高速公路路塹邊坡軟弱夾層高壓注漿加固的理論與實踐

高速公路路塹邊邊坡軟弱夾夾層高壓注注漿

加固的的理論與實實踐提要該文對京京滬高速公公路(化—臨段)某路塹邊邊坡軟弱夾夾層的加固固全過程進進行了詳細(xì)細(xì)介紹。并并在對工程程地質(zhì)情況況調(diào)查的基基礎(chǔ)上，進進行了嚴(yán)密密的理論計計算，確定定了設(shè)計方方案，實施施過程中采采用了一項項專有技術(shù)術(shù)——“單孔分層層多次高壓壓注漿技術(shù)術(shù)”加固了軟軟弱夾層，注注漿的同時時安裝了抗抗剪錨桿，實實現(xiàn)了“錨”和“注”的結(jié)合，工工程取得成成功。

關(guān)鍵鍵詞路塹塹邊坡軟軟弱夾層加固THEORYANDPRACCTICEEOFHIGHHPREESSURRE

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(CenntrallInsstituuteoofGeeotecchniccalIInvesstigaationn,MMMI)

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(HighhwayAdmiinisttratiionBBureaau,SShanddongProvvincee)AbstracctThepapeerinntrodducessminnutellythhewhholeproccessoftthessoftinttercaalatiionsoliidifiicatiionoofacutsloppofBeijjing--Shannghaiifreeewayy(Huaa-Linnsecctionn).Allso,,onthebasiisoffinvvestiigatiingttheeenginneeriingggeoloogicaalcoondittionss,thheriigorroustheooretiicalcompputattionismmadeandthedesiignsschemmeissdettermiined..Duriingtthepproceessoofimmplemmentaationn,aspeccialtechhniquue"ssingllehoolellayerringmulttipllehiighppresssuregrouutinggtecchniqque"iisaddopteedtoosollidiffythhesooftiinterrcalaation,aandttheaanti--sheaarannchorrroddisinsttalleedsiimulttaneoouslyy,whhichreallizesstheecommbinaationnofanchhorrrodwwithgrouutingg,anndyiieldsspossitivvesuuccesssofftheeproojecct.

KKeywwordsscuttsloope;softtinttercaalatiion;soliidifiicatiion1前言

京滬滬高速公路路(化—臨段)某路塹邊邊坡，原設(shè)設(shè)計坡度為為1∶0.75，由于勘勘察程度不不夠，開挖挖后發(fā)現(xiàn)路路塹右坡有有一層厚度度達(dá)7m的軟弱弱夾層。施施工時被迫迫半坡度調(diào)調(diào)整為1∶0.85，但在開開挖過程中中仍然發(fā)生生了塌方。由由于高速公公路路塹邊邊坡屬于永永久工程，必必須采取有有效措施加加以處理。我我們承接了了這項任務(wù)務(wù)后，經(jīng)過過詳細(xì)的調(diào)調(diào)查和論證證，提出了了一套針對對該軟弱夾夾層處理的的綜合方案案，具體實實施取得了了圓滿成功功。2主要工程地質(zhì)質(zhì)特性及其其影響

2..1工程地地質(zhì)特性

邊坡巖巖石為石英英砂巖，淺淺部3～5m節(jié)理裂裂隙極為發(fā)發(fā)育(20～30條/m)，單體強強度較高，整整體穩(wěn)定性性較差，是是對邊坡穩(wěn)穩(wěn)定最為不不利的地質(zhì)質(zhì)層(見表1、表2)；邊坡巖巖體主要節(jié)節(jié)理裂隙構(gòu)構(gòu)造面傾向向與右坡坡坡面傾向一一致，這更更加劇了坡坡面整體的的不穩(wěn)定性性；更為嚴(yán)嚴(yán)重的是，在在路塹邊坡坡的底部路路基開挖線線以上有一一煌斑巖脈脈充塞的軟軟弱夾層，厚厚度約為77m，傾向向與公路軸軸向相同，并并由右坡向向左坡傾伏伏。從K1055+7600～K1055+9000約140mm的范圍內(nèi)內(nèi)外露在右右坡坡面上上，由于其其傾伏方向向與坡面傾傾向一致，對對右坡的穩(wěn)穩(wěn)定構(gòu)成了了很大的威威脅。

