《压密注浆加固抬升效应与机理的探讨 冯旭海资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压密注浆加固抬升效应与机理的探讨 冯旭海资料（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、岩土工程界 第 11卷 第 11期探讨与分析 1收稿日期2 2008 04 02 压密注浆加固抬升效应与机理的探讨 冯旭海 煤炭科学研究总院 摘 要 从正面利用的角度研究了压密注浆的抬升效应 提出了加固抬升模型并进行了力学分析 通过试 验 进一步探讨了注浆抬升力在土体中的分布变化规律 验证了抬升效果 并获得了具有参考价 值的试验参数和试验数据 关键词 压密注浆 加固抬升 压力分布 土层注浆的抬升效应是指注浆过程中在土体内 产生的上抬力以及由此带来的地表隆起 建 构 筑 物基础上抬等现象 它多数情况下被认为是注浆加 固的一种负面的伴生效应 设计 施工时都尽量消除 或减少这种影响 但利用加固抬升效
2、应进行建 构 筑物托换 纠偏和沉陷地表治理等却可能收到 良好效果 国内外已有相关工程实践和研究 1 3 加固抬升机理 注浆附加应力的传递与分布 孔位布 置与注浆顺序对注浆效果的影响等成为注浆加固抬 升应用需要认真研究的问题 1 加固抬升机理 1 物质能量分析 注浆的加固抬升效应的物 质来源是浆液 能量来源是由注浆系统提供的机械 能 浆液的运动及对土体的作用实现了这一能量形 式的转变 图 1 浆液在土体中的作用由最初的鼓 密挤压为主逐渐转化为网状浆脉的挤压作用 图 1 注浆示意图 较为理想的状况下 根据伯努利方程 Bernoulli Equation 4 注浆压力和出浆口位置浆液内压力关 系 能
3、量方程 如下 pp Q g h A1 v 2 1 2g pg Q g A2 v 2 2 2g hcw 1 式中 h为注浆孔深 取注浆段的平均深度 m hcw是因浆液黏性带来的管阻等比能损失 m Pp是 注浆泵压力 Pa Pg是受注点浆液压力 Pa T1是浆 液的初始速率 m s T2是浆液进入浆泡的速率 m s Q是浆液密度 kg m 3 g 取 918m s2 A i是动能修 正系数 在能量上 式 1 右边的比能 Pg Qg A2T22 2g0部分代表使土体加固和抬升的能量 它通过浆 液对土体的作用最终完成对土体的压缩和抬升 可 以看出 与总能量紧密相关的是注浆压力和注浆速 率 浆液进入土体
4、后 直至浆液完成对受注土体的 作用 固结后 忽略浆液的水化能量 根据能量守恒 原理 注浆消耗能量 E应满足如下方程 E Ers Erf Eps EG 2 式中 Ers是土体弹性应变能 Erf是浆液结石体弹性应 变能 Eps是致使土体产生塑性变形的能量 EG是土 体被抬升后增加的重力势能 在物质上 土体压缩和位移留下的空间被浆液 体替代 如果浆液由液相向固相转变时间可控 结石 率较高 在保证注浆压力的前提下 持续注浆可以实 现建 构 筑物基础或者沉陷地表的有效抬升 2 注浆加固抬升模型 根据已有的工程实践 和研究 实现土层注浆加固抬升一般要经过三个阶 段 首先是注浆区底部的有效加固 其次是注浆径
5、 向挤密加固 再次是注浆抬升阶段 浆液对土体的作 用方式从径向挤密转变为水平浆脉对土体的竖向作 用 土体中的竖向压力超过水平压力成为最大主应 力 宏观表现为向上抬升力 引起基础和地表的 抬升 27 探讨与分析GEOTECHNICAL ENGINEERING WORLD VOL111 No111 2 机理分析 211 径向挤密加固 1 基本方程 浆液在压力的作用下 挤向土 层 并在土层中形成圆球状或者是圆柱状的浆液体 现以圆柱状 图 1 的浆液体进行分析 从垂直方向 上看 以注浆管为中心 形成了三个区域 图 2 浆 液在土层中作用方式主要是水平方向的膨胀挤压 可以简化为轴对称的平面应变问题 运用
