路基注浆压力的选取与变化机理研究

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路基注浆压力的选取与变化机理研究

陈 钊1,2，周 旺1，吴小流1

(1.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029； 2.广西翔路建设有限责任公司，广西 南宁 530029)

摘 要：选取广西隆百G78高速公路K1415+845～K1415+871段为研究对象，通过室内实验和现场试验，对注浆压力参数进行监测分析，研究路基注浆压力的选取和注浆压力的变化机理。研究结果表明：注浆点上覆土体的重力可以作为施工注浆压力初步选取的依据；岩土介质的孔隙结构和浆液的粘度对注浆压力有较大的影响；同时实测注浆压力的波动反映注浆过程是一个不断压密、劈裂土体的过程，其值达到稳定可以作为终止有效注浆的判定条件。

关键词：注浆；压力；变化机理

注浆技术是治理公路病害的一种主要技术手段，深入研究浆液在岩土介质中的压力分布规律，可为岩土的注浆设计提供必要的理论依据。注浆过程中注浆压力的选取是影响注浆效果的重要因素[1]，注浆压力的大小不仅对浆液的扩散半径有影响，而且对土体的压密、劈裂以及路面的抬升也有很大的影响；同时，由于注浆过程的不可见性，其压力变化规律和机理尚待深入研究。目前，注浆过程中注浆压力的选取采用的理论公式往往比较复杂，且考虑的因素较多，因此注浆压力的确定比较困难[2]。同时，注浆是一种地下施工技术，无法进行实时监控，学者们多从劈裂注浆[3-6]或者压密注浆[7-10]对注浆的机理进行分析。但是，注浆过程往往是两者共同作用的结果。作者结合工程实例，通过计算抬升上覆地层所需的重力来确定注浆压力，并通过室内和现场实验进行验证，并从注浆压力变化方面对注浆机理进行分析。

1 注浆材料以及实验设备

1.1 注浆材料

目前，公路路基注浆最常用的注浆材料有水泥浆液、超细水泥浆液、水泥粘土浆液、水玻璃类浆液及有机高分子类浆液等。因水泥浆液的原材料来源较为广泛、加工成本低、施工流程简单及对环境友好等优点，而被广泛应用于公路病害处治中，其流变特性及适用条件见表1。

在本试验中，根据高速公路病害的特征，选取水灰比为1∶1～1∶1.25的水泥浆。由于水泥浆初凝时间比较长，注浆管周围不容易形成类似幕墙形式的围堵结构，容易使得水泥浆顺着某些裂隙扩散到河流中，造成物质材料的浪费和环境污染，因此，在特定的注浆阶段需要采取特定措施，以便快速形成围堵结构，以至于继续注浆时可以进一步将岩土介质挤压密实。在本试验中，采用添加水玻璃来调整水泥浆液的凝固时间，水玻璃与水泥浆液的质量比例可以依据项目的实际情况和如图1所示的规律曲线来确定。本次试验水玻璃与水泥浆液的质量比采用 1∶100。

表1 水泥浆的流变特性及适用条件
Table 1 Rheological properties of cement slurry and its application conditions

浆液名称主要组成W∶C粘度/(×10-3Pa·s)可注最小粒径/mm凝结时间/min初凝终凝抗压强度/MPa适用范围水泥浆0.5∶113917～4112～364～220.75∶133110～4720～332～121∶118114～5624～272～91.5∶117116～5234～472～32∶116117～748～151～3地面、工作面预注浆,岩石裂隙注浆

图1 水玻璃对水泥浆液胶凝时间的影响

Fig. 1 Effect of water glass on cement slurry gelation time

1.2 实验设备

自制的浆液扩散装置如图2所示。用水拌和水泥浆后，利用该浆液扩散装置，测量浆液在岩土(现场取样)的扩散规律。通过压力传感器传回的读数，探测水泥浆液的流动扩散和压力变化情况。

图2 浆液扩散装置
Fig. 2 The slurry diffusion device

2 注浆压力变化机理分析

注浆过程中压力的变化取决于病害处岩土的孔隙结构变化和浆液特性变化两个方面，其孔隙结构变化体现在：浆液通过注浆管不断地向土体中渗透，初期浆液首先沿着土体固有的孔隙和裂隙流动(此时注浆压力变化不大)。随着孔隙和裂隙不断被水泥颗粒填充，土体的空隙结构逐渐密实。随着注浆过程的继续，注浆压力会进一步提高，直至达到设定的注浆压力。

浆液特性变化对注浆压力的变化也有很大的影响。浆液注入到土中，会使水泥浆的粘度增加(浆液失水和浆液时变性)，从而使得浆液在孔隙或者裂隙中扩散时所受的阻力增加，体现在宏观方就是注浆压力增加。

