 4 式中c ’、妒’均为有效应力强度指标；参数妒6 相当于土 的基质吸力 “。一u 。 对抗剪强度贡献的大小。参考李 金玉口。等提出的广义抗剪强度表达式，将粘性土的抗 剪强度公式写成 q c “ 盯t a n 妒“ 5 式中c 。为广义粘聚力；妒。为广义内摩擦角。 本文选取湖南省邵怀高速公路路基粘性土，进行 室内抗剪强度直接剪切试验，试验分为含水率不同的 5 组，每组3 个试件，每组土样均取3 个试件的平均值。 粘性土试样如图2 所示．具体试验结果如表1 所示， 图2 粘性土试样 表1土体抗剪强度试验结果 2 ．1 ．1 粘聚力与含水率的关系 分析发现，粘聚力与 含水率成较好的半对数关系，其关系表达式为 l g c D 。埘 6 。 6 即 c 1 0 。一“c 7 其中o 。，6 。均为参数。从本次试验数据知参数取值 为口。 一2 6 5 ．5 8 ，6 。 7 4 ．3 2 4 ，相关系数尺 0 ．9 7 0 2 。关 系曲线如图3 所示一 图3 粘聚力与含水率的关系 2 ．1 ．2 内摩擦角与含水率的关系分析发现，内摩擦 角与含水率有较好的线性关系，其关系表达式为 妒2 口p 埘 6 ， 8 其中口，，6 ，均为参数。从本次试验数据知参数取值 为o ， 一1 8 ．6 6 4 ，6 ， 1 7 ．3 7 1 ，相关系数R 0 ．9 6 8 9 。关 n n 一 ．一一．一 一力 “| I 一咄 竺● 一．刚 一9一一 ，一们{2|， 妒一m 豆| 0抽II扎一剀 S 一 一陀 一一一一 ／L一 ，～一、●， 一1 4 一● 6 一 一 | 眩 一● 1 一 一j 等丽 2 一 一● 万方数据 矿冶工程 第3 5 卷 系曲线如图4 所示。 w ／％ 图4 内摩擦角与含水率的关系曲线 基于粘性土抗剪强度参数与含水率的关系，测得 粘性土含水率即可估算出粘性土所对应的粘聚力及内 摩擦角。 2 ．2 回弹模量的快速确定方法 诸多文献表明，土的回弹模量与其含水率和密实 程度或压实度的关联性较好5 。16 【，土的含水率既可用 相对含水率表征，也可用稠度表征；土的密实程度则常 用压实度表征，提出的土基回弹模量E 与压实度K 、稠 度加。的关系表达式为 E A K 肼埘。Ⅳ 9 式中A ，肘，Ⅳ均为回归系数。 对不同典型土质的回弹模量与压实度、稠度之间 的二元回归公式进行综合整理，得出以下9 组典型粘 性土通过现场承载板试验数据获得的回归公式，如 表2 所示。 表2 回归关系式汇总表 运用已有的9 种回归关系式，计算同一状态如压 实度为8 1 ％、稠度为0 ．6 时土质的回弹模量，见表3 。 表3 回弹模量计算值 单位M P a 通过表3 可知，1 5 组土质在压实度为8 1 ％、稠度 为O ．6 状态下的回弹模量平均值为1 3 ．8 8M P a ，取平均 值作为该土质的计算回弹模量值。以此类推，分别计 算稠度压实度为8 l ％～9 8 ％、稠度0 ．6 ～2 ．0 的不同交 叉组合共计2 2 5 组状态下的回弹模量，计算结果分布 如图5 所示。 M 图5 不同状态下的粘土回弹模量值 基于9 组已有回归公式计算粘性土在不同压实 度、不同稠度状态下的回弹模量计算值，运用二元回归 拟合分析，得出粘性土回弹模量的统一计算式为 r E 4 8 ．9 舻”埘，1 ‘4 8 {， 1 0 【尺2 o ．9 8 3 ”⋯ 压实度、稠度与路基回弹模量的回归拟合曲面如 图6 所示。 9 0 8 0 7 0 皇6 0 丞5 0 蜒4 0 蔷3 0 2 0 1 0 0 图6 回归拟合曲面 3 粘性土劈裂注浆压力预估模型 基于粘性土含水率与粘聚力的半对数关系、含水 率与内摩擦角的线性关系、含水率压实度与回弹模量 的指数关系，再依据在摩尔库伦强度准则下的注浆压 力计算公式可得基于含水率、压实度的粘性土劈裂注 浆压力的预估模型为 万方数据 第6 期 李文等粘性土路基劈裂注浆压力预估计算方法研究 1 9 1 2 M U N p 口 叮删仃删＼ 几5 【_ 瓦百一 j i 瓦了J ． [ 昙高e 半产粕一暑 1 1 其中 “ 嵩等岩 2 1 0 。