高速公路路堑边坡软弱夹层高压注浆加固的理论与实践.doc

高速公路路堑边坡软弱夹层高压注浆
加固的理论与实践

提要　该文对京沪高速公路(化—临段)某路堑边坡软弱夹层的加固全过程进行了详细介绍。并在对工程地质情况调查的基础上，进行了严密的理论计算，确定了设计方案，实施过程中采用了一项专有技术——“单孔分层多次高压注浆技术”加固了软弱夹层，注浆的同时安装了抗剪锚杆，实现了“锚”和“注”的结合，工程取得成功。
关键词　路堑边坡　软弱夹层　加固
THEORY AND PRACTICE OF HIGH PRESSURE
GROUTING SOLIDIFICATION
OF SOFT INTERCALATION OF THE FREEWAY CUT SLOPE
　　Bian Guoqiang
　　(Central Institute of Geotechnical Investigation, MMI)
　　Li Yan
　　(Shandong Linyi Highway Institute of Investigation & Design)
　　Tian Luquan
　　(Highway Administration Bureau, Shandong Province)
Abstract　The paper introduces minutely the whole process of the soft in tercalati on solidification of a cut slop of Beijing-Shanghai freeway(Hua-Lin section).Als o, on the basis of investigating the engineering geological conditions, the rigo rous theoretical computation is made and the design scheme is determined.During the process of implementation, a special technique "single hole layering multip le high pressure grouting technique"is adopted to solidify the soft intercalatio n, and the anti-shear anchor rod is installed simultaneously, which realizes the combination of anchor rod with grouting, and yields positive success of the pro ject.
Key words　 cut slope; soft intercalation; solidification
1　前言
　　京沪高速公路(化—临段)某路堑边坡，原设计坡度为1∶0.75，由于勘察程度不够，开挖后发现路堑右坡有一层厚度达7m的软弱夹层。施工时被迫半坡度调整为1∶0.85，但在开挖过程中仍然发生了塌方。由于高速公路路堑边坡属于永久工程，必须采取有效措施加以处理。我们承接了这项任务后，经过详细的调查和论证，提出了一套针对该软弱夹层处理的综合方案，具体实施取得了圆满成功。
2　主要工程地质特性及其影响
2.1　工程地质特性
　　边坡岩石为石英砂岩，浅部3～5m节理裂隙极为发育(20～30条/m)，单体强度较高，整体稳定性较差，是对边坡稳定最为不利的地质层(见表1、表2)；边坡岩体主要节理裂隙构造面倾向与右坡坡面倾向一致，这更加剧了坡面整体的不稳定性；更为严重的是，在路堑边坡的底部路基开挖线以上有一煌斑岩脉充塞的软弱夹层，厚度约为7m，倾向与公路轴向相同，并由右坡向左坡倾伏。从K105+760～K105+900约140m的范围内外露在右坡坡面上，由于其倾伏方向与坡面倾向一致，对右坡的稳定构成了很大的威胁。
2.2　边坡失稳的原因分析
　　根据上述的工程地质特性，经综合分析可以认为，软弱夹层的存在始终是构成右侧边坡失稳的最直接和最危险的根源，原因在于：原始状态的软弱夹层，含水丰富，具有良好的导通性，内有风化形成的泥沙充填，开挖过程中的大量失水，以及护坡完成以后淅水，长期的冲刷必将带走部分泥沙，直接影响承载力降低，在上部岩土压力的作用下，其必发生沉降变形，致使边坡整体失稳，目前发生的局部塌方直接原因正在于此；软弱夹层倾伏方向与右坡倾向一致，在未作任何加固处理的情况下，上部岩体极易沿软弱面滑动；软弱夹层厚度大(7m)，暴露范围大(约140m)，并且出现在坡角以上的最薄弱部位，只要发生微小变形就有可能引起整个边坡失稳，如果不作处理，后果严重。
3　可能采用的主要技术对策
　　软弱夹层以上坡面岩石松软破碎，整体稳定性差，在坡比为1∶0.85的情况下，如果不受扰动是可以稳定的。若下部软弱夹层发生位移，则顶部破碎岩体必将发生整体滑移。因此，加固软弱夹层本身即是边坡总体加固的重要组成部分，而且是至关重要的一环。对软弱夹层和破碎岩体的加固有多种手段，可能采用的主要技术对策如下几种。
3.1　放坡
　　如果将坡度放缓到1∶1.2，在坡面上作500mm厚的浆砌片石保护层，根据计算分析，边坡则可保持长久稳定，问题是这样一来势必将扩大征地面积，并大量增加土石方开挖工程量。
3.2　预应力锚固
　　在坡面上作钢筋砼腰梁，在腰梁上施工预应力锚杆，使边坡体里外形成一个完整的力学体系，这是比较可靠和保守的方案，如果仅采用普通预应力锚杆锚固，则改善不了软弱夹层本身的稳定性，必须采用高压注浆预应力锚固技术，但这种方案工程量太大，且施工困难。
3.3　高压注浆锚注法加固
　　经分析比较，对于象该路堑边坡这样的厚大软弱夹层，运用特殊的施工工艺安装锚杆的同时实现高压注浆加固是唯一的工程选择，理由是：
　　a.浆体在软弱夹层中的有效扩散，凝固后的浆体在夹层中形成骨架，其本身具有一定的承载力(浆体单轴抗压强度可达8MPa以上)。
　　b.高压下浆体可在软弱夹层中劈裂，形成原充填物与浆体的互层，使软弱夹层中的充填物整体改性，改性后其单轴抗压强度可提高50%以上。
　　c.对于象石英砂岩这类的破碎岩体而言，实行高压注浆后，浆液在节理裂隙中有效扩散，将破碎的岩体连为整体，其整体稳定性可提高50%以上。
　　d.对于软弱夹层及其邻近岩体实施高压注浆后，还可有效地封堵原有的导水通道，堵水率可达90%以上，这将有效根除由于水的存在而造成的工程隐患。
　　e.锚注孔成孔后及时插入两根Φ22mm螺纹钢，然后封孔进行高压注浆，这样便实现了锚和注的有机结合，可进一步提高边坡的整体稳定性。
4　高压注浆机理分析及主要参数的选择
4.1　高压注浆机理分析
4.1.1　计算依据
　　《公路路基设计规范》(JTJ013-95)、《土层锚杆设计与施工规范》(CECS22-90)。边坡岩层的物理力学参数如表1、表2所示：
表1　岩体及边坡软弱夹层物理力学性质参数

