非均勻地應(yīng)力下袖閥管注漿開環(huán)壓力研究及應(yīng)用

王 生，郭佳奇，孟長江，高保彬

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；3.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

20世紀(jì)50年代，法國Soletanche基礎(chǔ)工程公司首創(chuàng)了一種注漿工法——袖閥管注漿，由于此工法能較好地控制注漿范圍和注漿壓力，可進(jìn)行重復(fù)注漿，且因其具有冒漿與串漿的可能性很小等特點(diǎn)被國內(nèi)外公認(rèn)為是最可靠的注漿工法[1-2]。袖閥管注漿不但可以用在高速鐵路領(lǐng)域中，而且可以應(yīng)用在高速公路、地鐵等類似注漿加固工程中，也可用在路面沉降加固處理、建筑物糾偏、基礎(chǔ)加固等方面。在防滲、堵漏工程中，袖閥管注漿的效果較好，是一種既經(jīng)濟(jì)又適用的新方法。

目前，已有許多學(xué)者對(duì)袖閥管注漿進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]在分析袖閥管注漿原理及注漿機(jī)制類型的基礎(chǔ)上，采用顆粒流程序模擬了漿液擴(kuò)散、土體壓密及劈裂效應(yīng)產(chǎn)生的過程。文獻(xiàn)[2]通過室內(nèi)大型模擬試驗(yàn)，研究了粉土路基強(qiáng)度、剛度在毛細(xì)水作用下的衰減規(guī)律和袖閥管劈裂注漿加固路基的效果，結(jié)果表明袖閥管加固粉土路基效果顯著。文獻(xiàn)[3]在應(yīng)用袖閥管注漿技術(shù)加固地基中提出了注漿效果檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)的方法，通過對(duì)注漿過程的分析與計(jì)算，從理論上驗(yàn)證了注漿效果。文獻(xiàn)[4]采用模袋袖閥管注漿樁處理軟土地基克服了常規(guī)注漿方法中出現(xiàn)的漿液流動(dòng)無法控制、土體劈裂嚴(yán)重等現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5-9]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工，詳細(xì)介紹了袖閥管注漿的施工工序，采用袖閥管注漿加固軟土地基，解決沉降問題取得良好的效果。文獻(xiàn)[10-11]依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要改進(jìn)了袖閥管注漿技術(shù)，使復(fù)雜地層和特殊環(huán)境下注漿進(jìn)一步得到改善。以上文獻(xiàn)對(duì)于袖閥管室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)施工操作和袖閥管技術(shù)的改良做了大量的工作，但對(duì)于袖閥管注漿套殼料的研究國內(nèi)并沒有太多文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[12-14]通過試驗(yàn)研究套殼料配合比對(duì)其強(qiáng)度、凝膠時(shí)間及稠度的影響規(guī)律，但套殼料開環(huán)問題還沒有得到很好的解決。袖閥管注漿中套殼料開環(huán)與注漿壓力、漿液的擴(kuò)散半徑都有著密切的聯(lián)系。本文研究套殼料在非均勻地應(yīng)力下袖閥管注漿的開環(huán)壓力，并求解套殼料受力問題。論證套殼料強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性，完善袖閥管注漿的理論研究，推動(dòng)了袖閥管注漿技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

1 套殼料受力模型及其簡化

1.1 袖閥管注漿套殼料作用機(jī)理

袖閥管注漿時(shí)，漿液進(jìn)入袖閥管和芯管阻塞器之間，隨著漿液注入，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后袖閥管外側(cè)的橡皮圈被漿液脹開，泄?jié){孔處的套殼料被擠碎(即開環(huán))，而泄?jié){孔上下部的套殼料仍具有一定的強(qiáng)度，可以阻止?jié){液的上下流竄，漿液只能在泄?jié){孔周圍一定范圍內(nèi)橫向流動(dòng)，這樣漿液被源源不斷的擠壓到地層中(如圖1所示)。

