鋼花管豎直注漿技術(shù)在山區(qū)公路病害加固中的模擬應(yīng)用

陸慶榮

摘要：由于山區(qū)公路所經(jīng)沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，路堤發(fā)生沉降病害的幾率較大。為提高路堤承載力，保證公路安全運營，文章采用FLAC3D有限差分軟件建立了鋼花管注漿模型，研究了路堤的應(yīng)力變形規(guī)律和沉降變形規(guī)律。研究表明：鋼花管豎直注漿加固后水平、垂直位移量都相對降低，路堤邊坡更穩(wěn)定，路堤土層的物理力學(xué)性質(zhì)顯著提高，塑性變形量降低，剛度增大。

關(guān)鍵詞：山區(qū)公路;鋼花管;注漿加固;沉降;模擬

Due to the complicated geological conditions along the mountainous highway，the probability of settlement damage on the embankment is relatively large.In order to improve the bearing capacity of the embankment and ensure the safe operation of highway，this article uses the FLAC3D finite difference software to establish the steel tube grouting model and study the embankment stress deformation law and settlement deformation law.The research shows that the horizontal and vertical displacements after steel tube vertical grouting reinforcement are relatively reduced，the embankment slope is more stable，the physical and mechanical properties of the embankment soil layer are significantly improved，the plastic deformation is reduced，and the stiffness is increased.

Mountainous highway;Steel tube;Grouting reinforcement;Settlement;Simulationo

0 引言

近年來，國內(nèi)山區(qū)公路發(fā)展迅速，通車?yán)锍毯偷燃壱苍诓粩嘣鲩L。但因山區(qū)公路所經(jīng)沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，同時附加荷載大，導(dǎo)致路堤發(fā)生沉降病害的幾率較大，尤其是在軟土區(qū)域，軟土層的厚度在很大程度會決定路堤的沉降狀況。雖然這種現(xiàn)象從表面上看，對正常通車的影響不會很大，但公路填方路堤沉降病害發(fā)生率較高，會使公路安全運營無法得到保障。為此，經(jīng)研討確定采用鋼花管豎直注漿技術(shù)進行加固處理，處理前對其進行模擬應(yīng)用。

1 工程概況

某公路地處山川縱橫的地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，夏季降雨量大，由于當(dāng)年經(jīng)濟條件限制，初期的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低，加之后期交通量大、重卡超載，該山區(qū)公路填方路堤沉降病害發(fā)生率較高，公路安全運營無法得到保障[1]。從現(xiàn)場觀測得知，路堤高、附加荷載大則路堤的沉降會相對較大，尤其是在軟土區(qū)域，軟土層的厚度在很大程度會決定路堤的沉降狀況，軟土層越厚則沉降會相對越大。路堤受載后，內(nèi)部生成附加應(yīng)力，最終導(dǎo)致了土體整體變形。土體變形可歸納為體積變形、形狀變形兩大類[2]。體積變形是由于壓應(yīng)力作用下土體體積被壓縮密實而形成的;形狀變形是受到剪應(yīng)力作用后形成的。若土體壓縮性較大則路堤沉降量大，若路堤上覆荷載越大則路堤沉降量越大。路堤沉降大小一是受軟土層厚度的影響;二是受路堤上覆荷載的大小的影響。路堤沉降可以分為三個過程，首先是瞬時沉降;第二是固結(jié)沉降;第三是次固結(jié)沉降[3]。

2 鋼花管垂直注漿法介紹

在擬加固路段K283+200～K283+400范圍內(nèi)，采用鋼花管垂直注漿法借助鋼花管預(yù)設(shè)的小孔可以實現(xiàn)向擬加固巖土體注入致密高壓泥砂漿，注入的泥漿可以迅速滲透、填充巖土體內(nèi)部的原生裂隙，從而大幅度降低路基孔隙，整體提高路基巖土體的防水性能與穩(wěn)定性能。向擬加固巖土體注入致密泥砂漿，施工簡單，操作快捷，可以在不中斷交通的情況下快速處治道路沉陷。