3 结果与讨论

3.1 岩土的孔隙结构变化对注浆过程中压力变化的影响

各测点的注浆压力随注浆时间的变化规律曲线(颗粒平均半径为1.18 mm)如图3所示。在颗粒平均半径为1.18 mm情况下，0.2 m处的注浆压力变化趋势是逐渐递增的(这是由于在注浆过程中，水泥浆液不断被过滤，造成此处的孔隙度逐渐增加。同时，由于与注浆压力源的距离较近，因而注浆压力不断上升)，而0.4～1.2 m测点的注浆压力变化趋势是先逐渐递增然后再递减，直至变为零。其原因是：注浆初期时，浆液可以相对稳定地在介质中扩散，造成孔隙结构减小，从而使得注浆压力整体上升；在注浆后期，因压滤效应形成相对密实的区域，经过这个区域后，由于缺少注浆压力源的连带作用，压力就会逐渐下降。

图3 各测点的注浆压力随注浆时间的变化规律曲线 (水灰比为1.5∶1)
Fig. 3 The change law of the grouting pressure of each measuring point with the grouting time (water cement ratio:1.5∶1)

3.2 浆液的粘度对注浆过程中压力变化的影响

2种不同水灰比情况下注浆压力随注浆距离的变化规律曲线(颗粒平均直径为1.77 mm)如图4所示。当水∶灰=1∶1时，在第2次注浆时 (30 min 之后)，注浆压力近似呈现凹型递减趋势；后期注浆时，大约在1.0 m处，注浆压力近似于零。当水∶灰=2∶1时，在第4次注浆时(70 min之后)，注浆压力近似呈现凹型递减趋势；后期注浆时，大约在1.2 m处，注浆压力近似于零。表明：在同一介质中，水灰比小的浆液比水灰比大的浆液提前出现凹型递减趋势。这是由于水灰比越小，浆液的粘度越大。粘度越大的浆液可以在短时间内将岩土介质的孔隙或裂隙填充完毕，从而使得注浆压力在短时间内迅速上升。

图4 注浆压力随注浆距离的变化规律曲线 (颗粒平均直径为1.77 mm)
Fig. 4 Variation of grouting pressure with grouting distance (the average diameter of particles is 1.77 mm)

4 工程实践应用

4.1 工程背景

由于路基软化的原因，G78高速公路K1415+845～K1415+871段路面发生沉降，表现为车辆快速通过时，出现明显的起伏和颠簸，路面可以明显地看到沉降区域，并涵盖整个路面。通过现场的勘察和钻孔时碎屑进行分析，路面沉降的原因是：地基没有压实，地表水和河流水渗入地下，导致地基软化，出现沉降。现场地质情况如图5所示。

该公路路基属于填方路基，钻孔碎屑发现塑料和树根等杂物，这些材料会使路基在压缩的过程中压缩不实，且公路附近有河流，部分河水渗入到路基，导致路基软化，加上车辆的长期震动荷载的作用，路面发生沉降。

图5 公路横断面示意
Fig. 5 The sketch map of highway cross section

4.2 注浆设备

现场所用的注浆机为BW160/10型泥浆泵，其形式为卧式三缸单作用往复活塞泵，缸径为 70 mm， 行程为70 mm。注浆机有快档和慢档2个档位，同时快档又含有2个不同的档位(压力为6.5和10 MPa)，慢档也含有2个不同的档位(压力为2.5和4 MPa)。在注浆过程中，要根据实际情况，选择不同的档位进行注浆。

4.3 注浆流程以及注浆孔布置

现场注浆流程如图6所示。现场采用水泥-水玻璃双液注浆，首先注入水泥浆，然后在注浆的过程中加入水玻璃使得浆液快速凝固。现场注浆孔的布置如图7 所示。

图6 现场注浆流程
Fig. 6 Grouting flow chart

4.4 注浆压力的确定

根据大量的实践经验，注浆压力通过浆液抬升上覆表层土所需要的力进行计算。注浆孔的深度为10 m，根据现场的实测地质资料，从路面到注浆点有5 cm的路面沥青层，0.5 m厚度的混凝土层，混凝土层下边即为路基土层。沥青层的密度为1 150～1 250 kg/m3，混凝土层密度为2 500 kg/m3，土层的密度为2 000 kg/m3。浆液的设计扩散半径为1.5 m，而根据现场的实际抬升量监测，路基的抬升范围为以注浆点为中心、半径 4.0 m 范围内，因此可以假设注浆过程中抬升的上覆地层为一个倒圆台形，如图8所示。各地层地质参数见表2。

图7 注浆孔布置示意
Fig. 7 The sketch map of grouting hole layout

图8 注浆抬升示意
Fig. 8 Sketch map of grouting uplift
表2 各地层地质参数

Table 2 Geological parameters of different layers

上覆地层厚度/m密度/(kg·m-3)体积/m3重度/N沥青0.0512002.5130120混凝土0.5250024.36609000路基土9.52000229.594591800