类型
重度/(kN.L-1)m-3)
岩体抗剪强度
层面抗剪强度
天然
饱水
c/kPa
φ/(°)
c/kPa
φ/(°)
软弱夹层
25.0
25.4
35
27
5
26
夹层上下岩体
27.0
27.3
60
31
20
30

表2　石英砂岩岩体工程质量评价结果

RQD/%
节理裂隙密度
条/m
岩体质量评价
深
部
浅
部
深
部
浅
部
NGI记分
CSIR记分
深部
浅部
深部
浅部
45
40
20
20～30
1.2
0.81
45
29

4.1.2　被灌介质强度增长机理
　　注浆的目的是为了改良土和岩石的现有性质从而在被灌范围内产生一种新的介质，其化学机理包括如下三个方面：
　　a.化学胶结作用。无论是水泥浆还是化学浆液的灌注，都伴随着产生胶结力的化学反应，使岩土整体结构得到加强。
　　b.惰性充填作用。填充在岩石、土孔隙中的浆液凝固后，因其具有不同程度的刚性改变了岩层及土体对外力的抵抗能力，使岩土的变形受到约束。
　　c.离子交换作用。被灌浆液在化学反应过程中，某些化学成分能与岩土中的元素进行离子交换，从而形成具有更加理想性质的新材料。
4.1.3　劈裂注浆力学机理分析
　　就单个注浆孔而言，高压劈裂注浆的力学机理实际上就是一个圆孔扩张问题，如图1所示，随着圆孔的扩张，孔壁周围形成一个塑性区，再往外仍为弹性区。为了便于分析，可作如下基本假设：

