软土地区高压旋喷桩施工对临近高铁桥墩扰动机理室内模型试验.pdf

第 43 卷 第 2 期2023 年 6 月桂 林 理 工 大 学 学 报Journal of Guilin University of TechnologyVol.43 No.2June2023文章编号:1674-9057(2023)02-0245-07 doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2023.02.010软土地区高压旋喷桩施工对临近高铁桥墩扰动机理室内模型试验何大为1,杨建辉1,张康荣1,张 帅2,汪 洋2(1.中电建路桥集团有限公司,北京 100048;2.西南石油大学 地球科学与技术学院,成都 610500)摘 要:为研究软土地区高压旋喷桩施工对临近高铁桥墩的扰动机理,设计了一套室内高压旋喷注浆设备,分析了高压旋喷注浆过程引起周边土体中孔隙水压力与高铁桥墩位移的变化规律。结果表明:在单根桩施工完成后 30 min 内,土体中的孔隙水压力逸散率约为 4%35%,单根桩施工对土体所产生的影响周期约为 2.53 h。因此,在多桩施工时,控制各单桩施工的间隔时间与空间距离对避免施工影响临近高铁桥墩的安全性非常重要。关键词:铁路桥墩;模型试验;软土;高压旋喷桩;超静孔隙水压力;扰动机理中图分类号:TU411.99 文献标志码:A0 引 言我国软土主要分布在长江三角洲、渤海湾、珠江三角洲以及福建等沿海人口稠密、经济发达的地区,这些地区分布着密集的高铁线路1。在软土地基上建设构筑物时往往需要采用高压旋喷桩对软土地基进行加固处理,而高压旋喷桩注浆施工常会对临近高铁桥墩产生扰动,甚至引起超限位移。在铁路周边,尤其是高铁桥墩附近进行高压旋喷桩施工时,需时刻关注高压旋喷桩施工对既有高铁桥墩的影响,一旦高铁桥墩产生较大变形,将带来严重后果2-5。高压旋喷的注浆过程是一个复杂的动态过程,采用纯理论方法无法有效分析旋喷桩施工过程中的浆液流动规律,而模型试验不仅可以研究复杂施工过程中细节的变化规律,还能将复杂变化过程直观地显示6。沙飞等7-9设计了一套可视化恒压注浆渗透扩散装置,通过室内模型试验模拟了在不同浆液材料与注浆压力下,浆液扩散规律及注浆加固效果。侯振坤等10-11设计研发了一套大直径、且具有随钻跟管桩侧注浆及测试承载性能的物理模型试验系统,通过室内模型试验分析了新桩型的承载性能优势、桩侧摩阻力分布特征、荷载传递特性。姜云晖12、罗乐等13设计了一套室内压密注浆设备,通过模型试验研究了在不同注浆压力及注浆材料下,注浆对土体加固效果和对土体扰动的影响。Tezuka 等14设计了一套高压喷射装置,通过室内模型试验验证了在不同喷嘴作用下高压射流能量的衰减规律。综合来看,目前国内外关于高压旋喷桩施工对土体扰动的研究已取得了一些研究成果,但是通过模型试验来研究高压旋喷桩施工所产生的土体扰动,特别对软土地区临近桥墩影响的研究还较少,而要避免高压旋喷桩施工对临近高铁桥墩产生的不利影响,有必要对高压旋喷桩施工对临近高铁桥墩的扰动机理进行研究,这对制定正确的工程措施具有重要意义。本文设计制作了室内高压旋喷注浆装置,并开展了相应的模型试验,研究在不同注浆 收稿日期:2021-04-25 基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFC0504901)作者简介:何大为(1983),男,高级工程师,研究方向:软土地基处理,2487890081 。引文格式:何大为,杨建辉,张康荣,等.软土地区高压旋喷桩施工对临近高铁桥墩扰动机理室内模型试验 J.桂林理工大学学报,2023,43(2):245-251.He D W,Yang J H,Zhang K R,et al.Indoor model tests on disturbance mechanism of adjacent high-speed railway piers caused by high-pressure jet grouting pile construction in soft soil area J.Journal of Guilin University of Technology,2023,43(2):245-251.压力下高压旋喷桩施工,超静孔隙水压力的传播规律和对铁路桥墩的影响。1 室内高压旋喷注浆试验装置研发的室内高压旋喷注浆装置主要由增压模块、注浆模块、监测模块 3 部分组成,装置流程图及各模块见图 1、2,主要设备参数见表 1。增压模块主要由空压机、储泥罐组成,在试验过程中可以提供稳定的注浆压力;注浆模块主要由旋转电机、提升电机、控制模块、喷浆杆组成,在试验过程中可以保证喷浆杆匀速旋转与提升;监测模块设有孔隙水压力计、激光位移计、数据采集仪、电脑,在试验过程中可以时刻监测孔隙水压力和桥墩位移变化。在试验时将配置好的浆液置入储泥罐中,由空压机向储泥罐中进行持续加压,待储泥罐中的压力达到注浆所需压力时,开启数据采集仪,打开注浆控制模块开始旋喷注浆。