6、圆孔扩张 理论进行分析 图 2 浆液挤密截面图 基本方程为 dRr gr Rr RH r 0 3 1 Er du dr 1 T 2 E Rr T 1 TR H 3 2 EH u r 1 T 2 E T 1 T Rr RH 3 3 式中 E 为压缩模量 M 为泊松比 最大主应力 R1 Rr 最小主应力 R3 RH 有 RH 0 Rr 方程组的边界条件如图 2所示 Pg是浆液体压 力 Pc为土体进入塑性状态时的边界应力 P0是侧 向原位土压力 2 求解与分析 在弹性区 设 R y 则结合 边界条件 对基本方程求解可得 Rr Pc P0 r 2 p r 2 P0 4 1 RH Pc P0 r 2 p
7、 r 2 P0 4 2 ur rEr Pc P0 2G r 2 p r 4 3 式中 G E 2 1 M 塑性区 按照 Mohr Coulomb强度理论 其屈服 条件为 Rr RH Rr RH sinU 2C cosU 0 5 其中 C U是土体的粘聚力和内摩擦角 基本方程 求解得 Rr Pg C ctanU r0 r 2si nU 1 2sinU C ctanU 6 1 RH 1 1 sinU 1 sinU P g C ctanU r0 r 2sinU 1 2sinU C ctanU cosU 6 2 利用 Pc Pg进而可得 Pg 1 sinU P0 C ctanU rp r0 2sinU
8、 1 2si nU CctanU 6 3 利用体积平衡条件并忽略注浆管的截面积可得如下 关系 Pr 2 0 Pr 2 p P rp urp 2 P r 2 p r 2 0 7 其中 v为塑性区的体积应变 展开 7 式 忽略极 小二次项 结合边界条件 整理可得 Pg 1 sinU P0 C ctanU 1 G P0sinU C ctanU G 2sinU 1 2sinU C ctanU 8 将上式返回 6 1 2 式中即可得出土体中水平压力 分布表达式 塑性区 按照 T resca准则 其屈服条件为 Rr RH 2 K 9 式中 K 为试验常量 结合边界条件求解基本方程 可得 Rr 2 K ln
9、 r0 r Pg 10 1 RH 2 K 1 ln r0 r Pg 10 2 Pg Kln rp r0 2 1 P0 10 3 按照 Tresca屈服准则 取 7 式中 0 可知 rp r0 G K 故而 Rr 2 K ln r0 r K1 ln G K P0 11 1 RH 2 K 1 ln r0 r K 1 ln G K P0 11 2 212 抬升阶段 经过径向挤密 土体稳定性得到有效提高 持续 注浆 浆液将水平启裂土体产生水平浆脉 浆脉对土 体的竖向作用逐渐成为浆液对土体的主要作用方 式 竖向注浆压力就是由于水平浆脉的作用而在上 部形成的附加应力 采用圆形面积均布荷载作用下 的土体附加
10、应力模型 6 可以得到此竖向附加应力 RL z B A Pg P0 C h z 12 28 岩土工程界 第 11卷 第 11期探讨与分析 其中 B 是土体内应力点的位置参数 A是浆液压力 系数 因此 某一深度上将 RL z 对面积 drdH 积 分可得到抬升力 PL z k D RL z drdH 13 D 为浆液的有效作用范围的水平投影面积 3 抬升破坏模式和效果分析 土体发生了明显的竖向位移是因为由于发生了 剪切破坏 1 假设注浆区上部土体存在截端圆锥 体 倒圆台 的破坏带 图 3 其临界条件为 T P G Q cosH 14 式中 T A Pg Pa 2 G C V C是土的重度 V 是
11、倒圆 台的体积 Q Cu S Cu是土体剪切破坏强度 S 是倒圆台的侧面积 因此 临界浆液压力 Pg为 Pg 1 A P Pa 2 1 A Cu 2 a H tanH a 2 1 A C H 1 H tanH a 2 H 2 a 2tan 2H 15 在宏观上 土体变形量 位移量和注浆量之间存 在如下关系 1 B D VL VV Va 16 式中 B为浆液损耗率 D为浆液的结石率 VL为总 注浆量 Vv为土体压缩体积 Va为地表抬升体积 图 3 土体抬升破坏模式示意图 4 土体注浆试验 试验采用振冲压密注浆工艺 7 共布置 9个注 浆孔 行排间距为 112m 112m 受注土体为均一的 黄色粘