对上覆地层的体积和质量进行计算，得到抬起上覆土层所需要的压力为：

P=(30 120+609 000+4 591 800)/

(π×1.5×1.5)=0.7 MPa。

这表明抬起上覆土层最少需要0.7 MPa的压力。由于注浆过程中包括抬升和浆液挤压土体2个方面，而注浆压力要大于0.7 MPa，因此，确定最终的注浆压力为0.8～1.2 MPa。

注浆孔完成注浆后的注浆压力见表3。从表3中可以看出，注浆压力均在0.8～1.2 MPa。注浆过程中，除了需要抬升上覆路面沉降层以外，注浆的过程中也需要压密和劈裂土体，由于土体的强度较低，而劈裂土体不需要太大的注浆压力，因此注浆压力大约在0.8～1.2 MPa。实测值与理论计算值相符。

表3 现场注浆压力
Table 3 Grouting pressure after grouting

注浆孔号注浆压力/MPa31.0130.8140.8170.8220.8注浆孔号注浆压力/MPa230.8241.2250.8261.2

4.5 注浆现场注浆压力变化规律

单孔注浆时压力变化如图9所示。从图9中可以看出，在单孔注浆过程中，注浆初期注浆压力(该压力是注浆泵所显示的压力，近似地认为是注浆孔处的压力)较小，在0.2 MPa左右。随着时间的增加，注浆10～80 min，注浆压力在0.5～ 0.8 MPa 之间波动，其原因是浆液沿着孔隙和裂隙通道渗透和挤压土体。随着孔隙和裂隙不断被水泥颗粒填充，土体的空隙结构逐渐密实，使得注浆压力注浆上升。注浆后期，随着注浆过程的进行，在注浆压力作用下，土体产生剪裂现象(此时的注浆压力会出现不同程度的波动)。之后，剪裂作用产生的裂隙进一步被充填和胶结，使得土体的空隙结构更加密实。在注浆流量恒定的情况下，注浆压力会进一步上升，直至达到设定的注浆压力。同时，水泥在水化过程中产生的强碱与外加剂或土中的硅酸铝和蒙脱石等活性化学物质发生反应生成纵横相交的针状矿物，在一定程度上使得土的压缩性变小，造成需要更大的注浆压力才能使浆液进一步扩散。这表明注浆的过程是一个劈裂和压密耦合作用于土体的过程。

注浆约80 min时，注入水玻璃，继续注浆过程中，注浆压力稳定在1.0 MPa左右。加入水玻璃(体现在浆液的时变性，可以改变浆液的粘度和凝固时间)，使得已经注入的浆液凝固(经过现场测试，加入水玻璃之后，浆液可在2 min之内凝固，并达到一定的硬度)，这时地基由于受已经注入浆液的挤压作用以及浆液本身的凝固增强作用，使得地基变得密实，继续注浆时浆液挤压劈裂土体需要较大的压力，因此，注浆压力迅速增加，并最终稳定直到注浆结束。

图9 单孔注浆压力变化
Fig. 9 Changes of single-hole grouting pressure

5 结论

通过室内实验和现场注浆试验，监测注浆过程注浆压力的变化规律以及岩土介质结构的演变情况，揭示了注浆机理。研究发现：注浆的过程是劈裂土体和压密土体共同作用的过程。注浆过程中，注浆压力的变化可以用于判断地质条件特征。相同注浆速率下，注浆压力较小时，表明劈裂或压密土体所需要的注浆压力较小，该地基土体较软。当注浆压力趋于一个稳定值时，可以判断注浆已经完成。在实际工程中，注浆压力的稳定可以作为注浆终止的判定条件。

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Selection and change mechanism of grouting pressure for subgrade treatment

CHEN Zhao1,2, ZHOU Wang1, WU Xiao-liu1

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designning Institute, Nanning 530029,China;2.Guangxi Xianglu Construction Co., Ltd., Nanning 530029,China)

Abstract：Grouting was used for subsidence treatment of Guangxi Longbai G78 highway at segment K1415+845～K1415+871,through the analyses of grouting pressure and its change characteristics from the in-situ measurement, the selection and change mechanism of grouting pressure were studied.It is found that, a practical grouting pressure can be obtained by calculating the upper soil gravity of the grouting point.The pore structure of geomaterial and the viscosity of the slurry have great influence on the grouting pressure.Meanwhile the fluctuation of the grouting pressure indicates that the grouting process is a process with continuous soil compaction and fracturing.A constant value of grouting pressure may be treated as the termination condition for the effective sub grade treatment.

Key words：grouting; pressure; change mechanism

收稿日期：2016-05-12

基金项目：广西交通运输科技项目

作者简介：陈 钊(1979-)，男，广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院高级工程师，硕士。

文章编号：1674-599X(2016)03-0016-05

中图分类号：U416.1

文献标识码：A