孫九春,許四法,王旭鋒,王 哲,王 瑞,,奚曉廣

(1.騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,上海 200120;2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,浙江 杭州 310023;3.深圳龍?jiān)淳旖ㄔO(shè)集團(tuán)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(shí)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_(kāi)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(lái)越多地被應(yīng)用于地基處理中[1-3]。近年來(lái),通過(guò)采用注漿方式對(duì)既有建(構(gòu))筑物因周邊卸荷產(chǎn)生的水平方向變形進(jìn)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(guò)程中,隨著漿液的注入會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擠壓作用,導(dǎo)致臨近土體產(chǎn)生水平變形。因此在注漿加固時(shí),合理地確定注漿參數(shù)是關(guān)鍵所在。李享松等[8]對(duì)注漿材料參數(shù)及注漿孔距進(jìn)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析布袋注漿樁對(duì)軟黏土路基進(jìn)行加固,結(jié)果表明:樁體經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間并成型后,標(biāo)準(zhǔn)條件下施工時(shí)注漿壓力對(duì)擠土產(chǎn)生的影響很小,且樁體周?chē)耐馏w水平變形會(huì)出現(xiàn)較大回彈,回彈位移值為注漿當(dāng)天的40%～60%。Kleinlugtenbelt[10]采取室內(nèi)模型試驗(yàn)方法,對(duì)漿液注漿時(shí)由于注漿量、注漿點(diǎn)和注漿速率等參數(shù)的改變引起土體變形的影響進(jìn)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(shì),但由于超靜孔隙水壓力消散,土體變形會(huì)出現(xiàn)部分的回彈。鄭剛等[11]通過(guò)在粉質(zhì)黏土地層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn),研究了注漿量、注漿位置和注漿時(shí)間間隔等注漿參數(shù)對(duì)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(shí)間和空間參數(shù)對(duì)臨近地連墻的變形影響,進(jìn)而對(duì)隨時(shí)間的變化產(chǎn)生的注漿效果進(jìn)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(fù)。張柯[13]為防止注漿過(guò)程產(chǎn)生劈裂降低注漿效果的不利影響,通過(guò)在原注漿管的外壁套上一層土工膜袋,觀測(cè)注漿過(guò)程中土體的水平位移,結(jié)果表明漿體周?chē)馏w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(duì)不同注漿方式進(jìn)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(shì)。

雖然針對(duì)注漿技術(shù)在建(構(gòu))筑物抬升的研究較多,但注漿也會(huì)引起周邊土體產(chǎn)生較大的水平變形,進(jìn)而對(duì)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(xiàng)目,研究注漿過(guò)程對(duì)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(lèi)似工程的設(shè)計(jì)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(qiáng)、可重復(fù)抬升注漿的特點(diǎn)。袖閥管注漿時(shí)首先依據(jù)所需注漿深度通過(guò)鉆孔機(jī)進(jìn)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(guò)鉆孔機(jī)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(zhǎng)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(wú)法下沉?xí)r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(qiáng)度后進(jìn)行注漿,在注漿時(shí)需將注漿管插入袖閥管預(yù)定深度處,注漿完成后需對(duì)注漿器進(jìn)行清洗,此種注漿方法可實(shí)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(shí)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(xué)指標(biāo)如表1所示,地層潛水位埋深一般為1.80～5.20 m,對(duì)應(yīng)的標(biāo)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(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

注漿目標(biāo)地層主要涉及黏質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土地層,試驗(yàn)研究注漿參數(shù)對(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示:工況1通過(guò)只改變注漿量的方式探究對(duì)周邊土體變形的情況;工況2在其他相同條件下,通過(guò)在不同深度進(jìn)行注漿以分析注漿深度對(duì)土體變形的影響。注漿試驗(yàn)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(guò)對(duì)3個(gè)注漿孔進(jìn)行注漿,分別記為1#孔、2#孔、3#孔,3個(gè)孔呈現(xiàn)等邊三角形布置,間距均為6 m;測(cè)斜管為CX-1～CX-4,孔壓計(jì)孔為KY-1～KY-3,每個(gè)孔壓計(jì)孔中均埋設(shè)有孔壓計(jì),埋設(shè)深度均為7 m。測(cè)斜管到注漿孔的間距有2 m和4 m,測(cè)斜管和孔壓計(jì)孔的距離為0.5 m,二者呈現(xiàn)并排布置。

