袖閥管注漿對臨近土體變形影響的試驗研究

孫九春,許四法,王旭鋒,王 哲,王 瑞,,奚曉廣

(1.騰達建設(shè)集團股份有限公司,上海 200120;2.浙江工業(yè)大學 土木工程學院,浙江 杭州 310023;3.深圳龍源精造建設(shè)集團有限公司,廣東 深圳 518100)

袖閥管注漿是在PVC管管壁上鉆注漿孔,袖閥管外壁用擠密橡膠圈包裹,注漿時把注漿管插入袖閥管中,注漿管中的漿液在壓力作用下?lián)伍_袖閥管外壁的橡膠圈注入地層。作為一種較為成熟的地層變形控制技術(shù),袖閥管注漿越來越多地被應(yīng)用于地基處理中[1-3]。近年來,通過采用注漿方式對既有建(構(gòu))筑物因周邊卸荷產(chǎn)生的水平方向變形進行控制的方法在華東地區(qū)已得到應(yīng)用并且效果明顯[4-7]。但袖閥管注漿施工過程中,隨著漿液的注入會對土體產(chǎn)生擠壓作用,導致臨近土體產(chǎn)生水平變形。因此在注漿加固時,合理地確定注漿參數(shù)是關(guān)鍵所在。李享松等[8]對注漿材料參數(shù)及注漿孔距進行優(yōu)化分析,研究結(jié)果表明注漿孔間距宜控制為1.8 m。李啟月等[9]通過現(xiàn)場試驗分析布袋注漿樁對軟黏土路基進行加固,結(jié)果表明:樁體經(jīng)過養(yǎng)護一段時間并成型后,標準條件下施工時注漿壓力對擠土產(chǎn)生的影響很小,且樁體周圍的土體水平變形會出現(xiàn)較大回彈,回彈位移值為注漿當天的40%～60%。Kleinlugtenbelt[10]采取室內(nèi)模型試驗方法,對漿液注漿時由于注漿量、注漿點和注漿速率等參數(shù)的改變引起土體變形的影響進行了研究,結(jié)果表明:注漿體周邊土體變形隨著注漿量增大呈現(xiàn)增大的趨勢,但由于超靜孔隙水壓力消散,土體變形會出現(xiàn)部分的回彈。鄭剛等[11]通過在粉質(zhì)黏土地層進行現(xiàn)場注漿試驗,研究了注漿量、注漿位置和注漿時間間隔等注漿參數(shù)對注漿效果的影響,結(jié)果表明:在注漿結(jié)束18 h后超靜孔隙水壓力基本消散完成,土體變形也趨于穩(wěn)定。徐全慶等[12]分析了注漿的時間和空間參數(shù)對臨近地連墻的變形影響,進而對隨時間的變化產(chǎn)生的注漿效果進行了分析,結(jié)果表明:在注漿前后,地表沉降與深層土體位移的變化量都明顯減小,甚至變形出現(xiàn)部分恢復。張柯[13]為防止注漿過程產(chǎn)生劈裂降低注漿效果的不利影響,通過在原注漿管的外壁套上一層土工膜袋,觀測注漿過程中土體的水平位移,結(jié)果表明漿體周圍土體的水平變形與距注漿孔中心的距離成正比。張志沛等[14]利用FLAC3D對不同注漿方式進行了模擬,結(jié)果表明:注漿中心地面處發(fā)生隆起變形,且變形量隨著注漿壓力的增加呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。

雖然針對注漿技術(shù)在建(構(gòu))筑物抬升的研究較多,但注漿也會引起周邊土體產(chǎn)生較大的水平變形,進而對周邊建(構(gòu))筑物的安全產(chǎn)生不利影響。筆者依托杭州地區(qū)某工程項目,研究注漿過程對臨近土體變形的影響規(guī)律,以及注漿參數(shù)和結(jié)石體體積之間的關(guān)系,為袖閥管注漿及類似工程的設(shè)計和施工提供一定的理論參考。

1 袖閥管注漿原理及土質(zhì)參數(shù)