2 试验准备模型土为对现场原状土的重塑,原状土层埋深图 1 试验整体流程图Fig.1 Overall flow chart of test图 2 储泥(a)与注浆(b)装置Fig.2 Apparatus of mud storage(a)and grouting(b)表 1 主要设备与参数Table 1 Main equipment and parameters主要设备参数空气泵功率 3.8 kW,最大压力 1.2 MPa储泥罐体积 30 L旋转电机转速 520 r/min提升电机提升速度 110 mm/min喷浆杆外径 30 mm,内径 20 mm喷嘴直径 3 mm,呈圆弧形在地表下 37 m,上部覆盖一层素填土。由于原场地之前为鱼塘,该软塑状软土层中含有大量贝类,软土含水率在 35%40%,重度为 18 kN/m3。试验前先将土样进行浸泡,使其软化。在软土浸泡过程中需要定时搅拌土样,并补充水分,浸泡时间一般设置为 30 d(为了便于运输,浸泡前土样为干燥块体)。在把浸泡好的土样进行填筑之前,需要对土样进行含水率测试以证实是否达到饱和状态。待浸泡的土样达到饱和状态时,静置 5 h 后再进行填筑。模型箱的长、宽、高各为 1 m。根据已有的研究成果,该模型箱的尺寸相对于研究对象而言,其边界对试验的影响可以忽略不计,因此本次试验不考虑模型箱边界效应对试验的影响15。所填筑的土体高度为 0.8 m,填筑完成后,在试验土体上放置木板,并放置砝码进行堆载,堆载时间为 24 h,堆载载荷约为 56 kPa。在堆载施加后,利用百分表对土体表面沉降进行监测,测量时将百分表固定在边长为 4 cm 的正方形木板上,待土体沉降稳定后撤去上覆物体,静置 3 h,再利用十字板剪力仪在模型箱中测量土体不排水抗剪强度(图 3a),根据测试堆载后的土体不排水抗剪强度约为 23 kPa。考虑到高铁桥墩可以承受较大的竖向荷载而在侧向荷载作用下其承载能力不足的特点,采用直径为7 mm 钢筋以点焊搭接的方式模拟高铁桥墩,在室内试验中仅考虑施工对单个桥墩的影响。图 3 不排水抗剪强度(a)和注浆(b)试验Fig.3 Undrained shear strength(a)and grouting(b)tests 642桂 林 理 工 大 学 学 报 2023 年试验中,共使用 7 个孔隙水压力计,分别布置在距离 1 号桩中心 20、30 cm 的横断面上(图 4),K1K6 孔压计之间的距离为 30 cm,K1、K2、K3孔压计埋置在试验地面以下 20 cm,K4、K5、K6 孔压计埋置在试验地面以下 50 cm(距离模型箱底部30 cm),K7 孔压计布置在距离 1 号桩中心 20 cm的断面,且在试验地面以下 50 cm,距离模型侧边50 cm。对于桥墩,采用激光位移计对铁路桥墩 X、Y、Z 方向的位移进行测量。为了使注浆压力更接近预定压力,降低管道壁对浆液产生的能量损耗,在室内注浆过程中采用自来水作为注浆浆液。钻孔布置如图 5 所示,分别采用 0.2、0.3、0.4 MPa 的注浆压力进行高压旋喷注浆室内模型试验,喷杆提升速度为 67 mm/min,钻杆转速为 20 r/min,每根桩施工时间为 10 11 min。考虑到现场注浆间隔时间及室内注浆试验过程中由于移动注浆模块所花费的时间,在每根桩施工完成后设置30 min 注浆间隔期。在注浆间隔期由于存在土体裂缝闭合、土体固结,土体中超静孔隙水压力会出现逸散,铁路桥墩位移会产生回弹。3 注浆试验结果与分析3.1 孔隙水压力试验结果与分析图 6 为在不同注浆压力下超静孔隙水压力随时间的变化,为方便分析注浆过程中超静孔隙水压力的衰减规律,绘制了每根桩施工时最大的超静孔隙水压力和初始超静孔隙水压力,并拟合了在施工过程中最大超静孔隙水压力和初始超静孔隙水压力随施工桩数的变化规律。可以看出,在试验过程中随着注浆压力的增长,在相同位置处超静孔隙水压力也随着增长,在0.2 MPa 注浆压力下超静孔隙图 5 钻孔布置图(桩编号表明施工顺序)Fig.5 Sensor layout of boreholes水压力最大为2.09 kPa;在0.3 MPa 注浆压力下超静孔隙水压力最大为2.32 kPa;在0.4 MPa 注浆压力下超静孔隙水压力最大为 2.45 kPa。图 7 为超静孔隙水压力随施工桩数的变化,高压旋喷桩施工过程中超静孔隙水压力有一定的累加效应。注浆压力较大时,由于土劈裂产生的裂缝较大,会使后续桩施工浆液产生较大的能量损失,进而导致后续桩施工时超静孔隙水压力最大值小于前一根桩的值。在注浆间隔期,由于土体中裂缝仅受到土体自重影响,因此裂缝会朝着闭合的趋势发展,此时会有一定的超静孔隙水压力衰减。经过计算,单桩施工完成后在 30 min 内超静孔隙水压力逸散率在 4%35%(以前根桩施工过程中最大超静孔隙水压力与后根桩初始超静孔隙水压力的差值除以前根桩最大超静孔隙水压力),随着注浆压力的增长和施工桩数的增加,超静孔隙水压力的衰减率会逐渐降低。