表2 注漿試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

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

2.2 試驗(yàn)方法

一共分為2組對(duì)比試驗(yàn):第1組為試驗(yàn)編號(hào)1～3,該組試驗(yàn)注漿時(shí)間為2 d,其中試驗(yàn)編號(hào)1和2在第1天完成,試驗(yàn)編號(hào)3在第2天完成;第2組為試驗(yàn)編號(hào)3～5,其中該組試驗(yàn)編號(hào)4和5在第3天完成。

注漿試驗(yàn)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(duì)象:1#注漿孔對(duì)應(yīng)的測(cè)斜孔是CX-1和CX-3,對(duì)應(yīng)的孔壓計(jì)孔是KY-1和KY-3;2#注漿孔對(duì)應(yīng)的測(cè)斜孔是CX-2和CX-4,對(duì)應(yīng)的孔壓計(jì)孔是KY-2和KY-3;3#注漿孔對(duì)應(yīng)間距2 m的測(cè)斜孔是CX-3和CX-4,對(duì)應(yīng)間距4 m的測(cè)斜孔是CX-1和CX-2,對(duì)應(yīng)2 m的孔壓計(jì)孔是KY-3,對(duì)應(yīng)4 m的孔壓計(jì)孔是KY-1和KY-2。為避免注漿時(shí)測(cè)斜孔之間相互影響,結(jié)合鄭剛等[11]的研究,本試驗(yàn)將注漿間隔時(shí)間設(shè)定為24 h,即當(dāng)天注漿結(jié)束后間隔1 d再進(jìn)行注漿,并在注漿過(guò)程中和注漿結(jié)束至下一次注漿期間對(duì)測(cè)斜管進(jìn)行測(cè)斜和孔隙水壓力監(jiān)測(cè),然后對(duì)測(cè)斜和孔壓計(jì)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

3 注漿參數(shù)對(duì)土體位移的影響

3.1 土體水平位移隨時(shí)間變化

在試驗(yàn)編號(hào)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(shí)間的變化如圖3所示。注漿開(kāi)始后土體水平位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),且注漿后0.5,6,10 h時(shí)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(shí)間的增加,土體水平位移逐漸減小。這是由于注漿時(shí)土中超靜孔隙水壓力增大,隨著時(shí)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(shí)便趨于穩(wěn)定。

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

3.2 注漿量對(duì)土體水平位移的影響

在試驗(yàn)編號(hào)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(shì),3 m以下范圍土體變形較大,表明注漿導(dǎo)致的土體變形不僅僅發(fā)生在注漿所在深度處,還會(huì)對(duì)注漿上部一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生較大影響。當(dāng)注漿量為80,100 L時(shí),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(dāng)注漿量為120 L時(shí),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(guò)分析可知距離注漿孔越近時(shí)土體的水平變形也越大,試驗(yàn)編號(hào)2和3的結(jié)果也均符合這個(gè)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(duì)土體水平位移的影響

在試驗(yàn)編號(hào)為4,5,6的工況下,對(duì)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(cè)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(duì)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(yàn)結(jié)束后進(jìn)行土體開(kāi)挖,將開(kāi)挖出的結(jié)石體放入長(zhǎng)方體水箱中浸沒(méi),通過(guò)排水體積法得到注漿體體積。根據(jù)各階段統(tǒng)計(jì)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(shí)結(jié)石體體積最小,注漿量為120 L時(shí)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(duì)結(jié)石體體積變化并不明顯,表明不同深度注漿對(duì)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(shí),漿液中存在很多的水分,水在硬化的過(guò)程中流失進(jìn)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(shí)孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線,圖7中虛線表示注漿開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間。試驗(yàn)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(guò)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(guò)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(shí)地層孔隙水壓力隨時(shí)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(guò)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(guò)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(shí)孔隙水壓力隨時(shí)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(shí)孔隙水壓力隨時(shí)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(shì),當(dāng)注漿結(jié)束孔隙水壓力趨于平穩(wěn)時(shí)會(huì)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(yuǎn)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(shí),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(cè)斜管監(jiān)測(cè)的土體變形也越大,即二者呈正相關(guān)。

5 結(jié) 論

通過(guò)袖閥管現(xiàn)場(chǎng)注漿進(jìn)行實(shí)測(cè)的方式,探究了注漿對(duì)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(duì)土體變形的影響,以及注漿對(duì)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(shì);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(duì)土體變形的影響試驗(yàn)表明注漿所在深度處土體水平變形也相對(duì)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(shì),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(kāi)挖所得每階段結(jié)石體體積均約為對(duì)應(yīng)注漿量的30%。