袖閥管注漿是由袖閥管、注漿器、套殼料、注漿漿液和注漿管等組成的一套較為完善的施工方法,該施工方法具有適應(yīng)性強、可重復抬升注漿的特點。袖閥管注漿時首先依據(jù)所需注漿深度通過鉆孔機進行打孔,一般成孔直徑為80～110 mm,將預(yù)先調(diào)配好的套殼料通過鉆孔機注入鉆孔中,由下而上的方式替換鉆孔中的泥漿;然后將外徑為58 mm,內(nèi)徑為53 mm,且可不斷接長的袖閥管插入注漿孔中,袖閥管管節(jié)之間用螺絲拴緊,袖閥管上部露出地面約10 cm,可在袖閥管無法下沉時向管中注入一定量的水抵抗浮力作用,在袖閥管外壁距離地面半米左右處填充水泥漿液,起到固定袖閥管和防止套殼料滲出地面的作用;最后待注入的套殼料凝固且具有一定強度后進行注漿,在注漿時需將注漿管插入袖閥管預(yù)定深度處,注漿完成后需對注漿器進行清洗,此種注漿方法可實現(xiàn)分層注漿、多次注漿的功能。一般在出現(xiàn)串漿、跑漿或注漿壓力迅速增大時立即停止注漿,袖閥管注漿工序流程如圖1所示。

圖1 袖閥管注漿工序流程圖Fig.1 Flow chart of sleeve valve pipe grouting process

土層主要物理力學指標如表1所示,地層潛水位埋深一般為1.80～5.20 m,對應(yīng)的標高為2.88～3.97 m,地層主要為表層雜填土、黏質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土等。

表1 土層物理力學指標設(shè)計參數(shù)表

2 現(xiàn)場試驗設(shè)計

2.1 試驗方案

注漿目標地層主要涉及黏質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土地層,試驗研究注漿參數(shù)對臨近土體變形的影響,注漿參數(shù)包括注漿量、注漿間距和注漿深度等。注漿試驗設(shè)計方案如表2所示:工況1通過只改變注漿量的方式探究對周邊土體變形的情況;工況2在其他相同條件下,通過在不同深度進行注漿以分析注漿深度對土體變形的影響。注漿試驗漿液采用水泥-水單液漿,其中水灰比均控制在0.7。所采用的注漿方案平面布置如圖2所示:通過對3個注漿孔進行注漿,分別記為1#孔、2#孔、3#孔,3個孔呈現(xiàn)等邊三角形布置,間距均為6 m;測斜管為CX-1～CX-4,孔壓計孔為KY-1～KY-3,每個孔壓計孔中均埋設(shè)有孔壓計,埋設(shè)深度均為7 m。測斜管到注漿孔的間距有2 m和4 m,測斜管和孔壓計孔的距離為0.5 m,二者呈現(xiàn)并排布置。

表2 注漿試驗設(shè)計方案

圖2 注漿方案平面布置圖Fig.2 Graphic diagram of grouting scheme

2.2 試驗方法

一共分為2組對比試驗:第1組為試驗編號1～3,該組試驗注漿時間為2 d,其中試驗編號1和2在第1天完成,試驗編號3在第2天完成;第2組為試驗編號3～5,其中該組試驗編號4和5在第3天完成。

注漿試驗工況分別選取距離注漿孔2,4 m的深層土體變形情況作為研究對象:1#注漿孔對應(yīng)的測斜孔是CX-1和CX-3,對應(yīng)的孔壓計孔是KY-1和KY-3;2#注漿孔對應(yīng)的測斜孔是CX-2和CX-4,對應(yīng)的孔壓計孔是KY-2和KY-3;3#注漿孔對應(yīng)間距2 m的測斜孔是CX-3和CX-4,對應(yīng)間距4 m的測斜孔是CX-1和CX-2,對應(yīng)2 m的孔壓計孔是KY-3,對應(yīng)4 m的孔壓計孔是KY-1和KY-2。為避免注漿時測斜孔之間相互影響,結(jié)合鄭剛等[11]的研究,本試驗將注漿間隔時間設(shè)定為24 h,即當天注漿結(jié)束后間隔1 d再進行注漿,并在注漿過程中和注漿結(jié)束至下一次注漿期間對測斜管進行測斜和孔隙水壓力監(jiān)測,然后對測斜和孔壓計變化數(shù)據(jù)進行處理分析。

