巖溶路基穩(wěn)定性分析及微型注漿樁加固技術(shù)研究

尚 恒，鄭 琪

(江西省公路科研設(shè)計(jì)院)

巖溶路基穩(wěn)定性分析及微型注漿樁加固技術(shù)研究

尚 恒，鄭 琪

(江西省公路科研設(shè)計(jì)院)

微型注漿樁是一種新型的復(fù)合軟基治理方法，當(dāng)前在沿海地區(qū)應(yīng)用較為普遍。巖溶路基常為可溶蝕性的巖土體構(gòu)成，在地下水的作用下將進(jìn)一步劣化其工程性質(zhì)。采用適用于低應(yīng)力區(qū)的非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則與強(qiáng)度折減法可分析巖溶路基的穩(wěn)定性，采用微型注漿樁有效提高復(fù)合地基的承載力。

巖溶路基;穩(wěn)定性分析;強(qiáng)度折減法;微型樁

1 前言

在巖土工程界，常使用安全系數(shù)(穩(wěn)定系數(shù))表征巖土體的穩(wěn)定性與安全裕度。特別是邊坡工程，使用安全系數(shù)可直觀體現(xiàn)，其中鄭穎人使用有限元強(qiáng)度折減法求解邊坡穩(wěn)定性已經(jīng)相對(duì)非常成熟。但對(duì)于地下工程及巖溶路基而說(shuō)，使用數(shù)值模擬強(qiáng)度折減法計(jì)算其穩(wěn)定性系數(shù)受限較多。巖溶路基整體穩(wěn)定性系數(shù)的求解依然是個(gè)難題。巖溶路基對(duì)道路的安全及舒適度影響較大，目前對(duì)巖溶路基的研究主要集中在勘察、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、處治等方面。采用微型注漿樁可較大程度地提高復(fù)合地基的承載力，但該方面的研究還較少。

2 巖溶路基穩(wěn)定性分析方法

強(qiáng)度折減法在邊坡工程應(yīng)用相對(duì)成熟，通過(guò)程序可以自動(dòng)求解其穩(wěn)定性系數(shù)，折減原理為將屈服準(zhǔn)則中各參數(shù)同時(shí)折減一個(gè)系數(shù)，當(dāng)邊坡巖土體剛好達(dá)到屈服破壞時(shí)，已折減的程度即為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。在巖溶路基穩(wěn)定性分析中也利用該理念，通過(guò)手動(dòng)同步折減廣義Hoek－Brown準(zhǔn)則中各參數(shù)，當(dāng)巖溶?chē)鷰r體塑性區(qū)貫通即認(rèn)為達(dá)到破壞屈服臨界，此時(shí)所折減的系數(shù)即可認(rèn)為是巖溶路基的穩(wěn)定性系數(shù)。

使用Hoek－Brown準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值折減時(shí)一樣是根據(jù)先前有效應(yīng)力同當(dāng)前總應(yīng)變?cè)隽康年P(guān)系推求其有效應(yīng)力增量，直至計(jì)算結(jié)束后再進(jìn)行逆計(jì)算。假定巖土體當(dāng)前主應(yīng)力為(σ1、σ2、σ3)，彈性應(yīng)力增量按式(1)計(jì)算:

其中:E1=K+4G/3;E2=K－2G/3;Δe1、Δe2、Δe3為主應(yīng)變變化值。從而可知:

巖土體通常采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則設(shè)為廣義Mises準(zhǔn)則，而對(duì)于均布節(jié)理巖體也是通過(guò)H－B準(zhǔn)則與M－C準(zhǔn)則之間的準(zhǔn)則參數(shù)轉(zhuǎn)化關(guān)系得到等效的M－C準(zhǔn)則參數(shù)之后，再通過(guò)折減效的M－C準(zhǔn)則參數(shù)而求得巖體工程體的強(qiáng)度。采用基于GSI的Hoek－Brown準(zhǔn)則的強(qiáng)度折減法進(jìn)行溶腔路基安全系數(shù)的計(jì)算分析。采用折減系數(shù)F*，將Hoek－Brown準(zhǔn)則參數(shù)中強(qiáng)度參數(shù)的σci與mi進(jìn)行折減，而非強(qiáng)度指標(biāo)的s與a不進(jìn)行折減，因其僅與GSI、D有關(guān)，基于Hoek－Brown屈服準(zhǔn)則巖溶路基穩(wěn)定性計(jì)算如下:

如果計(jì)算收斂則增大折減系數(shù)F*，使用二分法逼近，直至折減至巖溶路基塌陷(表現(xiàn)于塑性區(qū)貫通)，則折減系數(shù)F*即為路基的安全系數(shù)。

3 注漿微型樁治理技術(shù)

3.1 注漿微型樁加固路基機(jī)理

注漿微型樁有效加固巖溶路基是在流體傳壓下滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)流固耦合的結(jié)果。注漿加固按照漿液與地基巖土的相互作用而分為鼓泡壓密、劈裂流動(dòng)與被動(dòng)土壓力三個(gè)階段:注漿伊始時(shí)漿液在出漿孔附近產(chǎn)生擠壓形成球形泡土體階段、注漿壓力達(dá)到能夠劈裂土體時(shí)漿液將在劈裂的巖土體流動(dòng)階段，以及最后的漿液飽滿階段。