圖1 袖閥管用套殼料作用機(jī)理

作為注漿護(hù)壁的套殼料要在開環(huán)壓碎，同時(shí)上下端的套殼料仍具有一定強(qiáng)度，可以發(fā)揮對(duì)袖閥管的保護(hù)作用，阻止?jié){液上下流動(dòng)，擴(kuò)大地層加固半徑。因此，套殼料要求強(qiáng)度適宜、脆性較高、收縮性小，既能防止串漿又要兼顧開環(huán)。目前，套殼料主要以膨潤土為主、水泥為輔配制而成。根據(jù)施工天窗要求還會(huì)加入緩凝劑或水玻璃等外加劑。其主要作用是在袖閥管周圍形成具有一定強(qiáng)度的保護(hù)層，封閉袖閥管與鉆孔孔壁之間的環(huán)狀空間。

1.2 受力模型的簡化

套殼料澆筑凝固后，地層和套殼料可視為一個(gè)復(fù)合空心圓柱體。由于套殼料和地層的物性參數(shù)差異較大，在套管內(nèi)壓、地層壓力作用下，套殼料和地層之間的膠結(jié)面會(huì)產(chǎn)生接觸壓力或拉應(yīng)力?？紤]兩界面完全膠結(jié)，套殼料力學(xué)模型基本假設(shè)為：①套殼料無幾何缺陷、結(jié)構(gòu)完整、澆筑厚度均勻，可視為厚壁空心圓柱體;②地應(yīng)力是非均勻的，且隨注漿深度的改變而改變，側(cè)壓力系數(shù)隨地質(zhì)情況或注漿深度的改變而改變。

根據(jù)以上假設(shè)可知，非均勻地應(yīng)力下套殼料受力分析屬于厚壁圓筒問題。將套殼料開環(huán)的工程問題轉(zhuǎn)化為平面問題求解，其簡化模型如圖2所示。設(shè)套殼料內(nèi)半徑為a，外半徑為b，內(nèi)層所受均布注漿壓力為q(假設(shè)注漿漿液均勻擴(kuò)散)，假定無窮遠(yuǎn)邊界處豎向和水平向受到的地應(yīng)力分別為p，λp，其中λ為側(cè)壓力系數(shù)。

圖2 套殼料受力模型

2 基本方程與失效準(zhǔn)則

內(nèi)外荷載擠壓導(dǎo)致套管損壞問題一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)，文獻(xiàn)[15-17]將套管—水泥環(huán)復(fù)雜受力問題通過簡化分解成2個(gè)簡單的受力情況疊加?；诖?，將圖2受力模型進(jìn)一步簡化成2部分，即只受均勻內(nèi)壓(p=0)和非均勻外壓(q=0)。

2.1 均勻內(nèi)壓應(yīng)力解答

根據(jù)彈性力學(xué)圓筒受內(nèi)外均布?jí)毫Φ睦方獯鸸?，有且僅當(dāng)外壓p=0時(shí)，求解得到均勻內(nèi)壓下套殼料受力分析公式如下

(1)

式中：r為袖閥管計(jì)算半徑;σr,σθ,τrθ分別為套殼料徑向、環(huán)向、切向應(yīng)力,以壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。

2.2 非均勻外壓應(yīng)力解答

結(jié)合文獻(xiàn)[18]的冪級(jí)數(shù)解法和文獻(xiàn)[19-20]的非均勻地應(yīng)力下圍巖求解公式可得式(2)，即單獨(dú)在非均勻地應(yīng)力下套殼料求解公式。

(2)

式中：θ為徑向與x軸正向夾角，且逆時(shí)針方向?yàn)檎?/p>

2.3 套殼料受力分析解答

將式(1)和式(2)所求的解疊加，得到原套殼料模型受力的求解公式為

(3)

2.4 袖閥管注漿用套殼料失效準(zhǔn)則

套殼料失效主要是膠結(jié)面受拉壓失效和套殼料本體受壓失效，套殼料在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力共同作用下也會(huì)發(fā)生剪切失效。套殼料受拉壓載荷時(shí)，可采用Von Mises屈服準(zhǔn)則來判斷失效，即第四強(qiáng)度理論。由于討論的是平面問題而不是空間問題，所以選用文獻(xiàn)[21-22]修改的平面應(yīng)力問題對(duì)應(yīng)第四強(qiáng)度準(zhǔn)則，即

(4)

式中：σr4為第四強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力；f為套殼料養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度。

將套殼料受力分析式(3)中σr,σθ,τrθ的計(jì)算結(jié)果代入式(4)中。當(dāng)f<σr4時(shí)，不滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則，套殼料被擠碎。