图1　圆孔扩张示意
　　孔周边材料为均质各向同性的理想弹塑性体，服从Tresca或Mohr-Coulomb屈服准则。
　　选取坐标系，平衡方程、几何方程分别为：

(1)

(2)

(3)
　　对于图1所示的圆孔扩张问题，在r≥b的弹性区内，根据不同模量弹性理论，其本构方程为(规定压应力为“+”，拉应力为“-”)：

(4)
式中：E-、E+分别表示材料的抗拉、抗压模量；υ+、υ-分别为相应的抗压、抗拉泊松比。
　　经过复杂的推导，可求得弹性区内的应力及位移为：

(5)
式中：

(6)
　　由式(5)可知，在r=b处，材料的应力和位移分别为：

(7)
　　由于r=b处为弹塑性状态的界面，Pc则为临界扩张压力。
　　在a≤r≤b的塑性区内，屈服准则的不同，其扩张压力及塑性区的大小也将不同，下面根据Tresca屈服准则讨论塑性区的扩张规律，Tresca准则屈服条件为：
σr-σθ=2K
(8)
　　式中K为材料的屈服强度，在r=b时，应用式(7)、(8)即可求得临界扩张压力：

(9)
　　再经过复杂的推导，可导出最终扩张压力Pu(r=a处)：

(10)
　　塑性区最大半径b：

(11)
　　以上各式中的系数分别为：

(12)
　　根据以上分析可以看出，归根结底是压力的问题，高压劈裂注浆主要是靠孔壁注入压力的有效传递才能达到加固和浆液有效扩散的目的。高压下，可使软弱夹层挤密、脱水和压实。从理论上说，压力越大，挤密效果越好。由于通过孔壁向四周传递的压力的不均匀性，孔数越密，则岩土层压实越均匀，就越有利于达到有效加固之目的。
　　通过对圆孔扩张问题的研究，可知只有加大注浆压力至P=Pc时，才能形成塑性区。当岩土层物理力学特性一定时，塑性区半径b是一定的(式11)。因此所设计的注浆孔的终孔间距不得大于2b，这样才能保证在软弱夹层中形成一个连续的塑性压实区。经详细计算，注浆孔的终孔间距不得大于3m。
　　随着注浆压力的不断增大，当P＞Pc以后，塑性区内的岩土层被挤实，开始沿注浆孔轴向发生劈裂，形成软弱夹层与注浆体的互层(见图2)，彻底改变了孔壁周围软弱夹层的物理力学性质，从而达到劈裂加固软弱夹层的根本目的。

图2　浆体产生劈裂示意
4.2　高压注浆参数选择
　　根据以上导出的计算公式，编制计算程序，经上机计算，得出该边坡软弱夹层及塌方区加固设计应采用的主要参数。
4.2.1　注浆压力选择
　　注浆压力P＞Pc是产生轴向劈裂的临界条件，由该路堑边坡软弱夹层岩土体的物理力学参数(表1)结合式(9)计算出理论上注浆压力不得低于3.0MPa。
4.2.2　锚注孔参数确定
　　钻孔密度确定为3.0m×3.0m，钻孔深度为10m，孔内插入两根Φ22螺纹钢筋以增加其抗剪力。
5　施工方案的确定及实施
5.1　方案确定
　　按上述方案及相应参数选择的原则和结果，确定了最终施工方案，即：1)在软弱夹层实施高压注浆(图3)；2)在高压注浆的同时安装抗剪锚杆。