2..2邊坡失失穩(wěn)的原因因分析

根據(jù)上述述的工程地地質(zhì)特性，經(jīng)經(jīng)綜合分析析可以認(rèn)為為，軟弱夾夾層的存在在始終是構(gòu)構(gòu)成右側(cè)邊邊坡失穩(wěn)的的最直接和和最危險的的根源，原原因在于：：原始狀態(tài)態(tài)的軟弱夾夾層，含水水豐富，具具有良好的的導(dǎo)通性，內(nèi)內(nèi)有風(fēng)化形形成的泥沙沙充填，開開挖過程中中的大量失失水，以及及護坡完成成以后淅水水，長期的的沖刷必將將帶走部分分泥沙，直直接影響承承載力降低低，在上部部巖土壓力力的作用下下，其必發(fā)發(fā)生沉降變變形，致使使邊坡整體體失穩(wěn)，目目前發(fā)生的的局部塌方方直接原因因正在于此此；軟弱夾夾層傾伏方方向與右坡坡傾向一致致，在未作作任何加固固處理的情情況下，上上部巖體極極易沿軟弱弱面滑動；；軟弱夾層層厚度大(7m)，暴露范范圍大(約140mm)，并且出出現(xiàn)在坡角角以上的最最薄弱部位位，只要發(fā)發(fā)生微小變變形就有可可能引起整整個邊坡失失穩(wěn)，如果果不作處理理，后果嚴(yán)嚴(yán)重。3可能采用的主主要技術(shù)對對策

軟軟弱夾層以以上坡面巖巖石松軟破破碎，整體體穩(wěn)定性差差，在坡比比為1∶0.85的情況下下，如果不不受擾動是是可以穩(wěn)定定的。若下下部軟弱夾夾層發(fā)生位位移，則頂頂部破碎巖巖體必將發(fā)發(fā)生整體滑滑移。因此此，加固軟軟弱夾層本本身即是邊邊坡總體加加固的重要要組成部分分，而且是是至關(guān)重要要的一環(huán)。對對軟弱夾層層和破碎巖巖體的加固固有多種手手段，可能能采用的主主要技術(shù)對對策如下幾幾種。

3..1放坡

如果將坡坡度放緩到到1∶1.2，在坡面面上作5000mm厚厚的漿砌片片石保護層層，根據(jù)計計算分析，邊邊坡則可保保持長久穩(wěn)穩(wěn)定，問題題是這樣一一來勢必將將擴大征地地面積，并并大量增加加土石方開開挖工程量量。

3.2預(yù)應(yīng)力力錨固

在坡面上上作鋼筋砼砼腰梁，在在腰梁上施施工預(yù)應(yīng)力力錨桿，使使邊坡體里里外形成一一個完整的的力學(xué)體系系，這是比比較可靠和和保守的方方案，如果果僅采用普普通預(yù)應(yīng)力力錨桿錨固固，則改善善不了軟弱弱夾層本身身的穩(wěn)定性性，必須采采用高壓注注漿預(yù)應(yīng)力力錨固技術(shù)術(shù)，但這種種方案工程程量太大，且且施工困難難。

3.3高壓注注漿錨注法法加固

經(jīng)分析比比較，對于于象該路塹塹邊坡這樣樣的厚大軟軟弱夾層，運運用特殊的的施工工藝藝安裝錨桿桿的同時實實現(xiàn)高壓注注漿加固是是唯一的工工程選擇，理理由是：

a.漿體在軟軟弱夾層中中的有效擴擴散，凝固固后的漿體體在夾層中中形成骨架架，其本身身具有一定定的承載力力(漿體單軸軸抗壓強度度可達(dá)8MPa以上)。

b.高壓下漿漿體可在軟軟弱夾層中中劈裂，形形成原充填填物與漿體體的互層，使使軟弱夾層層中的充填填物整體改改性，改性性后其單軸軸抗壓強度度可提高50%以上。

c.對于象石石英砂巖這這類的破碎碎巖體而言言，實行高高壓注漿后后，漿液在在節(jié)理裂隙隙中有效擴擴散，將破破碎的巖體體連為整體體，其整體體穩(wěn)定性可可提高50%以上。

d.對于軟弱弱夾層及其其鄰近巖體體實施高壓壓注漿后，還還可有效地地封堵原有有的導(dǎo)水通通道，堵水水率可達(dá)90%以上，這這將有效根根除由于水水的存在而而造成的工工程隱患。

e.錨注孔成孔后及時插入兩根Φ22mm螺紋鋼，然后封孔進行高壓注漿，這樣便實現(xiàn)了錨和注的有機結(jié)合，可進一步提高邊坡的整體穩(wěn)定性。4高壓注漿機理理分析及主主要參數(shù)的的選擇

4..1高壓注注漿機理分分析

4.11.1計算依據(jù)據(jù)

《公公路路基設(shè)設(shè)計規(guī)范》(JTJJ013--95)、《土層層錨桿設(shè)計計與施工規(guī)規(guī)范》(CECCS22--90)。邊坡巖巖層的物理理力學(xué)參數(shù)數(shù)如表1、表2所示：表1巖體及邊坡軟軟弱夾層物物理力學(xué)性性質(zhì)參數(shù)類型重度/(kN.L--1)m-3)巖體抗剪強度層面抗剪強度天然飽水c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)軟弱夾層25.025.43527526夾層上下巖體27.027.360312030