3 開環(huán)壓力確定及影響因素分析

3.1 開環(huán)壓力確定方法

所謂開環(huán)就是根據(jù)施工天窗要求，待套殼料養(yǎng)護(hù)1～3 d具有一定的強(qiáng)度后，通過注漿泵施加壓力，為漿液進(jìn)入地層打開通道；套殼料未破壞前，泵壓隨時(shí)間的增加而增大，漿液流量則始終為0；套殼料破壞后，積聚在套殼料內(nèi)的能量突然釋放，泵壓驟降。在這種情況下即便開環(huán)壓力較大，也不會(huì)給注漿地層帶來危害。袖閥管注漿時(shí)，漿液從袖閥管橡皮套擠出，需要擠碎套殼料才能進(jìn)入土層。注漿壓力過大會(huì)導(dǎo)致套殼料大范圍地被擠碎，套殼料阻止?jié){液上下串動(dòng)的作用也會(huì)受到影響。如果能夠提前估測(cè)套殼料所需的開環(huán)壓力，就可避免注漿壓力過大給地層帶來的擾動(dòng)。

通過對(duì)比f與σr4可確定開環(huán)效果。f可以根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)獲取，σr4隨著注漿壓力q的增大而增大。現(xiàn)場(chǎng)施工中套殼料被擠碎的瞬間，注漿量在短時(shí)間內(nèi)會(huì)增大。此時(shí)檢測(cè)的注漿壓力q就是套殼料的開環(huán)壓力。目前，套殼料開環(huán)注漿壓力均由施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來，并沒有在理論上分析。

3.2 開環(huán)壓力影響因素分析

式(4)所求的σr4是一個(gè)多元方程，它的值與注漿壓力、地應(yīng)力、側(cè)壓力系數(shù)、環(huán)向角度等值有關(guān)。由現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)套殼料內(nèi)徑a=2.5 cm，外徑b=4 cm(假定套殼料厚度澆筑均勻)，地應(yīng)力隨注漿深度逐漸增大。室內(nèi)試驗(yàn)中通過正交試驗(yàn)選取套殼料配比為水∶水泥∶膨潤土∶水玻璃=2∶1∶1.4∶0.05，1 d的養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度f大約為0.68 MPa。

當(dāng)注漿深度為10 m時(shí)，假設(shè)地應(yīng)力p=0.08 MPa，側(cè)壓力系數(shù)λ=0.7。注漿壓力q=0,0.2,0.4,0.5 MPa 時(shí)，繪制σr4和f關(guān)系曲線見圖3。

圖3 λ=0.7時(shí)套殼料養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度與注漿壓力關(guān)系曲線

由圖3(a)可知，當(dāng)r=a，q=0.4 MPa時(shí)套殼料內(nèi)壁開始逐漸破壞。由圖3(b)可知，當(dāng)r=b，q=0.5 MPa 時(shí)套殼料外壁開始被擠碎。套殼料從內(nèi)部到外部的破壞是一個(gè)連續(xù)的過程。這種破壞最早出現(xiàn)在非均勻地應(yīng)力比較大的區(qū)域。

當(dāng)注漿深度為10 m時(shí)，假設(shè)地應(yīng)力p=0.08 MPa，側(cè)壓力系數(shù)λ=0.5和λ=1，r=b套殼料養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度與注漿壓力關(guān)系曲線見圖4?？芍寒?dāng)λ=0.5，q=0.5 MPa 時(shí)套殼料開始被漿液擠碎；當(dāng)λ=1，q=0.5 MPa時(shí)套殼料強(qiáng)度并未失效，q=0.6 MPa時(shí)套殼料才被擠碎，成功開環(huán)。隨著側(cè)壓力系數(shù)(0≤λ≤1)的增大所需要的注漿壓力逐漸增大。λ=1時(shí)套殼料受力是均勻的，圖像呈標(biāo)準(zhǔn)的圓環(huán)狀。

圖4 r=b時(shí)套殼料養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度與注漿壓力關(guān)系曲線

綜上所述，影響袖閥管開環(huán)最主要的因素是注漿壓力，而且在非均勻地應(yīng)力下套殼料最先被擠碎的部位是地應(yīng)力較大處。隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，所需的注漿壓力也會(huì)相應(yīng)的增大。