選用孔徑≥90 mm的鉆機施工鉆孔，鉆機鉆進時嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)速，避免震動過大而出現(xiàn)卡鉆、掉鉆事故。同時鉆桿的傾斜度一定要<1%。鉆進壓力與推進壓力分別設(shè)置為20 MPa、5 MPa。鋼花管直徑為40 mm、壁厚2 mm，鋼花管管壁每間隔50 cm鉆呈螺旋式布置、=5 mm的注漿眼。灌注漿液按水：水泥：粉煤灰=1∶0.5∶0.5配制，水泥采用42.5級硅酸鹽水泥;用攪拌機拌合5～7 min;注漿壓力應(yīng)該控制在0.1～0.5 MPa范圍內(nèi);注漿結(jié)束后采用強度為C40的混凝土進行封孔作業(yè)。

3 模型建立

3.1 FLAC3D軟件介紹

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）三維有限差分程序采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實際的結(jié)構(gòu)，能進行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析[4]，并實現(xiàn)位移與應(yīng)力分布的分析[5]。

FLAC3D模擬鋼花管注漿采用樁單元（pile）、界面單元聯(lián)合與實體單元三種方法。pile單元適合大面積樁基模擬，pile單元中注漿管與土層間的相互作用，可以通過各單元節(jié)點耦合連接彈簧相連來模擬。假定鋼花管為線彈性體，忽略土體的排水固結(jié)[6]。

3.2 FLAC3D建模

鋼花管注漿加固模型原點為路堤中心正下方，路堤橫截面方向為X軸，取半寬50.0 m;沿線路方向為Y軸，取值20.0 m;路堤垂直方向為Z軸，取值38 m;路堤厚、路堤填高分別為30.0 m、8.0 m;路面寬度為11.2 m，路堤邊坡坡率為1∶1.0;鋼花管長、直徑、樁間距分別為11.0 m、40 mm、2.0 m。網(wǎng)格模型由多面體混合單元組成。將模型的左右邊界X軸方向進行邊界約束;將模型前后邊界Y軸方向進行邊界約束;模型底邊界則取為全約束;模型上邊界為自由邊界[6]。模型力學(xué)性質(zhì)為彈塑性，破壞準(zhǔn)則選用MohrCoulomb準(zhǔn)則，模型初始應(yīng)力為自重應(yīng)力。模型有關(guān)參數(shù)如表1～3所示。

由圖1～3可知：在路面荷載作用下路肩處與路堤邊坡處有較明顯的水平位移分布，路堤路肩處水平max位移量約為6.0 mm，路堤邊坡上部處水平位移量約為12.0 mm，水平max位移位于邊坡上部位置。在路面行車道處垂直位移較明顯，且此處的垂直位移大小類似于同心圓弧狀由上而下依次按規(guī)律分布，垂直位移最大值在行車道位置，而后向兩邊逐漸減小，差異沉降的特征較明顯。垂直位移max值位于路堤路面行車道處，約為33.5 mm。位移矢量線密則位移量大。由圖2可知：路堤邊坡處矢量方向向右，路堤填土中間位置位移矢量線較密集，兩側(cè)密集度減小，說明此處的位移最大，兩側(cè)位移減小。綜合分析表明，路堤邊坡有滑塌危險且路堤面易拉裂破壞。

4.2 未注漿加固時應(yīng)力模擬

由圖4～5可知：底部路堤位置沒有顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，等值應(yīng)力呈現(xiàn)出平行分布，應(yīng)力集中（應(yīng)力場相交）主要出現(xiàn)在路堤中心底面處和路面的行車道處。路堤中心底面位置處以拉應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力約為3.0×105 Pa，最小主應(yīng)力約為1.0×105 Pa;路面的行車道位置處以壓應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力約為1.75×105 Pa，最小主應(yīng)力約為7.67×105 Pa。路面行車道的應(yīng)力集中源于路面荷載。

4.3 未注漿加固時塑性區(qū)模擬

由圖6可知，路堤中上部和路堤中心地面處出現(xiàn)了塑性破壞區(qū)。經(jīng)過軟件分析可知：剪切破壞體積、拉張破壞體積分別為1.23×104 m3、8.59×102 m3。