12、土 数据采集以中心孔注浆为主 注浆区竖 向压力测点 5个 水平压力测点 4个 015m深度 设位移监测点 布置范围为 510m 510m 测点密度 为 015m 015m 411 压力变化 1 竖向压力变化与分布 图 4是注浆区上部 某测点的压力数据变化情况 其他竖向测点也存在 类似曲线 竖向测点中最大值接近 0125 MPa 注浆 结束之后土压力迅速衰减 运用 M atLab 611软件进 行数据拟合 测点压力衰减方程基本符合 p A t B 形式的双曲线 仍以图 4为例 其压力衰减方程为 p 0115t 011837 与实测数据曲线非常吻合 压力在 很短的时间内衰减至原位土压 地表位移也在
13、稍有 回落后稳定 与压力衰减相对应 图 4 竖向测点压力随时间变化曲线 试验发现 不同时刻竖向注浆附加应力分布的 试验数值 图 5 与计算曲线变化趋势基本一致 图 6 试验条件下单孔注浆在水平范围内抬升的有效 作用范围在 015 016m 图 7中 计算 1 20分别选 取的浆液有效作用范围为 015m 016m 2 水平压力分布 试验表明 浆液压力在土体 中的沿径向衰减较快 压力的有效传递半径约为 110 112m 116m 处测点基本没有受到影响 径向 压力的分布传递规律 压力衰减规律反映了注浆的 径向影响范围 3 单孔复注压力分布 对比初次注浆 复注时 竖向压力的空间分布没有较大变化 但
14、上升较快 峰 29 探讨与分析GEOTECHNICAL ENGINEERING WORLD VOL111 No111 值增大 复注前土体的密实性 稳定性都已大为提 高 周边孔注浆对复注起到封浆作用 抬升效果更加 明显 竖向测点最大值达 014 MPa 较初次注浆增加 60 同时 水平压力值亦有较大上升 而浆液径向 的有效作用距离没有明显改变 仍为 110m左右 412 位移数据 1 单孔注浆位移变化 中心孔注浆持续 78分 钟 在半径 3m多的区域内土体有不同程度的抬升 图 7是从纵横两个垂直方向对注浆后监测点的位移 数据透视 图 7 单孔注浆地面位移轴向透视图 数据显示 20 60m in内
15、地表位移明显持续增 加 60m in后基本稳定 注浆结束之后的 30m in内有 1 2mm 的回落 与压力变化基本对应 2 多孔注浆 复注位移变化 单孔注浆结束之 后 对周边孔进行依次注浆 中心孔复注 最终注浆 区地表位移数据透视如图 8 群孔注浆和复注使注 浆抬升效果更加明显 较之单孔注浆对地表抬升位 移的控制更加有效 图 8 最终注浆地面位移轴向透视图 5 注浆效果分析 1 加固效果 经过一系列注浆 土体的性能得 到有效改善 表 1数据显示 注浆后土体的密实度 增加 强度指标得到改善 土的粘聚力 内摩擦角 压 缩模量等指标均不同程度提高 注浆使土体的承 载能力在注浆之后得到提高 加固效果
16、明显 单孔 注浆加固范围内土体压缩率达到 2175 多孔注浆 达 7106 注浆孔之间的相互影响能够使注浆效 果更好 群孔注浆能够更好的实现注浆目的 2 抬升效果 经过先后 10个孔 次的注浆 试 验区土体抬升显著 单测点最大位移达 190mm 平 均位移 101mm 抬升效果非常明显 综上 从土的物理力学指标的改变 地表的位移 情况来看 现场试验达到了预期目标 既加固土体 提高稳定性和承载力 又实现了土体的有效抬升 表 1 试验前后土体物理力学指标比较 层位 1 2 3 4 5 6 7 I1198621708016983216817171151373128 119672169801694100 121014349198 10137 1197521693016731151258161721213125 I119982170801667571714141101955195 210272169801616119195123441511144 2103321693016028118515132921816183 注 表中 1 7 代表的指标分别是湿密度 C g cm 3 土粒 比重 ds 孔
