基于導管注漿的現(xiàn)役高速公路不均勻沉降處治技術(shù)研究

祝爭艷， 袁青泉

(1.江蘇高速公路工程養(yǎng)護技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 211106； 2.江蘇京滬高速公路有限公司)

目前，對于在役高速公路軟基路段不均勻沉降，雖然采用過多種處治方法進行養(yǎng)護，但處治方法缺乏針對性，在運營一段時間后仍出現(xiàn)平整度不足、線形較差的問題。結(jié)合收集的沿海高速公路歷年不均勻沉降處治資料，路面不均勻沉降目前通常采用的加鋪罩面處治方案，只能在短期內(nèi)起到恢復(fù)路面線形的作用，且成本高、有效期短，因此需研究經(jīng)濟性好、長效的路面不均勻沉降養(yǎng)護技術(shù)。針對該問題，該文提出采用導管注漿方法對高速公路不均勻沉降進行處治，結(jié)合有限元模擬對其技術(shù)理念、作用機理及關(guān)鍵影響因素進行深入分析，并進行試驗段試驗和效果分析，提高軟基路段瀝青路面處治技術(shù)水平、改善高速公路瀝青路面不均勻沉降。

1 計算模型及參數(shù)

模型選取一長l=20 m的路段進行有限元分析，其橫斷面如圖1所示。其中，路面厚76 cm(瀝青面層18 cm，水穩(wěn)基層38 cm，底基層20 cm)，路床80 cm，路堤約為120 cm。采用Ansys建立該路面的三維有限元實體模型，各層路面的材料屬性如表1所示。路面沉降主要是由于淤泥層的含水率不一致所導致，因此有限元模型可簡化模擬為彈性模量沿路面斷面縱向逐漸變化，采用隨機函數(shù)自動生成彈性模量，其變化范圍為0.5～2.5 MPa。導管是內(nèi)徑為60 mm的鋼管，從底基層向下延伸，導管的彈性模量取為1.95 GPa，泊松比為0.2。注漿后導管周圍的土體彈性模量會增加，范圍為20 cm。路面左右兩側(cè)的縱向和橫向自由度都約束，淤泥層地面約束豎向自由度，如圖2所示。在瀝青路面層施加均布荷載10 kN/m。

圖1 路面示意圖(單位：cm)

表1 路面各層材料屬性

圖2 有限元模型邊界條件和加載方式

2 計算方法

首先假設(shè)彈性模量沿路面斷面縱向逐漸變化，采用隨機函數(shù)自動生成彈性模量，將搜集到的不同材料參數(shù)如密度、彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角、體積模量、剪切模量、抗拉強度，作為計算的初始條件，然后將其輸入到分析軟件中。注漿模型中在彈性范圍內(nèi)都由體積模量K和剪切模量G來描述，其與彈性模量E、泊松比之間的關(guān)系一般可用以下公式表示：

(1)

(2)

式中：σ為3個主應(yīng)力的平均值，σ= (σ1+σ2+σ3)/3；θ為體應(yīng)變。

式(2)表明：體應(yīng)變與體積模量成反比，體積模量越大，產(chǎn)生的體應(yīng)變越小。

(3)

τ=Gγ

(4)

式中：τ為剪切應(yīng)力；γ為剪切應(yīng)變。

G值越大，表示材料抵抗剪切變形的能力越強。

根據(jù)前期對施工區(qū)域的地質(zhì)勘查，原路面結(jié)構(gòu)厚76 cm(18 cm瀝青面層、38 cm水穩(wěn)基層、20 cm水穩(wěn)基層/灰土)，以下為80 cm路床、120 cm路堤填土、100 cm左右的黏土層，黏土層以下為淤泥層，制定了導管注漿法的注漿層位示意，如圖3所示，分別討論分析導管長度和注漿前后軟土地基結(jié)構(gòu)內(nèi)部的響應(yīng)特征，其中方案1、2、3的導管長度分別為3.5、4.0、5.0 m。模擬分析分為以下兩個工況：