这也导致了铁路桥墩产生的变形随着注浆压力的增大和注浆桩数的增加而变大16-17。由施工过程中单根旋喷桩施工所产生的逸散率图 4 孔压力计传感器布置图(单位:cm)Fig.4 Sensor layout of hole pressure gauges742第 2 期 何大为等:软土地区高压旋喷桩施工对临近高铁桥墩扰动机理室内模型试验图 6 不同注浆压力下超静孔隙水压力变化Fig.6 Changes of excess pore water pressure under different grouting pressures图 7 不同注浆压力下超静孔隙水压力随施工桩数变化Fig.7 Variation of excess pore water pressure with the number of construction piles under different grouting pressures可知,在单根桩施工完成后土体受扰动产生的影响周期约为 2.53 h(以 30 min 内超静孔隙水压力逸散率为基础推算),且注浆压力越大所产生的影响周期越长,在施工过程中由于土体不断产生劈裂、裂缝闭合导致土体中渗流场一直处于动态变化中。单桩施工所产生的影响周期可能会随着施工桩数的增加而逐渐增大,因而在现场施工过程中需要合理控制单桩注浆施工周期。3.2 桥墩位移试验结果分析图 8 为桥墩位移随施工桩数变化。随着注浆压力的增大,桥墩在 X、Y、Z 向的位移呈现出增大的趋势,这种变化趋势与超静孔隙水压力的变化趋842桂 林 理 工 大 学 学 报 2023 年势一致。在室内试验过程中由于 1 号桩距离桥墩最近,因此在施工过程中对桥墩产生的影响最大,在 1 号桩施工过程中桥墩在 X、Z 向的位移达到最大值,桥墩最大位移为 0.89 mm。在第二排 2、3、4 号桩施工过程中由于到桥墩距离的增大,且前排预制桩钻孔起到了一定的应力释放作用,因此在第二排桩施工过程中桥墩在 X、Z 向位移明显低于 1号桩所产生的位移,在第二排桩施工过程中桥墩最大位移为 0.36 mm。在注浆试验中,5、6 号桩相对于桥墩的位置相同,但在 5 号桩施工过程中桥墩所产生的变形小于 6 号桩施工所产生的变形。这是由于注浆间隔时间不同,受 1 号桩和第二排桩施工影响,在 5 号桩施工过程中,所产生的浆液能量损失大于 6 号桩所产生的浆液损失,因而在 5 号桩施工过程中桥墩所产生变形小于 6 号桩施工所产生的变形。图 9 为通过理论计算18-20所得在不同的修正系数P桥墩处土体位移随深度的变化。在不同注浆压力下土体侧向位移均呈现出逐渐递减的趋势,在地表附近土体的侧向位移下降速率较大,而在0.3 cm 以下土体的侧向位移下降速率较慢,且几乎与埋深呈正比关系。这可能是由于埋深的增大,土体自重增大,土体产生裂缝所要达到的力较大,因而造成土体的侧向位移逐渐递减。考虑到在现场注浆过程中距离桥墩最近桩施工时对桥墩产生的影响最大,因而在施工时应合理控制距离桥墩最近桩的注浆压力和提升速度等参数,在群桩施工时设置合理的桩间距、选择合适的施工次序以降低高压旋喷桩施工对既有铁路桥梁的影响。3.3 注浆试验结果综合分析随着注浆压力的增长,同一测点处超静孔隙水压力也随着增长,桥墩的变形也逐渐增大。在单根桩注浆结束后,由于注浆过程所产生的劈裂裂缝闭合,孔隙水压力会产生一定的逸散,而孔隙水压力的逸散会造成土体体积的变化,从而导致桥墩在注浆结束后也会产生一定的形变。随着注浆桩数的增加,超静孔隙水压力的逸散率降低,逸散空间减小,这也造成桥墩位移在注浆间隔期所产生的回弹降低,从而导致桥墩变形越来越大。在第二排桩施工过程由于前排桩预制钻孔所产生的应力释放作用,导致在第二排桩施工时对土体的扰动小于第一排桩产生的影响,而在第二排桩施工完成后又会在第二排桩与第一排桩之间土体中产生新的裂缝,这些裂缝将降低第一排桩施工时的浆液能量,而由于图 8 不同注浆压力下桥墩位移变化Fig.8 Displacement change at pier with different grouting pressures图 9 不同修正系数和注浆压力下桥墩处土体位移变化Fig.9 Lateral displacement changes at bridge piers with different grouting pressures and correction factors942第 2 期 何大为等:软土地区高压旋喷桩施工对临近高铁桥墩扰动机理室内模型试验注浆过程并不能连续进行,在注浆间隔期会存在一定的裂缝闭合,从而导致在第一排桩施工过程中随着施工桩数的增加土体中的超静孔隙水压力会增大,桥墩产生的变形也会增大。