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    科學技術論文

    基于非均質地層模型的注漿微型樁加固路基效果分析

    時間:2021年07月13日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    [摘要]針對路基沉降等公路路基病害治理問題,考慮病害路基土性參數的空間非均質性,對注漿微型樁加固路基特性進行分析;陔S機分形算法生成孔隙率、彈性模量、滲透系數的隨機分布剖面圖,構建非均質地層模型,對路基進行注漿擴散模擬;基于注漿擴散計算結果

      [摘要]針對路基沉降等公路路基病害治理問題,考慮病害路基土性參數的空間非均質性,對注漿微型樁加固路基特性進行分析;陔S機分形算法生成孔隙率、彈性模量、滲透系數的隨機分布剖面圖,構建非均質地層模型,對路基進行注漿擴散模擬;基于注漿擴散計算結果,分析注漿微型樁加固路基的作用效果。結果表明:由于地層物理參數分布的不均勻性,注漿漿液擴散邊界和固化區域分布不規則;漿液充填樁體周圍土層孔隙,硬化并膠結形成結石體,可以明顯改善樁周土的物理力學性能,提高樁的樁側摩阻力和樁端阻力;注漿微型樁加固后的路基在荷載作用下的位移沉降量明顯降低,路基加固后承載能力明顯提高。研究對注漿微型樁的工程應用具有重要的指導意義。

      [關鍵詞]巖土工程;路基加固;數值模擬;注漿微型樁;非均質地層

    路基沉降

      0引言

      資料顯示,中國高速公路由于路基病害造成的路面早期病害占以上[12]。路基沉陷[34]、邊坡滑塌[5]、碎落和崩塌等常見的路基病害常導致路面病害,需采用適當措施進行病害路基的修復加固。周德泉等[69]將注漿技術與路基加固理論相結合,利用注漿手段加固病害路基,取得了較好的治理效果。路基土體在振動荷載作用下會產生液化、流變,導致路基發生豎向和側向變形,單純的注漿加固不能完全解決病害路基的側向變形問題。微型樁通常用于建筑物的糾偏、基礎加固、滑坡治理以及基坑或邊坡的支護[1015],利用注漿微型樁進行路基的注漿加固能夠充分發揮漿液與樁體自身的作用,有效解決路基沉降變形問題。

      土具有原位變異性[16]與非均質性,土體物理力學特征及空間分布呈非均勻性[17,21]。病害路基土體物性指標及空間分布特征影響漿液運動擴散范圍,針對病害路基土體物理力學參數空間非均質性,將路基地層的特征和特性視為隨機過程,構建非均質的路基地層模型,是分析病害路基地層內漿液運動擴散特性和評估注漿微型樁加固路基效果的重要方法。本文從漿液加固與樁體作用兩方面進行注漿微型樁加固路基的機理分析,并運用多物理場耦合軟件構建非均質路基地層模型,開展注漿微型樁加固病害路基的數值模擬,分析采用微型樁進行非均質路基地層條件下注漿加固前后土層物性參數變化,以及路基在荷載作用下的位移變化,進行微型樁加固路基沉降控制技術的研究。

      1注漿微型樁加固路基

      1.1微型樁加固路基注漿工藝

      將微型樁應用于公路路基的加固,是《建筑地基處理技術規范》(JGJ792012)中推薦的施工經驗措施。微型樁為鋼花管,打入路基土體后用水泥基漿液注漿,水灰比取0.5~0.55。注漿前,采用水泥砂漿對鋼花管外側孔口段進行封孔,封孔深度1.01.5m。微型樁加固病害路基注漿分為兩個階段。第一階段從PVC注漿管底開始注漿,孔口注漿壓力0.2~0.4MPa。當每延米注漿量達到150kg或漿液滲漏較嚴重時,上拔注漿管。在漿液凝固后,將安裝有帶封孔器的PVC注漿管再次插入鋼花管至預設注漿段,進行第二階段注漿。注漿自下而上分段進行,分段長度0.4~0.6m,注漿壓力0.2~0.5MPa。

      1.2注漿微型樁加固路基機理

      (1)漿液的作用影響分析漿液通過VC注漿管后,在滲透或壓力擴散作用下進入路基土層充填孔隙,通過硬化、膠結作用形成具有一定強度的結石體,固結、改善和提高路基土物理力學性能,并減少路基沉降。