工況1：導管插入，但未注漿，研究導管長度對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降的影響。

工況2：導管插入后注漿，研究注漿后土體強度對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降的影響。

圖3 不同導管注漿層位示意

3 軟土地基導管注漿特性分析

3.1 不同導管長度對沉降量的影響

導管注漿技術(shù)是一種豎向處治深度3～5 m，水平方向上通過一定數(shù)量的注漿導管形成的“板筏”，增強處治路段的整體性，從而控制路表不均勻沉降的加固技術(shù)。因此導管長度對處治路段的整體剛度有較大的影響。圖4為導管長度不同時，路面的位移曲線。

圖4 導管長度對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移的影響

從圖4可知：

(1) 相比于原路面，經(jīng)過長3.5、4.0、5.0 m，直徑均為6 cm的導管注漿處治后，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降量分別降低了8.1%、11.9%和15.6%，說明增加導管長度可以明顯改善路面沉降狀況，主要因為導管增加了路面的豎向剛度。

(2) 以3.5 m的導管為參考，導管長度增加至4.0、5.0 m時，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降量分別減少了46.91%、92.59%；當導管長度從4.0 m增加至5.0 m時，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降量僅減少了31.09%，說明隨著導管長度的增加，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降會逐漸減小，隨導管長度的增加，減小的幅度有限，因此從經(jīng)濟性角度考慮，導管不宜過長。

3.2 不同導管長度及土體強度對沉降量的影響

導管注漿后導管上部與基層齊平，下部按設(shè)計深度打入路基中，在完成施工后，導管上部與基層固結(jié)，下部連接注漿體，形成一體化的增強體。當其注漿量達到一定量級后，處治路段整體剛度得到加強，并形成類似“板筏”的結(jié)構(gòu)，后期路基發(fā)生不均勻沉降時，通過假設(shè)不同導管長度下的土體強度變化，來分析導管注漿后土基內(nèi)部結(jié)果的響應(yīng)規(guī)律。

(1) 注漿后土體位移響應(yīng)規(guī)律

假定注漿后土體強度分別增加25%、50%和100%，圖5為分別采用3種導管注漿方案時，注漿后土體強度對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移的影響。

從圖5可知：相比于注漿前，對于方案1，注漿后土體強度增加25%、50%、100%時，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降分別減小了5.19%、11.1%和18.2%；對于方案2，注漿后土體強度增加25%、50%、100%時，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降分別減小了18.3%、36.2%和45.5%；對于方案3，注漿后土體強度增加25%、50%、100%時，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移分別減小了21.6%、41.8%和56.5%。以上結(jié)果說明注漿可以明顯地改善路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部不均勻沉降情況，這是因為注漿后，土體的整體剛度增加，增強了路面結(jié)構(gòu)的豎向剛度，從而更利于改善路面的不均勻沉降。

(2) 導管適宜長度分析

假設(shè)注漿后土體強度均增加50%時，3種導管長度方案，經(jīng)注漿后的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降見圖6。

圖5 不同導管長度下注漿后不同土體強度等級對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移的影響

圖6 注漿后路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移

從圖6可知：與原路面相比，經(jīng)長3.5、4.0、5.0 m共3種導管注漿后的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降分別減小了26.6%、43.8%、58.2%，說明導管越長，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降控制效果越好；長4.0 m和5.0 m導管下沉降量，相比長3.5 m導管，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降控制效果分別提高了64.66%、118.80%，而長5.0 m導管僅比長4.0 m導管沉降控制效果提高了32.88%，說明隨著導管長度的增加，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部沉降控制效果提升并不顯著，這主要是因為3.5 m長導管，注漿深度并未貫穿黏土層，而4.0 m和5.0 m長導管注漿深度貫穿黏土層，漿液能與黏土層有效混合，提高了黏土層強度，注漿后，黏土層的剛度比淤泥層剛度要大很多，提高了路基結(jié)構(gòu)的整體性，減少了軟土地基形變對上部結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)以上分析可知，增加導管長度和在黏土層內(nèi)進行注漿都可以有效減小路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移。