對(duì)于正常固結(jié)和欠固結(jié)地基，在初始注漿時(shí)其小主應(yīng)力是水平向及劈裂面垂直。再增大注漿壓力的情況下水平應(yīng)力轉(zhuǎn)化為被動(dòng)土壓力狀態(tài)，其裂縫面也由垂直轉(zhuǎn)化為水平。分層壓實(shí)的路基采用袖管劈裂注漿加固時(shí)容易沿路基分層之間發(fā)生橫向劈裂，在路基土的分層處硬結(jié)為水平水泥黏結(jié)層作為水平向帷幕有效阻隔毛細(xì)水上升從而進(jìn)一步加固路基。

3.2 注漿微型樁加固技術(shù)工藝

(1)成孔

微型樁的成孔一般是采用小型鉆機(jī)鉆孔，采用水或泥漿作為循環(huán)冷卻鉆頭和除渣手段。同時(shí)循環(huán)水在鉆進(jìn)過(guò)程中，水和泥土攪拌混合在一起亦變成泥漿狀。一般采用正循環(huán)方法以提高微型樁處治地基的承載力，當(dāng)遇到較硬土層時(shí)改用水力擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔。在飽和軟土層鉆進(jìn)時(shí)若遇到流砂層應(yīng)當(dāng)減緩進(jìn)尺速度并依靠巖心管在流砂層表面磨動(dòng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加上孔內(nèi)泥漿使其孔壁表面形成泥皮以達(dá)到護(hù)孔目的。當(dāng)表土層松散時(shí)用套管護(hù)孔套管口，并確保套管高出地面10 cm，鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)進(jìn)行清孔直至溢出清水為止。

(2)鋼筋籠的制作

鋼筋籠根據(jù)設(shè)計(jì)荷載確定其含鋼量，每段鋼筋籠的長(zhǎng)度視現(xiàn)場(chǎng)條件和機(jī)具的吊放能力而定，每節(jié)長(zhǎng)5～6 m，鋼筋籠的接頭采用綁扎與焊接結(jié)合的方式，其搭接長(zhǎng)度應(yīng)符合規(guī)范要求。由于微型樁的直徑均較小，混凝土保護(hù)層為1.5～2.0 cm，在特殊情況下應(yīng)加強(qiáng)處治。

(3)灌漿管的制作

灌漿管一般為橡膠管、聚氨酯類(lèi)，考慮拔出時(shí)接頭處采用外縮節(jié)使外管壁光滑，使之方便從砂漿(或混凝土)中拔出。為防止泥漿進(jìn)入管內(nèi)淤塞，需在管底口用膠布或聚乙烯膠布封住，在管底口以上1.0 m范圍做成花管形狀，其孔眼直徑0.8 cm，縱向間距10 cm，豎向四排，灌漿管一般放在鋼筋籠內(nèi)一起放到鉆孔內(nèi)。

(4)灌漿施工

微型樁施作一般是一次性灌漿完以免出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象，主要施工工藝為:①先向孔內(nèi)拋粒徑為15～30 mm的小石子，然后向孔內(nèi)壓力注水泥砂漿或凈水泥漿。②直接向孔內(nèi)壓力注水泥砂漿，注漿壓力一般為0.3～0.5 MPa。

4 工程實(shí)例分析

某高速公路采用微型注漿樁復(fù)合地基方案，微型樁截面尺寸為0.25 m×0.25 m，長(zhǎng)度為 l=6.5 m，樁間距為1.5 m×1.5 m。求得其單樁承載力特征值為Ra=260 kN。令單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ=0.95，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β=1.0，則復(fù)合地基承載力特征值為193 kPa。

5 結(jié)論

碳酸鹽地質(zhì)受地下水流動(dòng)侵蝕的作用，其巖體性質(zhì)進(jìn)一步劣化，在該地區(qū)修建工程項(xiàng)目時(shí)其地基承載力往往達(dá)不到要求，對(duì)工程構(gòu)建物的安全穩(wěn)定性影響較大。采用微型注漿樁能有效地提高其承載力，且施工簡(jiǎn)便，造價(jià)低廉，因而在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。通過(guò)本文的研究可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論: (1)巖溶路基沒(méi)有一個(gè)如邊坡穩(wěn)定系數(shù)一樣的表示系數(shù)，可用塑性區(qū)貫通、最大最小主應(yīng)力、允許變形量及計(jì)算不收斂為失穩(wěn)判據(jù)，得到一個(gè)量化的巖溶路基局部及整體穩(wěn)定性系數(shù)。(2)注漿微型樁有效加固巖溶路基是在流體傳壓下滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)流固耦合的結(jié)果。(3)微型注漿樁的施工順序?yàn)槌煽祝摻罨\制作－灌漿管制作－注漿。

［1］ 林文太.高密度電法在巖溶路基勘查中的應(yīng)用［J］.福建地質(zhì)，2010，29(1):34－38.

［2］ 姚其明，郭得令，彭永良.兗石線臨沂某段巖溶路基塌陷勘察與分析［J］.鐵道勘察，2011，37(1):67－70.

［3］ 周文.基于隨機(jī)介質(zhì)理論的巖溶路基安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究［J］.公路工程，2009，34(4):30－33.

U416.1

C

1008－3383(2015)10－0043－01

2015－04－12

尚恒(1983－)，男，江西南昌人，主要從事公路設(shè)計(jì)研究及管理工作。