4 结 论本文针对在软土地基上采用高压旋喷桩对其进行加固处理时会对临近高铁桥墩产生扰动的问题,研发制作了室内高压旋喷注浆装置,并开展了相应的模型试验,研究了在不同注浆压力下高压旋喷桩施工时,超静孔隙水压力的传播规律和对铁路桥墩的影响,得出以下结论:(1)高压旋喷桩施工过程中对周边土体产生的挤土效应及孔隙水压力变化是一个复杂的累加过程,由于施工过程中渗流场的不断变化,浆液能量的衰减,导致在施工过程中存在很大的不可控因素,因而仅依赖单桩施工所产生的结果进行叠加计算高压旋喷桩施工对临近铁路桥墩的影响存在很大的误差。(2)单桩施工完成后 30 min 内土体的孔隙水压力逸散率在 4%35%,单桩施工对土体所产生的影响周期为 2.53 h。(3)随着高压旋喷桩施工桩数的增加,超静孔隙水压力所产生的逸散率降低,逸散空间减小。(4)高压旋喷桩施工时铁路桥墩所产生的位移与桩身相对位置和注浆压力大小有一定关系。因此,在软土地基临近高铁桥墩高压旋喷桩施工时,在满足加固要求情况下,选择适当注浆压力从桥墩两侧由远及近施工可降低高压旋喷桩施工对铁路桥墩所产生的变形。参考文献:1乔峰,薄景山,王亮,等.中国软土及其动力学特性研究的概况J.世界地震工程,2019,35(4):150-161.2潘振华.高速铁路软土路基纠偏整治探索J.铁道标准设计,2014,58(4):22-28.3潘振华.沪杭客运专线松江特大桥简支梁桩基纠偏技术探讨J.铁道建筑,2016,56(9):38-42.4白逢义,王清,孙政.高压注浆加固造成铁路路基隆起的原因分析J.世界地质,2006,25(4):450-455.5陈懿,程建华,朱小军.桩筏复合地基水平特性试验J.桂林理工大学学报,2020,40(4):742-746.6Modoni G,Croce P,Mongiov L.Theoretical modelling of jet groutingJ.Gotechnique,2006,56(5):335-347.7Sha F,Li S C,Liu R T,et al.Performance of typical cement suspension-sodium silicate double slurry groutJ.Construction and Building 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grouting construction often disturbs adjacent high-speed railway piers and even causes excessive displacement.In order to study the disturbance mechanisms of high-pressure jet grouting pile construction on adjacent high-speed railway piers,a set of indoor high-pressure jet grouting equipment was designed,and the changes of pore water pressure in the surrounding soil and the dis-placement of high-speed railway piers caused by the high-pressure jet grouting process were studied.The re-search results show that within 30 minutes after the completion of the construction of a single pile,the pore wa-ter pressure escape rate in the soil is about 4%-35%,and the impact period of the construction of a single pile on the soil is about 2.5-3 h.Therefore,in multi-pile construction,it is very important to control the construc-tion interval and space distance of each single pile to avoid the impact of construction on the safety of adjacent high-speed rail piers.Key words:railway pier;model test;soft soil;high-pressure jet grouting pile;excess pore water pressure;dis-turbance mechanism(编辑 李亚静)152第 2 期 何大为等:软土地区高压旋喷桩施工对临近高铁桥墩扰动机理室内模型试验