4 試驗段取芯驗證及跟蹤觀測分析

結(jié)合中國沿海某高速公路不均勻處治工程，選取了年累計沉降量大于6.6 mm的段落進行導管注漿處治設(shè)計，處治用導管直徑均為6 cm，長度分別為3.5、4.0、4.5、5.0 m共4種，處治半幅車道，注漿孔呈梅花形布置，間距2 m，如圖7所示，試驗段長度198 m。

圖7 導管處治布孔示意圖(單位：m)

4.1 試驗段土體取芯檢測

根據(jù)現(xiàn)場處治情況，選取了具有代表性的注漿孔位進行鉆芯取樣，結(jié)果見表2，分別在距注漿孔10、50、100 cm的位置鉆芯取樣，以觀測注漿材料在出漿層位的分布情況。

通過對現(xiàn)場取芯樣品的外觀檢測，可以得出如下結(jié)論：注漿材料主要分布于黏土層到淤泥層的過渡段中，并在該過渡段中的分布范圍較大，在注漿孔50 cm范圍內(nèi)；外觀上對比不同距離注漿孔的芯樣，在距離注漿孔越近的軟土，其上下土層含水率明顯低于其外土層的含水率；注漿材料在土基中有效與軟土進行混合，提高了軟土地基的強度。

表2 取芯孔分布特征

結(jié)合取芯結(jié)果，選取黏土層和淤泥層交界處的土樣進行無側(cè)限抗壓強度檢測(圖8)。由圖8可知：距離注漿孔越近，土體無側(cè)限抗壓強度越強，并隨距離的增加逐漸減小；在距離注漿孔100 cm處土的無側(cè)限抗壓強度與未注漿段相近。

4.2 試驗段路表沉降觀測

項目在試驗段內(nèi)布置了自動化觀測系統(tǒng)，監(jiān)測點平均間距20 m，監(jiān)測范圍為注漿處治路段及其臨近未處治路段(作為和導管注漿段沉降的對比)，監(jiān)測點布置及跟蹤觀測結(jié)果見表3和圖9。

圖8 導管注漿周圍芯樣強度試驗結(jié)果

表3 導管分布與各監(jiān)測點沉降情況

圖10 各監(jiān)測點年累積沉降量

結(jié)合表3和圖9可知：相比未處治段落，經(jīng)導管注漿處治后，路面沉降得到了有效控制；注漿導管長度的增加可有效控制路表沉降量，但不宜過長，當前工程導管適宜長度4.5 m與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。

5 結(jié)論

通過有限元軟件模擬分析了軟土地基經(jīng)過導管注漿處治后軟土地基結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移響應(yīng)的規(guī)律，并結(jié)合實際工程進行了實施驗證，結(jié)果表明：

(1) 增加導管長度可以明顯改善路面沉降，因為導管增加了路面的豎向剛度；隨著導管長度的增加，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移逐漸減小，但減小的幅度有限，因此從經(jīng)濟性角度考慮，導管不宜過長。

(2) 相比于原路面，在增加了不同長度的導管后，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移分別降低了8.1%、11.9%和15.6%；在土體強度增加相同的情況下，3種注漿方案的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移分別減小了26.6%、43.8%和58.2%。

(3) 當注漿深度位于黏土層以下時，漿液能與黏土層有效混合，提高了黏土層強度，說明增加導管長度和在黏土層內(nèi)進行注漿都可以有效減小路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部位移，提高路基整體強度。

(4) 注漿材料主要分布于黏土層到淤泥層過渡段中，并在該過渡段中的分布范圍較大，在注漿孔50 cm范圍內(nèi)；距離注漿孔越近，土體無側(cè)限抗壓強度越強，并隨距離的增加逐漸減小；在距離注漿孔100 cm處土的無側(cè)限抗壓強度與未注漿段落相近。

(5) 相比未處治段落，經(jīng)導管注漿處治后，路面沉降得到了有效控制，注漿導管長度的增加可有效控制路表沉降量，但不宜過長，適宜長度為4.5 m，這與數(shù)值模擬的結(jié)果相吻合。