4 工程實(shí)例分析

武漢至宜昌高速鐵路路涵過渡段的填方側(cè)路基產(chǎn)生不均勻沉降，路基下沉導(dǎo)致列車處于限速運(yùn)營狀態(tài)。為了盡快消除該路涵過渡段沉降問題，防止過度沉降，保證行車安全，采用袖閥管注漿地基加固技術(shù)對(duì)漢宜線K1097+678—K1097+722路涵過渡段沉降進(jìn)行整治?，F(xiàn)場(chǎng)施工中打孔直徑為7.9 cm，套殼料澆筑厚度約為1.3～1.6 cm。結(jié)合施工天窗要求，施工中選取套殼料配比為水∶水泥∶膨潤土∶水玻璃=2∶1∶1.4∶0.05。

鉆孔按照工程中常用的“梅花形”方式布置，這種布孔方式可以更好地防止相鄰孔發(fā)生串漿現(xiàn)象，一序孔為19 m深，二序孔為25 m深，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)鉆孔布置示意(單位：m)

按照注漿次序依次注入水泥漿，注漿過程中記錄注漿壓力的變化。不同鉆孔初注壓力的變化曲線見圖6?？芍?個(gè)一序孔注漿時(shí)，在0.20～0.35 MPa的壓力下，地層吸漿量很大，1#孔注漿壓力穩(wěn)定在0.12～0.15 MPa，2#孔、3#孔注漿壓力略大于1#孔注漿壓力，為0.13～0.18 MPa。二序孔注漿時(shí)，注漿壓力明顯大于一序孔，其中7#孔初注壓力一直保持在0.3 MPa 左右，該處地層正常注漿壓力應(yīng)該在0.2～0.3 MPa左右?，F(xiàn)場(chǎng)施工中須把握注漿壓力，注漿壓力升高會(huì)使地層產(chǎn)生劈裂，持續(xù)一定時(shí)間會(huì)使地表產(chǎn)生隆起、裂縫，最終地表串漿。

圖6 不同鉆孔初注壓力的變化曲線

圖7 不同鉆孔袖閥管開環(huán)壓力變化曲線

不同鉆孔袖閥管開環(huán)壓力變化曲線見圖7。可知，1#孔—5#孔的開環(huán)壓力穩(wěn)定在0.4～0.5 MPa，而6#孔和7#孔的開環(huán)壓力較大。原因可能是4#孔、5#孔的漿液滲流到?jīng)]有完全凝固的套殼料外層，增加了套殼料的強(qiáng)度，使6#孔、7#孔的袖閥管注漿開環(huán)壓力變大，穩(wěn)定在0.5 MPa左右。

由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，在實(shí)際工程中套殼料所處溫度濕度不同都會(huì)影響其強(qiáng)度，套殼料的養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度和室內(nèi)試驗(yàn)中會(huì)有一定的偏差。但實(shí)際工程中注漿開環(huán)壓力均穩(wěn)定在0.4～0.5 MPa，和理論推導(dǎo)結(jié)果十分接近，論證了理論推導(dǎo)套殼料開環(huán)壓力的準(zhǔn)確性。現(xiàn)場(chǎng)施工中沒有出現(xiàn)漏漿、串漿及地基隆起不良現(xiàn)象，采取袖閥管注漿加固填方路基，不僅保證了加固過程中軌道板的變形量，而且可以使加固后的路基滿足運(yùn)營及相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1)通過建立非均勻地應(yīng)力下套殼料的力學(xué)模型，得出套殼料應(yīng)力分布表達(dá)式。套殼料從內(nèi)部到外部破壞是一個(gè)連續(xù)的過程，破壞最早出現(xiàn)在非均勻地應(yīng)力比較大的區(qū)域；隨著側(cè)壓力系數(shù)(0≤λ≤1)的增大所需的注漿壓力也會(huì)增大。

2)漢宜高速鐵路施工現(xiàn)場(chǎng)所用袖閥管注漿開環(huán)壓力與理論推導(dǎo)結(jié)果比較吻合。袖閥管注漿不僅保證加固過程中軌道板的變形量，而且可以使加固后的路基滿足后續(xù)運(yùn)營及相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。袖閥管開環(huán)理論研究可以為今后類似工程借鑒與參考。