基于非均质地层模型的注浆微型桩加固路基效果分析

　　[摘要]针对路基沉降等公路路基病害治理问题，考虑病害路基土性参数的空间非均质性，对注浆微型桩加固路基特性进行分析。基于随机分形算法生成孔隙率、弹性模量、渗透系数的随机分布剖面图，构建非均质地层模型，对路基进行注浆扩散模拟;基于注浆扩散计算结果，分析注浆微型桩加固路基的作用效果。结果表明：由于地层物理参数分布的不均匀性，注浆浆液扩散边界和固化区域分布不规则;浆液充填桩体周围土层孔隙，硬化并胶结形成结石体，可以明显改善桩周土的物理力学性能，提高桩的桩侧摩阻力和桩端阻力;注浆微型桩加固后的路基在荷载作用下的位移沉降量明显降低，路基加固后承载能力明显提高。研究对注浆微型桩的工程应用具有重要的指导意义。

　　[关键词]岩土工程;路基加固;数值模拟;注浆微型桩;非均质地层

　　0引言

　　资料显示，中国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]、边坡滑塌[5]、碎落和崩塌等常见的路基病害常导致路面病害，需采用适当措施进行病害路基的修复加固。周德泉等[69]将注浆技术与路基加固理论相结合，利用注浆手段加固病害路基，取得了较好的治理效果。路基土体在振动荷载作用下会产生液化、流变，导致路基发生竖向和侧向变形，单纯的注浆加固不能完全解决病害路基的侧向变形问题。微型桩通常用于建筑物的纠偏、基础加固、滑坡治理以及基坑或边坡的支护[1015]，利用注浆微型桩进行路基的注浆加固能够充分发挥浆液与桩体自身的作用，有效解决路基沉降变形问题。

　　土具有原位变异性[16]与非均质性，土体物理力学特征及空间分布呈非均匀性[17,21]。病害路基土体物性指标及空间分布特征影响浆液运动扩散范围，针对病害路基土体物理力学参数空间非均质性，将路基地层的特征和特性视为随机过程，构建非均质的路基地层模型，是分析病害路基地层内浆液运动扩散特性和评估注浆微型桩加固路基效果的重要方法。本文从浆液加固与桩体作用两方面进行注浆微型桩加固路基的机理分析，并运用多物理场耦合软件构建非均质路基地层模型，开展注浆微型桩加固病害路基的数值模拟，分析采用微型桩进行非均质路基地层条件下注浆加固前后土层物性参数变化，以及路基在荷载作用下的位移变化，进行微型桩加固路基沉降控制技术的研究。

　　1注浆微型桩加固路基

　　1.1微型桩加固路基注浆工艺

　　将微型桩应用于公路路基的加固，是《建筑地基处理技术规范》(JGJ792012)中推荐的施工经验措施。微型桩为钢花管，打入路基土体后用水泥基浆液注浆，水灰比取0.5~0.55。注浆前，采用水泥砂浆对钢花管外侧孔口段进行封孔，封孔深度1.01.5m。微型桩加固病害路基注浆分为两个阶段。第一阶段从PVC注浆管底开始注浆，孔口注浆压力0.2~0.4MPa。当每延米注浆量达到150kg或浆液渗漏较严重时，上拔注浆管。在浆液凝固后，将安装有带封孔器的PVC注浆管再次插入钢花管至预设注浆段，进行第二阶段注浆。注浆自下而上分段进行，分段长度0.4~0.6m，注浆压力0.2~0.5MPa。

　　1.2注浆微型桩加固路基机理

　　(1)浆液的作用影响分析浆液通过VC注浆管后，在渗透或压力扩散作用下进入路基土层充填孔隙，通过硬化、胶结作用形成具有一定强度的结石体，固结、改善和提高路基土物理力学性能，并减少路基沉降。

　　(2)桩体的作用影响分析浆液经过钢花管上预设的出浆孔，使钢花管的内外侧充满浆体，形成微型钢管桩[18]。微型钢管桩形成加固路基的骨架，与桩周路基土体共同承载路基的基底应力，能有效提高路基的整体性与稳定性。桩间土变形模量与桩体自身的变形模量相比存在较大差距，微型桩会约束桩间土的侧向位移，使应力主要由微型桩桩体承担。对于固定总量的基底应力而言，微型桩承载的应力份额增大，其桩间土所承载的应力份额会减少，路基土承载力也会随之提高。

