淤泥质黏土地基注浆加固效果的研究.pdf

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・岩土工程・淤泥质黏土地基注浆加固效果的研究徐京海(上海铁路局建设管理处上海200071)摘要注浆是软土地区地基处理常用的方法之一,以上海某铁路软土地基注浆加固工程为依托,针对其第四层淤泥质黏土,就不同浆液含量及水灰比下注浆土的力学和水理特性进行了室内试验研究。并通过数值模拟分析了不同浆液含量及水灰比下注浆土对地基注浆加固的效果,得出淤泥质黏土注浆时浆液含量及水灰比的合理范围,可为类似工程实践提供参考、借鉴。关键词铁路地基淤泥质黏土注浆加固室内试验数值模拟中图分类号U213.1+5文献标识码A———文章编号10094539(2014)06010905StudyonGroutingReinforcementEffectofMuddyClayGroundXuJinghai(ConstructionProjectManagementOfficeofShanghaiRailwayAdministration,Shanghai200071,China)AbstractGroutingisoneofthecommonmethodsusedingroundtreatmentinsoftsoilareas.Inthispaper,basedonaprojectofgroutingreinforcementforrailwaybedinsoftsoilinShanghai.aseriesofexperimental℃℃rseaIhwithdifferentslurrycontentsandwater-cementratiosofgroutedsoilwerecarriedoutonthemechanicalpropertiesandwatercharacter.Meanwhile,groutingreinforcementeffectsofdifferentslurrycontentsandwater-cementratiosofgroutedsoilwereanalyzedbynumericalsimulation,fromwhichrationalrangeofslurrycontentsandwater-cementratiosofgroutingaredrawnfor—groutinginmuddyclayareastoprovidereferencesforsimilarproject.Keywordsrailwaybed;muddyclay;groutingreinforcement;experimentalresearch;numericalsimulation1引言铁路对地基沉降有严格的控制标准,在华东沿海一带,淤泥质黏土分布广泛,由于其具有含水率高、孔隙比大、压缩系数高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、透水性差、蠕变显著且承载力低等特点¨J,淤泥质黏土地基处理在铁路工程建设中备受重视。对于深层淤泥质黏土,常采用排水固结或复合地基处理,此类方法虽然造价比较低,但很难满足地基的沉降控制标准。注浆技术是利用送压设备将能够固化的浆液材料通过钻孑L注入地层中颗粒的间隙、土层的界面或岩层裂隙内,使其扩张、胶结、固化,以降低地层的渗透性,增强地层强度,防止地基沉降、变形,从——收稿日期:20131213而使土层(岩层)的力学性质和水理性质都得以改善的处理技术旧j,因其施工设备简单、投资小、工期短、见效快、对环境影响小以及加固深度可深可浅,在铁路地基加固中得到了应用,但不多见,其加固效果有待深入进一步分析研究。以上海某铁路软土地基注浆加固工程为依托,通过室内试验和数值模拟,对其第四层淤泥质黏土的注浆加固效果进行分析研究,为日后类似工程注浆加固方案的合理制定提供参考、借鉴。2工程概况上海某铁路路段工后地基沉降仍未趋于稳定,不满足控制标准,地基需要加固补强。根据工程地质勘察报告,拟加固区段内的地基土自上而下分为人工填土、黏土、粉土、淤泥质黏土、粉砂、粉细砂铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTF_HNOLOGY2014f6J109万方数据・岩土工程・等,其相应的物理特性描述如下:①。人工填土,杂色,松散;②。黏土,褐黄色,硬(可)塑;②:黏土,灰黄色,软塑;②。粉土、粉砂,灰色,松散一稍密,饱和;③,淤泥质黏土,灰色,流塑;③:粉土夹粉质黏土,灰色,稍密,饱和;④淤泥质黏土,灰色,流塑;⑤。