一c c o s 口。伽 6 。 盯咖2 了i 可i 了r l s l n 【o ，．埘十D ，．J A ∥加。Ⅳ 弘丽 g ， 譬 盯，一盯咋 √虿竺旦 垒乎 耻赫堕等产 堂 1 一s i n 函 式中p 。劈裂注浆压力；口，，6 ，，叱，6 。均为回归系数； 埘为含水率；吵为剪胀角，取沙 口。叫 6 。 ／2 。 综上计算式可知，测得含水率与压实度即可估算 出相对应的劈裂注浆压力。 4 实例计算 选取湖南邵怀高速公路K 1 3 0 2 9 0 0 处路基沉陷 注浆加固试验验证本文的理论成果。该处为典型的半 填半挖式路基，路基填料主要为红粘土，由于路基本体 排水不良，致使路基承载力下降，从而产生了较大的路 基沉陷。为了对路基注浆加固的劈裂压力进行试验研 究，通过取用邵怀高速公路K 1 3 0 2 段现场数据进行计 算。根据综合回归计算式可知，由压实度和回弹模量 就可得到相对应的回弹模量，由现场动态落锤式灌入 仪现场测定压实度7 | ，并可同时取土样获得含水率， 通过查询工程资料中路基填料的液塑限，即可得到稠 度值，进而计算出回弹模量。 通过对公路验收资料查阅、现场实地调研与测试， 得到相关参数进行粘性土路基劈裂注浆压力的预估， 具体的主要计算参数如下盯。 2 2 0k P a ，盯。， 8 0k P a ， ” 0 ．3 ，p o 0 ．0 lM P a ，睨 4 8 ％，昨 2 5 ％，形 2 3 ．1 ％， K 8 8 ％。将邵怀高速公路的现场数据代人基于含水 率、压实度的劈裂注浆压力预估计算方法中可得，劈裂 注浆压力在大变形准则和小变形准则下的理论计算值 分别为1 ．1 5M P a 和0 ．5 7M P a 。基于注浆效果检测原 理8 | ，采用自主研发的信息化注浆系统对邵怀高速公 路K 1 3 0 2 9 0 0 处注浆工程进行了实时监测，劈裂注浆 过程中实测压力的峰值范围是0 ．6 1 ．2M P a ，某单孔 注浆压力随时间的变化曲线如图7 所示，实测结果与 理论计算结果吻合，验证了本文提出的基于含水率、压 实度的粘性土路基霹雳注浆压力快速预估计算方法的 正确性。 图7 单孔注浆压力实测曲线 5 结论 1 详细阐述了土体劈裂注浆压力解析解的求解 过程，土体劈裂注浆压力主要由土体的强度参数及模 量确定。 2 通过室内试验获取了邵怀高速公路粘性土含 水率与其抗剪强度参数回归关系曲线，含水率与粘性 土粘聚力呈半对数关系，含水率与粘性土内摩擦角呈 线性关系。 3 通过多元回归分析，得到了基于压实度、稠度 的粘性土回弹模量综合回归计算公式。 4 实例计算分析结果验证了以含水率估算粘性 土路基劈裂注浆压力的正确性，本文得到了以含水率、 压实度估算粘性土路基劈裂注浆压力的方法，该方法 可为目前运营高速公路路基快速维修加固提供有力 支撑。 参考文献 [ 1 ] 张君静，肖昭升．公路路基裂陷的综合处理技术[ J ] ．公路工程， 2 0 1 3 ，3 8 2 1 2 一1 5 ． [ 2 ]唐咸远，高向东．膨胀土地区路堤开裂原因分析及处治技术研究 [ J ] ．公路工程，2 0 1 4 ，3 9 5 1 2 一1 5 ． [ 3 ] 邹金峰，徐望国，罗强，等．饱和土中劈裂灌浆压力研究[ J ] ．岩 土力学，2 0 0 8 ，2 9 7 1 8 0 2 一1 8 0 6 ． [ 4 ]黄斌，傅旭东，谭凡，等．含水率对滑带土强度及变形影响试 验研究[ J ] ．岩土力学，2 0 1 2 ，3 3 9 2 6 1 3 2 6 1 8 ． [ 5 ] 李金玉，杨庆，孟长江．