表2石英砂巖巖體體工程質(zhì)量量評價結(jié)果果RQD/%節(jié)理裂隙密度

條條/m巖體質(zhì)量評價深部淺部深部淺部NGI記分CSIR記分深部淺部深部淺部45402020～301.20.814529

4.1.2被被灌介質(zhì)強強度增長機機理

注注漿的目的的是為了改改良土和巖巖石的現(xiàn)有有性質(zhì)從而而在被灌范范圍內(nèi)產(chǎn)生生一種新的的介質(zhì)，其其化學(xué)機理理包括如下下三個方面面：

a.化學(xué)膠結(jié)結(jié)作用。無無論是水泥泥漿還是化化學(xué)漿液的的灌注，都都伴隨著產(chǎn)產(chǎn)生膠結(jié)力力的化學(xué)反反應(yīng)，使巖巖土整體結(jié)結(jié)構(gòu)得到加加強。

b.惰性充填填作用。填填充在巖石石、土孔隙隙中的漿液液凝固后，因因其具有不不同程度的的剛性改變變了巖層及及土體對外外力的抵抗抗能力，使使巖土的變變形受到約約束。

c.離子交換換作用。被被灌漿液在在化學(xué)反應(yīng)應(yīng)過程中，某某些化學(xué)成成分能與巖巖土中的元元素進行離離子交換，從從而形成具具有更加理理想性質(zhì)的的新材料。

4.1.3劈裂注漿力學(xué)機理分析

就單個注漿孔而言，高壓劈裂注漿的力學(xué)機理實際上就是一個圓孔擴張問題，如圖1所示，隨著圓孔的擴張，孔壁周圍形成一個塑性區(qū)，再往外仍為彈性區(qū)。為了便于分析，可作如下基本假設(shè)：圖1圓孔擴張示意意孔周邊材料料為均質(zhì)各各向同性的的理想彈塑塑性體，服服從Tressca或Mohrr-Couulombb屈服準(zhǔn)則則。

選選取坐標(biāo)系系，平衡方方程、幾何何方程分別別為：(1)(2)(3)對于圖1所所示的圓孔孔擴張問題題，在r≥b的彈性區(qū)區(qū)內(nèi)，根據(jù)據(jù)不同模量量彈性理論論，其本構(gòu)構(gòu)方程為(規(guī)定壓應(yīng)應(yīng)力為“+”，拉應(yīng)力力為“-”)：

(4)式中：E-、EE+分別表示示材料的抗抗拉、抗壓壓模量；υ+、υ-分別為相相應(yīng)的抗壓壓、抗拉泊泊松比。

經(jīng)過復(fù)復(fù)雜的推導(dǎo)導(dǎo)，可求得得彈性區(qū)內(nèi)內(nèi)的應(yīng)力及及位移為：：(5)式中：(6)由式(5))可知，在r=b處，材料料的應(yīng)力和和位移分別別為：(7)由于r=bb處為彈塑塑性狀態(tài)的的界面，Pc則為臨界界擴張壓力力。

在a≤r≤b的塑性區(qū)區(qū)內(nèi)，屈服服準(zhǔn)則的不不同，其擴擴張壓力及及塑性區(qū)的的大小也將將不同，下下面根據(jù)Tressca屈服準(zhǔn)則則討論塑性性區(qū)的擴張張規(guī)律，Tressca準(zhǔn)則屈服服條件為：：σr-σθ=2K(8)式中K為材材料的屈服服強度，在在r=b時，應(yīng)用用式(7)、(8)即可求得得臨界擴張張壓力：(9)再經(jīng)過復(fù)雜雜的推導(dǎo)，可可導(dǎo)出最終終擴張壓力力Pu(r=a處)：(10)塑性區(qū)最大大半徑b：(11)以上各式中中的系數(shù)分分別為：(12)根據(jù)以上分分析可以看看出，歸根根結(jié)底是壓壓力的問題題，高壓劈劈裂注漿主主要是靠孔孔壁注入壓壓力的有效效傳遞才能能達(dá)到加固固和漿液有有效擴散的的目的。高高壓下，可可使軟弱夾夾層擠密、脫脫水和壓實實。從理論論上說，壓壓力越大，擠擠密效果越越好。由于于通過孔壁壁向四周傳傳遞的壓力力的不均勻勻性，孔數(shù)數(shù)越密，則則巖土層壓壓實越均勻勻，就越有有利于達(dá)到到有效加固固之目的。

通過對圓孔擴張問題的研究，可知只有加大注漿壓力至P=Pc時，才能形成塑性區(qū)。當(dāng)巖土層物理力學(xué)特性一定時，塑性區(qū)半徑b是一定的(式11)。因此所設(shè)計的注漿孔的終孔間距不得大于2b，這樣才能保證在軟弱夾層中形成一個連續(xù)的塑性壓實區(qū)。經(jīng)詳細(xì)計算，注漿孔的終孔間距不得大于3m。