3 注漿參數(shù)對土體位移的影響

3.1 土體水平位移隨時間變化

在試驗編號3的工況下,即注漿量為80 L,注漿深度為10～9 m處,距注漿孔2 m處的土體水平位移隨時間的變化如圖3所示。注漿開始后土體水平位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且注漿后0.5,6,10 h時土體水平位移最大值均出現(xiàn)在注漿所在深度處,分別為1.35,1.10,0.50 mm,即隨著時間的增加,土體水平位移逐漸減小。這是由于注漿時土中超靜孔隙水壓力增大,隨著時間的推移,土體中的超靜孔隙水壓力逐漸消散,深層土體水平位移發(fā)生一定的回彈,最大回彈量為0.75 mm,最大回彈幅度約為55%時便趨于穩(wěn)定。

圖3 土體水平位移隨時間的變化Fig.3 Changes of soil level displacement with time

3.2 注漿量對土體水平位移的影響

在試驗編號為1,2,3的工況下,土體的水平位移隨注漿量的變化情況如圖4所示。本工況注漿位置在10～9 m深度處。由圖4可知:位移變化整體呈現(xiàn)下方大上方小的趨勢,3 m以下范圍土體變形較大,表明注漿導致的土體變形不僅僅發(fā)生在注漿所在深度處,還會對注漿上部一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生較大影響。當注漿量為80,100 L時,距注漿孔2 m處的土體最大位移分別為1.36,1.76 mm;距注漿孔4 m處的土體最大位移分別為0.40,0.46 mm,表明在相同注漿量的情況下,土體變形量隨著距離的增大迅速減小。當注漿量為120 L時,距注漿孔2 m的土體最大位移為2.40 mm,距注漿孔4 m的土體最大位移為0.58 mm。結(jié)果表明:土體的水平位移隨著注漿量的增大而不斷增大,二者呈正相關(guān)性。在相同注漿量的情況下,距注漿孔4 m處的土體水平位移均小于2 m處。如注漿量為80 L,距注漿孔2 m處的土體水平位移最大值為1.30 mm,距注漿孔4 m處的土體水平位移最大值為0.38 mm;通過分析可知距離注漿孔越近時土體的水平變形也越大,試驗編號2和3的結(jié)果也均符合這個規(guī)律。

圖4 注漿量與土體水平位移的關(guān)系Fig.4 Relationship between gauge and soil level displacement

3.3 注漿深度對土體水平位移的影響

在試驗編號為4,5,6的工況下,對應(yīng)的注漿深度分別為4～3 m,7～6 m,10～9 m。注漿孔附近土體的水平位移隨注漿深度的變化情況如圖5所示。由圖5可知距注漿孔2 m處的測斜孔變形呈現(xiàn)如下規(guī)律:注漿深度為4～3 m,7～6 m的土體最大位移分別為1.06,0.96 mm;注漿深度為10～9 m的土體最大位移為1.36 mm;土體水平位移最大值在注漿所在深度的上部,這符合袖閥管注漿的注漿特性。結(jié)果表明:在其他注漿條件一致,只改變注漿深度的情況下,注漿所在深度處土體水平變形也相對較大,但注漿深度和土體水平位移變化量之間數(shù)量關(guān)系并不明顯。

圖5 注漿深度與土體水平位移的關(guān)系Fig.5 Relationship between grouting depthand soil level displacement