黏土,灰色,软塑;⑤:粉土,灰色,稍密~中密,饱和;⑤:-I粉砂,灰色,稍密一中密,饱和;⑤,粉质黏土,灰色,软(可)塑;⑤。黏土,灰一灰绿色,可塑;⑥,粉质黏土,暗绿~草黄色,硬(可)塑;⑥l粉土,草黄色~灰色,中密一密实,饱和;⑦:粉细砂,灰色,密实,饱和。3室内试验3.1土样的选择上海某铁路路段地基采用花管注浆加固补强,②③④⑤④注浆加固地层涉及3、1、、3四层,其中第层的淤泥质黏土厚度约占整个注浆层厚度的30%,④因此,选第层淤泥质黏土作为试验材料,通过对④第层淤泥质黏土进行室内重塑土与注浆土的对比试验,来研究淤泥质黏土地基注浆前后土体力学及水理特性的变化规律。3.2试样的制备④采用上海某铁路路段地基第层淤泥质黏土作为试验原料土,制备重塑土试样和注浆土试样。重塑土试样的制备为:取其原状淤泥质黏土,风干粉碎,过2mm筛后,用蒸馏水配制含水率为32%的重塑土土样,并将其搅拌均匀后密封静置24h,确保土颗粒与水充分融合,之后按试验所需切取试样。注浆土试样的制备为:取其原状淤泥质黏土,风干粉碎,过2mm筛后,据试验需要,用蒸馏水配制浆液含量为5%(或10%、15%)、水灰比为1:0.5(或1:0.75、1:1)的注浆土土样,并将其搅拌均匀后密封养护28d,之后按试验所需切取试样。3.3试验结果的分析将制备好的重塑土、注浆土试样,按《土工试验规程》中的相关规定,进行以下5项室内试验。110(1)压缩固结试验表l是重塑土、注浆土试样进行压缩固结试验所得数据,从中可知,注浆土试样的压缩系数O,1.2均比重塑土的小,压缩模量E妣均比重塑土的大;注浆土,当其水灰比为l:1.0时,随浆液含量的提高,其压缩系数不断减小,而压缩模量不断增大,当其浆液含量为10%时,随水灰比的增大,其压缩系数不断减小,而压缩模量不断增大。由此可见,注浆能改善土体的压缩固结特性,注浆土浆液含量或水灰比越大,对土体压缩固结性能的改善越显著。表1压缩固结试验结果压缩系数压缩模量土样形式浆液含量水灰比a1.2/MPa一1E。I.2/MPa重塑土0.5663.2l5%1:1.O0.2039.571:0.500.5293.68注浆土10%1:0.750.3685.35l:1.0O.11317.715%l:1.00.064531.5(2)流变特性试验图1是重塑土、注浆土试样在固结压力为400kPa的情况下进行流变特性试验所得的流变特性曲线,表2是其对应的流变稳定时间及其相应变形量数据,从中可知,注浆土试样的流变稳定时间及其相应变形量均远小于重塑土;注浆土,当其水灰比为l:1.oN,随浆液含量的提高,其流变稳定时间先减后微增,而其微增可能是由于试验误差所致,相应变形量却不断减小,当其浆液含量为10%时,随水灰比的增大,其流变稳定时间及相应变形量不断减小。由此可见,注浆能改善土的流变特性,注浆土浆液含量或水灰比越大,对土体流变特性的改善也越显著。铁道建筑技术010000200003000040000时间/min图1流变特性曲线RAILWAYcO ̄s丁开UC丁fONTEHNOLOGY2014f6J∞∞踯加如柏如加mEEIo.o\醅州嬗鲥万方数据・岩土工程・表2流变特性试验结果变形量/土样形式浆液含量水灰比稳定时间/rain0.0lmm重塑土2000078.55%l:1.0430041.4l:0.50830066.1注浆土10%l:0.75300059.5l:1.Ol50017.715%l:1.O28009.1(3)渗透试验表3是重塑土、注浆土试样在固结压力为50kPa、渗透压力为10kPa的情况下进行渗透试验所得的标准℃温度为20时的渗透系数数据,从中可知,注浆土的渗透系数均比重塑土的大;当浆液含量在10%及其以下时,注浆土的渗透系数与重塑土的渗透系数在同一数量级上,差别不大,当浆液含量达15%时,注浆土的渗透系数要比重塑土的大一个数量级,影响较大;在浆液含量为10%时,注浆土的渗透系数随浆液水灰比的增大而先减小后增大。由此可见,注浆并不能改善土的渗透性,注浆时,当浆液含量在10%以下、水灰比为1:0.75~1:1.0时,对土的渗透性影响较小,可忽略,若注浆浆液含量太高,则会恶化土体的渗透性,建议注浆土的浆液含量取10%左右,水灰比范围取1:0.75~1:1.0。表3渗透试验结果土样形式浆液含量水灰比渗透系数/(cm・s一)重塑土1.32E一075%l:1.01.67E一07l:0.504.52E一07注浆土10%l:0.752.32E一071:1.03.16E一0715%l:1.0—1.02E06(4)直剪试验图2是重塑土、浆液含量为10%的注浆土试样直剪试验的剪切强度曲线,表4是其对应的黏聚力、内摩擦角数据,从中可知,注浆土试样的黏聚力、内摩察角均比重塑土的要高;随着注浆土水灰比的增大,其黏聚力不断增大,内摩察角先增后减,且当水灰比为1:0.75~1:1.0时,对土体黏聚力、内摩擦角的改善效果显著。