隨著注漿壓力的不斷增大，當(dāng)P＞Pc以后，塑性區(qū)內(nèi)的巖土層被擠實，開始沿注漿孔軸向發(fā)生劈裂，形成軟弱夾層與注漿體的互層(見圖2)，徹底改變了孔壁周圍軟弱夾層的物理力學(xué)性質(zhì)，從而達(dá)到劈裂加固軟弱夾層的根本目的。圖2漿體產(chǎn)生劈裂裂示意4.2高壓注注漿參數(shù)選選擇

根根據(jù)以上導(dǎo)導(dǎo)出的計算算公式，編編制計算程程序，經(jīng)上上機計算，得得出該邊坡坡軟弱夾層層及塌方區(qū)區(qū)加固設(shè)計計應(yīng)采用的的主要參數(shù)數(shù)。

4.22.1注漿壓力力選擇

注漿壓力力P＞Pc是產(chǎn)生軸軸向劈裂的的臨界條件件，由該路路塹邊坡軟軟弱夾層巖巖土體的物物理力學(xué)參參數(shù)(表1)結(jié)合式(9)計算出理理論上注漿漿壓力不得得低于3.0MMPa。

4.2..2錨注孔孔參數(shù)確定定

鉆孔孔密度確定定為3.00m×3.0mm，鉆孔深深度為100m，孔內(nèi)內(nèi)插入兩根根Φ22螺紋鋼筋筋以增加其其抗剪力。5施工方案的確確定及實施施

5.1方案確確定

按按上述方案案及相應(yīng)參參數(shù)選擇的的原則和結(jié)結(jié)果，確定定了最終施施工方案，即即：1)在軟弱夾夾層實施高高壓注漿(圖3)；2)在高壓注注漿的同時時安裝抗剪剪錨桿。圖3軟弱夾層高壓壓注漿方案案5.2方案實實施

由由于是在露露天坡面上上實施高壓壓注漿，工工藝要求嚴(yán)嚴(yán)格，難度度很大，主主要有以下下兩點：1)由于軟弱弱夾層本身身加之周圍圍巖體的破破碎，淺層層擴散的漿漿液將從節(jié)節(jié)理裂隙溢溢出，而且且由于范圍圍大，難于于采取有效效措施加以以封堵，也也就無法施施加高壓力力；2)由于沒有有加固的軟軟弱夾層和和破碎巖體體本身承載載力低，施施加高壓時時，如漿體體在淺層擴擴散，掌握握不好會造造成表面巖巖層的崩裂裂，不但實實現(xiàn)不了加加固的目的的，而且還還有可能造造成對坡面面的破壞。

5.3實施工藝

由于該邊坡地質(zhì)情況十分復(fù)雜，要達(dá)到設(shè)計要求，只是采用常規(guī)的注漿工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，本次施工擬采取特殊的施工技術(shù)和工藝來完成這一任務(wù)：

a.預(yù)埋孔口管。為防止破碎帶中難以一次成孔以及實施高壓注漿的需要，鉆孔前，先開1.5m深的Φ115mm鉆孔，埋入孔口管。

b.注漿。本次注漿采用了單孔分層多次高壓注漿加固技術(shù)，主要工藝步驟如下：1)一次注漿。不加壓，以孔口溢漿為準(zhǔn)；2)二次注漿。養(yǎng)護15h后進行，注漿壓力設(shè)定為3MPa；3)三次注漿。二次注漿后3h內(nèi)進行，注漿壓力設(shè)定為5MPa。6施工過程及效效果

6.1施工過過程

首首先按設(shè)計計要求在軟軟弱夾層上上打孔注漿漿，施工開開始時曾多多次發(fā)生卡卡鉆塌孔事事故，耽誤誤了一定的的工期，再再加上時至至雨季，邊邊坡頂部的的裂縫有不不斷擴大的的趨勢，調(diào)調(diào)整了施工工順序，及及時進行裂裂縫灌漿，有有效地穩(wěn)定定了邊坡，經(jīng)經(jīng)過60d的努力，完完全按設(shè)計計要求完成成了全部施施工任務(wù)。

6.2施工效果

6.2.1軟弱夾層的力學(xué)性能明顯改善(見表3)表3邊坡軟弱夾層層注漿前后后物理力學(xué)學(xué)參數(shù)比較較類型重度/(kN.L--1)m-3)巖體抗剪強度層面抗剪強度天然飽水c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)軟弱

夾層原始狀態(tài)25.025.43527526注漿后25.926.042281928

6.2.2邊邊坡整體趨趨于穩(wěn)定

施工結(jié)結(jié)束后，經(jīng)經(jīng)對坡頂標(biāo)標(biāo)志裂縫的的量測