3.4 注漿參數(shù)與結(jié)石體體積之間的關(guān)系

試驗結(jié)束后進行土體開挖,將開挖出的結(jié)石體放入長方體水箱中浸沒,通過排水體積法得到注漿體體積。根據(jù)各階段統(tǒng)計結(jié)果得到注漿參數(shù)與結(jié)石體體積之間的關(guān)系,如圖6所示。由圖6可知:注漿量為80 L時結(jié)石體體積最小,注漿量為120 L時結(jié)石體體積最大,表明結(jié)石體體積隨著注漿量的增大而增大;在其他注漿參數(shù)均相同的情況下,注漿深度對結(jié)石體體積變化并不明顯,表明不同深度注漿對結(jié)石體的體積影響不大。結(jié)合注漿參數(shù)和結(jié)石體體積分析可知:結(jié)石體體積均為該階段注漿量的30%左右,這表明在粉土地層中注漿時,漿液中存在很多的水分,水在硬化的過程中流失進入土層中。

圖6 注漿參數(shù)和結(jié)石體體積的關(guān)系Fig.6 Relationship between grouting parametersand stone body volume

4 地層孔隙水壓力變化

圖7為2#注漿孔10 m深度處注漿時孔隙水壓力隨時間變化曲線,圖7中虛線表示注漿開始和結(jié)束的時間。試驗中注漿量為120 L,在注漿前后,距注漿孔2 m處的孔隙水壓力最大值為13.30 kPa,孔壓最大變化值為1.50 kPa,注漿過程中的孔隙水壓力平均變化值為0.58 kPa;距注漿孔4 m處的孔隙水壓力最大值為12.77 kPa,孔壓最大變化值為0.53 kPa,注漿過程中的孔隙水壓力平均變化值為0.28 kPa。圖8為3#注漿孔10 m深度處注漿時地層孔隙水壓力隨時間變化曲線,其注漿量為80 L。由圖8可知:距注漿孔2 m處的孔隙水壓力最大值為14.58 kPa,孔壓最大變化值0.50 kPa,注漿過程中的孔隙水壓力平均變化值為0.16 kPa;距注漿孔4 m處的孔隙水壓力最大值為12.22 kPa,孔壓最大變化值為0.44 kPa,注漿過程中的孔隙水壓力平均變化值為0.07 kPa。

圖7 2#孔10 m深度處注漿時孔隙水壓力隨時間變化曲線Fig.7 Variation curve of pore water pressure with timeduring grouting at depth of 10 m in hole 2#

圖8 3#孔10 m深度處注漿時孔隙水壓力隨時間變化曲線Fig.8 Variation curve of pore water pressure with timeduring grouting at depth of 10 m in hole 3#

結(jié)合圖7,8可知:孔隙水壓力在注漿前后呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當注漿結(jié)束孔隙水壓力趨于平穩(wěn)時會比注漿前的略大一些,在同一注漿量的情況下,距離注漿孔越遠孔隙水壓力變化值也越小,且4 m處的孔隙水壓力平均變化值約為2 m處的孔隙水壓力值的1/2;在距注漿孔相同距離時,注漿量越大,孔隙水壓力變化值也越大;孔隙水壓力越大,與之并排布置的測斜管監(jiān)測的土體變形也越大,即二者呈正相關(guān)。

5 結(jié) 論

通過袖閥管現(xiàn)場注漿進行實測的方式,探究了注漿對臨近土體變形的影響,分析了注漿量、注漿深度等注漿參數(shù)對土體變形的影響,以及注漿對地層孔隙水壓力的影響,得到了結(jié)石體體積和注漿參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明:隨著注漿距離的增大,臨近土體的最大水平位移呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢;臨近土體最大水平位移隨著注漿量的增大逐漸增大;注漿深度的改變對土體變形的影響試驗表明注漿所在深度處土體水平變形也相對較大,但注漿深度和土體水平位移變化量之間數(shù)量關(guān)系并不明顯;地層孔隙水壓力在注漿前后呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,相同條件下距離注漿孔越大孔隙水壓力變化值也越小,孔隙水壓力變化值隨著注漿量的增大而增大;基坑開挖所得每階段結(jié)石體體積均約為對應(yīng)注漿量的30%。