由此可见,注浆能改善土体的抗剪强度,注浆土水灰比越大,对土体抗剪强度性能的改善也越显著,但水灰比过大,易造成浆液堵管,建议水灰比的范围取l:0.75~l:1.0。。重塑土,j主浆土I浆液舍量10%,水灰比为1:05)图2剪切强度曲线表4直剪试验结果土样形式浆液含量水灰比黏聚力/kPa内摩擦角/(。)重塑土7.708lO.3ll:0.509.63530.03注浆土10%l:0.7532.56627.80l:1.O73.51525.06(5)无侧限抗压强度试验图3是重塑土、浆液含量为10%的注浆土试样无侧限抗压强度试验的抗压强度曲线,表5是其对应的无侧限抗压强度数据,从中可知,注浆土的无侧限抗压强度均远比重塑土试验的大;随着注浆土水灰比的增大,其无侧限抗压强度大幅增加,尤其表现在水灰比为1:0.75~1:1.0的阶段。由此可见,注浆能改善土体的抗压强度,注浆土水灰比越大,对土体抗压强度性能的改善也越显著,但考虑到土体无侧限抗压强度的大小以及增大水灰比对—成本的影响,建议水灰比的范围为1:0.751:1.O。表5无侧限抗压强度试验结果土样形式浆液含量水灰比无侧限抗压强度/kPa重塑土18.11:0.5046.2注浆土10%l:0.7579.01:1.O289铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTEHNOLOGY2014(6)111万方数据・岩土工程・重塑土为l:O.5)为1:O.75)为1:1)轴向厘雯/%图3抗压强度曲线4数值模拟4.1模型的建立研究表明,可以通过施加各向同性的膨胀压力、各向异性的膨胀压力或垂直于浆液延伸面的压”“力来模拟注浆]。因此,可采用有限差分软件FLAC30在浆液延伸面上施加垂直压力,使其体积膨胀,进而模拟注浆过程。数值模拟所建模型长宽高尺寸为64.6mX10m×40m,是参考上海某铁路路段地基各层厚度,据注浆影响的范围简化而得,如图4所示,所模拟注浆范围为路基正下方地基第四层淤泥质黏土,注浆长度24.6m,注浆压力为0.5MPa,注浆层采用试验所得参数,其余各层土体参数均采用现场勘测试验数据,见表6,路基及垫层重及列车荷载均折算成均布荷载作用于地基表面相应位置处,破坏准则选用Mohr.Coulomb准则。表6土层物理力学参数黏聚力/内摩密度/体积剪切土层kPa擦角/(o)(kg・m一3)模量/MPa模量/MPa①13.0015.00l7601.8670.622②l28.56lO.1l18108.1501.746②39.21020.7718207.4173.423③19.1lO6.6617546.5001.099③28.75012.26180310.552.26l④7.70810.3ll7406.6881.130⑤28.53015.8618324.5422.096⑤311.5l10.3417834.8891.630112≤ii{:1j;?};|:=!:i’i!|__...:iIiiiii||_|_i’。。;:_==善蓦ii|i_}iIⅢ㈨引::::置:一‘’_:一k:。..一iiI图4计算模型4.2模拟结果的分析图5为地基第四层淤泥质黏土分别为原状土和注浆土时各层竖直位移的模拟计算结果,图6为据其对称轴一定距离的地表各点竖直位移变化曲线,其对称轴为模型上表面之中线,也即路基中心线的竖向投影。由图6可知,对地基注浆可抑制地表的沉降;在注浆浆液含量为10%的情况下,随其水灰比的增大,地表的沉降量不断减小,突出表现在水灰比为l:0.75~1:1.0的范围内。C加tollf—●●●of:ZrM口IjcmBt■■●M口tc-1.ooo・ooo■’●●・773-001●●’to一1.7oo-Oo■’■●■●・.7oo-Oo'to・'.ooo-Oo'’■■■●’一・.oooe-001o・1.2oo.oo’●●n・2oo-001●’to一1.oooo-Oo●■●n-'.oooo-001协-7.ooo-OO:■n-7.ooot-002■●to一.oooo-002■■n-.oooo-002■■to-2.ooo-002‘●n-2ooo-002to■o.oooo・ooo●几o.oooo・oooto●●2.ooo・002—■■2.oooH口02tO■■■●3'・002●●■●一Int,、,--2-002Va.原状土b.