图3　软弱夹层高压注浆方案
5.2　方案实施
　　由于是在露天坡面上实施高压注浆，工艺要求严格，难度很大，主要有以下两点：1)由于软弱夹层本身加之周围岩体的破碎，浅层扩散的浆液将从节理裂隙溢出，而且由于范围大，难于采取有效措施加以封堵，也就无法施加高压力；2)由于没有加固的软弱夹层和破碎岩体本身承载力低，施加高压时，如浆体在浅层扩散，掌握不好会造成表面岩层的崩裂，不但实现不了加固的目的，而且还有可能造成对坡面的破坏。
5.3　实施工艺
　　由于该边坡地质情况十分复杂，要达到设计要求，只是采用常规的注浆工艺远远不够，本次施工拟采取特殊的施工技术和工艺来完成这一任务：
　　a.预埋孔口管。为防止破碎带中难以一次成孔以及实施高压注浆的需要，钻孔前，先开1.5m深的Φ115mm钻孔，埋入孔口管。
　　b.注浆。本次注浆采用了单孔分层多次高压注浆加固技术，主要工艺步骤如下：1)一次注浆。不加压，以孔口溢浆为准；2)二次注浆。养护15h后进行，注浆压力设定为3MPa；3)三次注浆。二次注浆后3h内进行，注浆压力设定为5MPa。
6　施工过程及效果
6.1　施工过程
　　首先按设计要求在软弱夹层上打孔注浆，施工开始时曾多次发生卡钻塌孔事故，耽误了一定的工期，再加上时至雨季，边坡顶部的裂缝有不断扩大的趋势，调整了施工顺序，及时进行裂缝灌浆，有效地稳定了边坡，经过60d的努力，完全按设计要求完成了全部施工任务。
6.2　施工效果
6.2.1　软弱夹层的力学性能明显改善(见表3)
表3　边坡软弱夹层注浆前后物理力学参数比较

类型
重度/(kN.L-1)m-3)
岩体抗剪强度
层面抗剪强度
天然
饱水
c/kPa
φ/(°)
c/kPa
φ/(°)
软弱
夹层
原始状态
25.0
25.4
35
27
5
26
注浆后
25.9
26.0
42
28
19
28

6.2.2　边坡整体趋于稳定
　　施工结束后，经对坡顶标志裂缝的量测，没有发现有任何位移现象，现场采集了高压注浆后的软弱夹层试样，发现原松散的土样完全被固化，强度超过设计要求，夹层上预埋的泄水孔，随着工程的进展而逐渐减小以至全部断流，整个工程完全达到了预期效果。
7　结束语
　　在条件复杂的边坡上运用高压注浆的方法加固软弱夹层，运用了一项先进技术，实现了在无约束条件的边坡上经过三个注浆过程实施了高压注浆，并安装了抗剪锚杆，实现了“锚”和“注”的完美结合，这一工程成果不仅对高速公路路堑边坡而且对有类似情况的露天矿边坡、铁路边坡等均具有重要的推广价值。
作者简介：边国强，男，34岁，工程师，工程地质专业，现从事高速公路工程监理工作。
作者单位：边国强(冶金工业部勘察研究总院　河北.保定　071069)；
　　　　　李艳(山东临沂公路勘察设计院　山东.临沂　276000)；
　　　　　田鲁泉(山东省公路管理局　济南市　252000)
参考文献
　1　黄运飞.深基坑工程实用技术.北京：兵器工业出版社，1996.29～45
　2　HockE.,BrayJ.W.著,卢世宗等译.岩石边坡工程.北京：冶金工业出版社，1983
　3　程良奎主编.岩土锚固工程技术的应用与发展.北京：万国学术出版社，1996.15～22
　4　罗嘉运.岩土载程及路基.北京：中国铁道出版社，1997.187～203
　5　沈季良等.建井工程手册(第四卷).北京：煤炭工业出版社，1986.363～365