　　2非均匀地层模型构建

　　2.1构建非均匀地质模型的基本步骤

　　考虑土层参数空间差异性，建立非均质路基地层模型的步骤如下20]：

　　(1)对获得的路基土层参数及勘察点坐标进行分析与预处理;(2)将已知坐标点视为控制点，利用控制点坐标及其对应的土性参数地质信息作为数据源，绘制地勘区域的地形剖面图;(3)根据地勘区域控制点的实际分布，采用从上到下、从左到右的顺序建立平面四边形网格。在数据缺少的条件下将其改为三角形;(4)以路基地层孔隙率视为基本物理量，利用随机分形插值算法对基本量进行赋值，建立路基岩土体空间地质剖面，生成路基地层孔隙率分形分布场。(5)土体弹性模量、渗透系数等参数与孔隙率之间存在函数相关性，利用孔隙率与上述参数之间的函数关系，生成渗透率、弹性模量等参数的随机分布场。

　　3基于非均质地层模型的路基注浆模拟

　　3.1土体物性参数动态变化模型

　　注浆扩散过程及压力差异使路基土体颗粒间的空间分布及土层孔隙率等物性指标发生动态变化，影响浆液扩散范围和病害路基注浆治理效果[22,24]。注浆数值模拟需建立基本物理量(孔隙率)与渗透率、密度和弹性模量等参数的动态变化数学模型。

　　4注浆加固后效果分析

　　注浆加固前，对路基施加汽车荷载。车道与车辆荷载共同组成汽车荷载，车道均布荷载标准值取10.5KN/m，车辆荷载标准值取550KN，故路基汽车荷载为1226KN[27]。

　　公路工程论文：高速公路隧道机电工程施工质量控制要点探析

　　5结论

　　(1)针对路基常见的病害问题，考虑注浆微型桩的特点，基于随机分形算法，结合土性参数间的相关性，探讨以孔隙率为基本量，对渗透系数、弹性模量等基本物性参数在单元体内的赋值，生成各物性参数的随机分形剖面图，构建二维随机非均质地层模型，可以很好的模拟注浆微型桩加固路基效果。

　　(2)在注浆压力作用下，浆液由钢花管中向四周扩散，沿着桩侧和桩端渗透(前00s内)。在100~350s期间，由于浆液的渗透扩散以及劈裂与挤密效应，注浆孔四周会生成结石体，并置换微型桩体周围泥土，充填其空隙。当注浆时间初步稳定时(t=350s)，微型桩被注浆结石体所包围，使得桩端受力面积增大，桩周土的物理力学性能及桩土接触面条件得到改善，桩周土的侧阻力得到提高。

　　(3)采用注浆微型桩对路基进行加固后，路基加固区域土体的物性参数(密度、弹性模量、体积模量等)得到有效改善，被加固区域土体体积显著增大，同时病害路基的沉降量明显降低，表明注浆微型桩能有效控制路基沉降。在实际工程中，合理地利用注浆微型桩，不但能有效控制路基沉降，还能适当缩短桩长，减小桩径、节约工程造价。

　　参考文献：

　　[1]邹静蓉，张治强，李涛.普通干线公路半刚性基层沥青路面破坏机理及控制措施[J].公路交通科技，2018，35(05)：7+48.

　　[2]刘耀堂.CGMT桩在高速公路路基加固中的应用研究[D].郑州：郑州大学，2014.

　　[3]张健明，唐仁华，毛凤山，等.基于AGASVM公路软基沉降预测[J].中外公路，2020，40(2)：1215.

　　[4]张满想，赵健，郭昕，等.灰色模型在路基沉降预测中的研究及应用[J].中外公路，2020，40(4)：2125.

　　[5]邹文华，刘辉，邓小钊，等.连续强降雨工况土质边坡非饱和渗流及稳定性分析[J].中外公路，2019，39(6)：1115.

　　[6]周德泉，杨帆，周毅.路基病害处治技术与应用[J].中外公路，2010，30(6)：1721.

　　[7]朱登元，管延华，刘惠忠，等.袖阀管劈裂注浆加固粉土路基实验研究[J].岩土工程学报，2012，34(8)：14251431.

　　作者：周珂1,2，雷进生1,2，刘金鑫2，刘婉纯2，石智强2，党润萌