注浆土图5竖直位移模拟结果一原状土图6地表竖直位移图7为地基第四层淤泥质黏土分别为原状土和铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTEHNOLOGY2014{61万方数据・岩土工程・注浆土时各层水平位移的模拟计算结果,图8为据其对称轴一定距离的地表各点水平位移变化曲线。由图8可知,对地基注浆可减缓地表的侧移;在注浆浆液含量为10%的情况下,随其水灰比的增大,地表的侧移量不断减小,突出表现在水灰比为1:0.75—1:1.0的范围内。—∞∞Cdatcma-ofX1)ibc自nt■’M毒口fc-.oooe+004■’●—H奉1-002la"-4.0000t-002■—4.口ooot-002to・3.000口e-00窖■—略。o000-002to・2.0000--002r】-2,oooot-002●t口-I.0000-002’n一*0000m-OO.IZto0.ooooe・000几o、ooooe・oooto'.0000e"-002■n',口000-00霉to2.0000e-00叠n2.oooOe-00耋to,.ooooe--002●口3。o000-00皇to4.o000e-002■●4.oa00-00.空to4—E喜孽嚣e002●一In*,目Brvo・’.oe--oo:a.原状土b.注浆土图7水平位移模拟结果一原状土图8地表各点水平位移5结论基于上述室内试验和数值模拟结果,对上海某铁路路段地基进行注浆加固,约1年之后,路基沉降趋于稳定,并得出以下结论:(1)对淤泥质黏土地基层进行注浆加固,虽然(上接第108页)是根除隐患最有效最主动的手段之一。5结束语能增大土体的抗剪抗压强度,改善土体的压缩固结及流变特性,抑制地表沉降及侧移,但并不能改善土体的渗透性。(2)浆液的含量及其水灰比有一合理范围,不能过大或过小,若浆液含量及其水灰比过小,虽对土体渗透陛的影响可忽略不计,但对土体其它性能的改善不明显,注浆加固效果不显著;若浆液含量过大,则会恶化土体的渗透性;若水灰比过大,一方面注浆成本增加,另一方面易造成浆液堵管。(3)通过分析不同浆液含量、水灰比情况下的室内试验及数值模拟结果,综合考虑浆液含量及水灰比的大小对土体渗透性、成本、是否易堵管以及其它注浆效果的影响,建议注浆浆液含量取10%左—右,水灰比范围取1:0.751:1.0。参考文献[1]陈林.浅谈软土地基的处理方法[J].科技咨询导报,2007(7):68.[2]王中奎.注浆技术应用与发展[J].辽宁交通科技,2004—(10):8284.[3]AusKA,SogaK,BohonMD.Effectof—multipiein-jectiononlong・termcompensationgrouting-laboratoryandnumericalstudies[c].Toulouse,France:R.Kastner,—2002:657661.[4]Faik,SoilE.Improvementbyinjectionofsolidmaterialwithhydraulicenergy[D].German:InstitutforGrandbauandBodenmechanik,TechnischeUnivemitatWien,2002.[5]KummererC.Numericalmodelingofdisplacementgrou・tingandapplicationtocase—histories[M].Graz:TechnischeUniversitatGraz,2003.[6]WisserC,AugardeCE,BurdHJ.Numericalmodelingofcompensationgroutingaboveshallowtunnels[J].In-ternationalJournalforNumericalandAnalyticalMethodsin—Geomechanics,2005(29):443471.根本上解决接触网锚柱顺线路方向倾斜的安全隐患,从而为接触网安全运营维护打下坚实基础。参考文献上述措施已经用于工程施工中,使接触网锚柱H1饕嘉翼黼芾嚣慧葛雾断事故抢的倾斜机率大大降低。这些措施的采用在接触网[23于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都:西南交通施工中只能算是克服了一些惯性缺点,但应研究从大学出版社,2003.铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTEHNOLOGY2014f6J113万方数据
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