      (2)樁體的作用影響分析漿液經過鋼花管上預設的出漿孔,使鋼花管的內外側充滿漿體,形成微型鋼管樁[18]。微型鋼管樁形成加固路基的骨架,與樁周路基土體共同承載路基的基底應力,能有效提高路基的整體性與穩定性。樁間土變形模量與樁體自身的變形模量相比存在較大差距,微型樁會約束樁間土的側向位移,使應力主要由微型樁樁體承擔。對于固定總量的基底應力而言,微型樁承載的應力份額增大,其樁間土所承載的應力份額會減少,路基土承載力也會隨之提高。

      2非均勻地層模型構建

      2.1構建非均勻地質模型的基本步驟

      考慮土層參數空間差異性,建立非均質路基地層模型的步驟如下20]:

      (1)對獲得的路基土層參數及勘察點坐標進行分析與預處理;(2)將已知坐標點視為控制點,利用控制點坐標及其對應的土性參數地質信息作為數據源,繪制地勘區域的地形剖面圖;(3)根據地勘區域控制點的實際分布,采用從上到下、從左到右的順序建立平面四邊形網格。在數據缺少的條件下將其改為三角形;(4)以路基地層孔隙率視為基本物理量,利用隨機分形插值算法對基本量進行賦值,建立路基巖土體空間地質剖面,生成路基地層孔隙率分形分布場。(5)土體彈性模量、滲透系數等參數與孔隙率之間存在函數相關性,利用孔隙率與上述參數之間的函數關系,生成滲透率、彈性模量等參數的隨機分布場。

      3基于非均質地層模型的路基注漿模擬

      3.1土體物性參數動態變化模型

      注漿擴散過程及壓力差異使路基土體顆粒間的空間分布及土層孔隙率等物性指標發生動態變化,影響漿液擴散范圍和病害路基注漿治理效果[22,24]。注漿數值模擬需建立基本物理量(孔隙率)與滲透率、密度和彈性模量等參數的動態變化數學模型。

      4注漿加固后效果分析

      注漿加固前,對路基施加汽車荷載。車道與車輛荷載共同組成汽車荷載,車道均布荷載標準值取10.5KN/m,車輛荷載標準值取550KN,故路基汽車荷載為1226KN[27]。

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      5結論

      (1)針對路基常見的病害問題,考慮注漿微型樁的特點,基于隨機分形算法,結合土性參數間的相關性,探討以孔隙率為基本量,對滲透系數、彈性模量等基本物性參數在單元體內的賦值,生成各物性參數的隨機分形剖面圖,構建二維隨機非均質地層模型,可以很好的模擬注漿微型樁加固路基效果。

      (2)在注漿壓力作用下,漿液由鋼花管中向四周擴散,沿著樁側和樁端滲透(前00s內)。在100~350s期間,由于漿液的滲透擴散以及劈裂與擠密效應,注漿孔四周會生成結石體,并置換微型樁體周圍泥土,充填其空隙。當注漿時間初步穩定時(t=350s),微型樁被注漿結石體所包圍,使得樁端受力面積增大,樁周土的物理力學性能及樁土接觸面條件得到改善,樁周土的側阻力得到提高。

      (3)采用注漿微型樁對路基進行加固后,路基加固區域土體的物性參數(密度、彈性模量、體積模量等)得到有效改善,被加固區域土體體積顯著增大,同時病害路基的沉降量明顯降低,表明注漿微型樁能有效控制路基沉降。在實際工程中,合理地利用注漿微型樁,不但能有效控制路基沉降,還能適當縮短樁長,減小樁徑、節約工程造價。

      參考文獻:

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      [3]張健明,唐仁華,毛鳳山,等.基于AGASVM公路軟基沉降預測[J].中外公路,2020,40(2):1215.

      [4]張滿想,趙健,郭昕,等.灰色模型在路基沉降預測中的研究及應用[J].中外公路,2020,40(4):2125.

      [5]鄒文華,劉輝,鄧小釗,等.連續強降雨工況土質邊坡非飽和滲流及穩定性分析[J].中外公路,2019,39(6):1115.

      [6]周德泉,楊帆,周毅.路基病害處治技術與應用[J].中外公路,2010,30(6):1721.

      [7]朱登元,管延華,劉惠忠,等.袖閥管劈裂注漿加固粉土路基實驗研究[J].巖土工程學報,2012,34(8):14251431.

      作者:周珂1,2,雷進生1,2,劉金鑫2,劉婉純2,石智強2,黨潤萌

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