非饱和抗剪强度指标c 、妒值与含水率” 的关系[ J ] ．岩土工程技术，2 0 1 0 ，2 4 5 2 4 3 2 4 7 ． 下转第2 4 页 万方数据 矿冶工程第3 5 卷 由图6 可见，当干湿循环次数达到1 5 次时，滑裂 面上的塑性应变和节点位移将产生突变，此时边坡水 平方向上的位移较破坏前明显增大，且塑性区已贯通 至坡顶。可以看出边坡的滑裂面呈圆弧形状，边坡失 去稳定，将沿着滑裂面向下滑移，并且在边坡的下部 滑出。 A N s Y s 分析结果表明随着干湿循环次数增加， 该矿山边坡稳定性逐渐下降，当干湿循环次数达到1 5 次时，边坡失稳，原因是干湿循环效应对砂岩的力学参 数，特别是对砂岩的粘聚力造成了严重的损伤。 3 结论 1 在持续的浸泡．风干过程中，砂岩内部各种岩 屑被溶解、冲刷、运移，导致砂岩的质量产生损失，在岩 石内部产生大量的次生孔隙，最终使得岩石的力学强 度衰减，说明砂岩吸水率和质量损失率降低是影响砂 岩强度的重要因素。 2 室内力学试验结果表明，干湿循环作用对砂岩 变形特性和强度特性有着非常明显的破坏效果，随着 干湿循环作用次数增加，砂岩强度、弹性模量、粘聚力 则呈负相关变化，内摩擦角呈正相关关系，无论这种关 系是增大还是减小，最终都会以某一次干湿循环下的 值为临界值。 3 结合砂岩的干湿循环效应对边坡进行稳定性 分析，运用S u D E 软件计算边坡的最小安全系数，然 后运用A N S Y S 对边坡的稳定性状态进行直观分析。 结果表明，边坡的安全系数随着干湿循环次数增加逐 渐降低，当干湿循环次数达到1 5 次时，边坡失稳。因 此，在工程实际中，有必要采取合适的排水、隔水措施， 防止干湿循环导致的边坡破坏。 参考文献 [ 1 ] 徐千军。陆杨．干湿交替对边坡长期安全性的影响[ J ] ．地下空 间与工程学报，2 0 0 5 ，1 6 1 0 2 卜1 0 2 4 [ 2 ] E k f e mK a l k 卸．I l I l p a c to fw e t t i n g d r y i n gc y c l e so ns w e l l i n gb e h a v i o ro f c l a y e ys o i l sm o d i f i e db ys i l i c af u m e [ J ] ．A p p l i e dn a ys c i e n c e ，2 0 1 1 ， 5 2 4 3 4 5 3 5 2 ． [ 3 】 E s t a b r a g } lAR ，M o g } l a d ∞M ，J a v a d iAA ．E 雎c to fd i r e n tt y p ∞o f w e t l j n gn u i d so n ￡h eb e h a v i o u ro fe x p 8 玎s i v e “1d u f i n gw e t “n ga n dd r ． y j n g [ J ] ．s o i l s ∞dF o u n d “0 n s ，2 0 1 3 ，5 3 5 6 1 7 6 2 7 ． [ 4 ] 曾胜，李振存，陈涵杰，等．干湿循环下红砂岩强度衰减规律及工 程应用[ J ] ．长沙理工大学学报 自然科学版 ，2 0 l l ，8 4 1 8 2 3 ． [ 5 ]陈钢林，周仁德．水对受力岩石变形破坏宏观力学效应的试验研 究[ J ] ．地球物理学报，1 9 9 1 ，3 4 3 3 3 5 3 4 2 ． [ 6 ] 徐礼华．刘素梅，李彦强．丹江口水库区岩石软化性能试验研究 [ J ] ．岩土力学，2 0 0 8 ，2 9 5 1 4 3 0 一1 4 3 4 ． [ 7 ]于德海，彭建兵．三轴压缩下水影响绿泥石片岩力学性质试验研 究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 9 ，2 8 1 2 0 5 2 1 1 ． [ 8 ] 冯夏庭．