5 鋼花管豎直注漿加固后路堤模擬

5.1 鋼花管豎直注漿加固后位移模擬

未注漿處理時，邊坡下部和路肩區(qū)域處是路堤水平位移發(fā)生變形的主要位置。在采用鋼花管豎直注漿加固后，由圖7～9可知：邊坡主要水平位移區(qū)域向下轉(zhuǎn)移，其中位移區(qū)域內(nèi)的位移量明顯小于未注漿處理的路堤。垂直位移發(fā)生變形的區(qū)域與未注漿時大約一致，而垂直位移量、差異沉降相對減小，弧形沉降不顯著。整體位移矢量呈現(xiàn)均勻分布，行車道、超車道無顯著的位移矢量集中現(xiàn)象，路堤邊坡無向右的位移矢量。采用注漿加固方案后水平位移max值向下轉(zhuǎn)移到坡腳位置，max位移量約為1.5 mm;路肩處水平位移量約為0.5 mm;路堤路面行車道位置處垂直位移量最大，約為12 mm，與路肩處的沉降差僅為3.8 mm。綜合分析表明，采用注漿方案后水平、垂直位移量都相對降低。

經(jīng)過鋼花管豎直注漿加固后，水平位移最大值在路堤邊坡下部、路堤路肩處分別減少了約5.0 mm、1.3 mm，分別降低了約83%、33%;垂直位移量最大值減少了約35 mm，降低了約67.0%。綜合分析表明：鋼花管豎直注漿加固后提高了路堤修筑層的穩(wěn)定性，降低了位移變形量。

5.2 鋼花管豎直注漿加固后應(yīng)力規(guī)律模擬

由圖10～11可知，經(jīng)過鋼花管豎直注漿加固后路堤中心底面處最大主應(yīng)力降低了50%，約為1.5×105 Pa，最小主應(yīng)力值為-3.0×105 Pa;路面行車道和超車道位置處最大主應(yīng)力為-3×105 Pa，最小主應(yīng)力值為-1.5×106 Pa。注漿鋼花管周圍有顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明路堤土層的剛度等物理力學(xué)參數(shù)在經(jīng)過鋼花管豎直注漿加固后顯著提高，路堤承載力亦顯著提高，最終保證了公路的安全運營。

由圖12可知，路堤經(jīng)過鋼花管豎直注漿加固后，剪切破壞體積約1.3×102 m3，剪切破壞體積區(qū)域降低了98%;拉張破壞體積約33 m3，拉張破壞體積區(qū)域降低了96%。塑性破壞區(qū)從路堤中上部和路堤中心地面處轉(zhuǎn)移至路堤中上部，且破壞區(qū)域呈現(xiàn)出明顯減小的態(tài)勢，路堤以剪切破壞為主，整體的塑性變形量都在降低。由此表明，鋼花管豎直注漿加固后路堤土層的物理力學(xué)性質(zhì)顯著提高，塑性變形量降低，剛度增大。

6 結(jié)語

（1）未經(jīng)過鋼花管豎直注漿加固時，邊坡下部和路肩區(qū)域處是路堤水平位移發(fā)生變形的主要位置;在采用鋼花管豎直注漿加固后，邊坡發(fā)生水平位移的區(qū)域向下轉(zhuǎn)移，位移量明顯降低。

（2）經(jīng)過鋼花管豎直注漿加固后路堤中心底面處最大主應(yīng)力降低了50%，約1.5×105 Pa。剪切破壞體積約1.3×102 m3，剪切破壞體積區(qū)域降低了98%;拉張破壞體積約33 m3，拉張破壞體積區(qū)域降低了96%。塑性破壞區(qū)從路堤中上部和路堤中心地面處轉(zhuǎn)移至路堤中上部，且破壞區(qū)域呈現(xiàn)出明顯減小的態(tài)勢，路堤以剪切破壞為主，整體的塑性變形量都在降低。

參考文獻：

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