智能岩石力学导论[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 0 ． [ 9 ]陈炳瑞，冯夏庭，丁梧秀，等．化学腐蚀下岩石应力应变进化神经 网络本构模型[ J ] ．东北大学学报 自然科版 ，2 0 0 4 ，2 5 7 6 9 5 6 9 8 ． [ 1 0 ]陈炳瑞，冯夏庭，姚华彦，等．水化学溶液下灰岩力学特性及神经 网络模拟研究[ J ] ．岩土力学，2 0 l O ，3 1 4 1 1 7 3 一1 1 8 0 ． [ 1 1 ] H 砌e dH 锄e d i f 豳，R o b e r tG ．B e a b ，J u a I lM ，e ta l ，R o l eo f P r o b 8 ’ b i l i s t i cM e t l l o d si nS u s “n a b l eQ m t e c h n i c a lS l o p eS t a b i l i t yA n a l y s i s [ J ] ．P r o c e d i aE a 曲蜘dP l 蛐e t a r yS c i e n c e ，2 0 1 4 ，9 1 1 3 2 1 4 2 ． [ 1 2 ]M o m d i 驯iA l i ，0 s a I l l o oM o n e z a ．D e t e m i n a t i o n 肌ds t a b i l i t ya ． n 8 I y s i so fu l t i m a t eo p e n p i ts I o p eu n d e rg e o m e c h a n i c a lu n c e r t a i n t y [ J ] ．I n t e m a t i o n a lJ o u m a lo fM i n i n gs c i e n c e 锄d1 k h n o l o g y ，2 0 1 4 ， 2 4 1 1 0 5 1 1 0 ． [ 1 3 ]王振国，宓永宁，岳川．基于M A ⅡA B 的B P 神经网络对特细 砂混凝土强度预测的研究[ J ] ．农业科技与装备，2 0 1 4 ，6 2 4 0 6 2 一“． [ 1 4 ]姚华彦，张振华，朱朝辉，等．干湿交替对砂岩力学特性影响的试 验研究[ J ] ．岩土力学，2 0 l o 1 2 3 7 0 4 3 7 0 9 ． [ 1 5 ] 潘家铮．建筑物的抗滑稳定和滑坡分析[ M ] ．北京水利出版社， 1 9 8 0 ． 上接第1 9 页 [ 6 ]S h e n gz e n g ，z h e n c u n “，w e nL i ，e ta 1 ．s u b g r a d eF a j l u r ed i “s i o n a n di n n u e n c ef a c t o r sa n a l y z eo fe 1 P r e s s w a y [ J ] ，A p p l i e dM e c h a n i c s a n dM a t e r i a l sV o l s ．2 0 1 3 ．2 5 6 2 5 9 1 7 3 7 一1 7 4 1 ． [ 7 ]S h e n gz e “g ，w e n “，z h e n - c u nL i ．R e s e a r c h0 nt e c h n o l o g y 0 fp o m u s t u b eg m u t i n gr e i n f o r c e m e 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