固結(jié)灌漿工藝在巖溶地區(qū)船閘加固中的應(yīng)用

降 英, 趙利平

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410200; 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

我國(guó)有許多在役水運(yùn)工程建筑物修建于上世紀(jì)中葉，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后，大多數(shù)建筑物已接近結(jié)構(gòu)使用年限，亟需對(duì)其進(jìn)行加固維修。巖溶作為一種特殊地質(zhì)，在我國(guó)分布廣泛，由于其特有的化學(xué)溶蝕和機(jī)械破壞作用，在附加荷載或振動(dòng)作用下，將對(duì)建筑物地基穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞，給工程建設(shè)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。近年來(lái)，固結(jié)灌漿加固措施在國(guó)內(nèi)外已役水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)加固修復(fù)中起到了重要作用。在工程加固修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，常用應(yīng)變計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力。監(jiān)測(cè)所得總應(yīng)變除彈性應(yīng)變外，還包括徐變應(yīng)變、收縮應(yīng)變等，而后者的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與前者存在較大差別，因此必須將總應(yīng)變進(jìn)行應(yīng)變分離。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者做了深入研究，其中徐變系數(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。本文結(jié)合廣東連江花溪船閘維修加固工程實(shí)例，對(duì)巖溶地基上在役船閘的固結(jié)灌漿加固穩(wěn)定性進(jìn)行研究，同時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)加固效果作出科學(xué)分析總結(jié)。

1 工程概況

花溪船閘建成于1972年，位于廣東省英德市陽(yáng)山縣西側(cè)，是連江上梯級(jí)航運(yùn)樞紐船閘之一。該船閘地處巖溶地基發(fā)育區(qū)，經(jīng)多年運(yùn)營(yíng)后，閘室下溶洞頂板變薄，致使閘墻產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形、墻身出現(xiàn)裂縫、閘室基底發(fā)生滲漏。本次維修采用固結(jié)灌漿對(duì)船閘進(jìn)行修復(fù)加固:先對(duì)閘墻墻體進(jìn)行外包混凝土加固以提高閘墻整體強(qiáng)度，為鉆孔灌漿做準(zhǔn)備；隨后對(duì)閘墻巖溶地基進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿材料主要包含325#普通硅酸鹽水泥、水、拌合劑和外加劑，將這些具有固化性質(zhì)的漿液注入到巖溶地基的裂隙和空洞中，以達(dá)到船閘地基防滲、堵漏、加固、糾偏的目的，從而改善地基的物理力學(xué)性質(zhì)。工程現(xiàn)場(chǎng)主要采用應(yīng)變計(jì)對(duì)灌漿前后閘墻應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

本次監(jiān)測(cè)在花溪船閘閘室墻處進(jìn)行，主要包括閘墻結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)和裂縫應(yīng)變監(jiān)測(cè)。閘墻兩側(cè)埋設(shè)12只混凝土應(yīng)變計(jì)，縱向間隔為2.2 m，應(yīng)變計(jì)埋設(shè)于預(yù)先澆筑混凝土的鋼筋網(wǎng)上；在船閘外閘墻內(nèi)側(cè)距閘墻頂部5.6 m處有一條較大裂縫，該處布置表貼式應(yīng)變計(jì)，兩端分別固定在裂縫兩側(cè)，測(cè)量裂縫的應(yīng)變變化。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 閘墻斷面應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 應(yīng)變分離

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所得的總應(yīng)變可以表示為式(1)所示：

εb(t)=εe(t)+εc(t)+εs(t)+εT(t)+εm

(1)

式中：εb(t)、εe(t)、εc(t)、εs(t)、εT(t)、εm分別表示混凝土的總應(yīng)變、彈性應(yīng)變，徐變應(yīng)變、收縮應(yīng)變、自由溫度應(yīng)變和測(cè)量系統(tǒng)誤差應(yīng)變[1]。

應(yīng)變疊加原理指出混凝土收縮、溫度應(yīng)變與應(yīng)力無(wú)關(guān)，而徐變應(yīng)變則由應(yīng)力作用引起，徐變與所施加的應(yīng)力之間存在線性關(guān)系，且應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變滿足疊加原理。有效彈性模量理論假定混凝土彈性模量和外荷載不隨時(shí)間變化。徐變應(yīng)變?cè)隽颗c應(yīng)力增量之間關(guān)系表示如下[2]：

(2)

(3)

式中:φ(t，τ0)為收縮系數(shù)?？紤]溫度對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，溫度應(yīng)變的計(jì)算公式見(jiàn)式(4)。

ΔεT(t)=G(R1-R0)+(α1-α0)·(T1-T0)

(4)

式中:G為率定系數(shù)；R1-R0為度數(shù)變化量；α1為振弦材料的熱膨脹系數(shù)；α0為混凝土結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)，T1-T0為實(shí)測(cè)環(huán)境溫度與初始溫度之差[3]。

以測(cè)點(diǎn)B為例，根據(jù)式(1)～(4)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)變分離，得出混凝土彈性應(yīng)變曲線(見(jiàn)圖2)。由圖2可知，混凝土彈性應(yīng)變較總應(yīng)變變化更為平緩，應(yīng)變值基本在-22～-26 με范圍內(nèi)變化，但二者的變化趨勢(shì)大致相同。以下分析采用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均為應(yīng)變分離后的混凝土彈性應(yīng)變。

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)變分離曲線

3 有限元模型的建立

3.1 幾何模型

根據(jù)船閘設(shè)計(jì)資料與地質(zhì)勘測(cè)資料可知，閘室截面形狀沿程變化不大，閘室地基中縱向分布有數(shù)個(gè)大小相似的溶洞。假設(shè)溶洞截面形狀為圓形且縱向貫穿閘室，模型各力學(xué)參數(shù)分量均沿程不變。根據(jù)彈性力學(xué)的平面應(yīng)變理論，模型可簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題[4]。數(shù)值模擬采用ANSYS有限元程序，閘室墻與地基網(wǎng)格劃分均采用四節(jié)點(diǎn)平面單元(PLANE42)，以Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則對(duì)溶洞圍巖進(jìn)行非線性靜力分析[5]。模型范圍X為-31～31 m、Y為-20～8.6 m，且兩側(cè)邊界條件為水平方向位移約束，底部邊界條件為水平和豎直方向位移約束。內(nèi)外閘墻均高8.6 m，基底寬分別為4.3 m和5.3 m，墻后填土高分別為5 m和2.5 m。巖基中溶洞半徑均為2.5 m，溶洞頂板厚度分別為0.8 m和0.2 m。

3.2 材料參數(shù)的確定

參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(YS/T5 225—2016)[6]相關(guān)方法，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得地基、閘墻背填土、漿砌石、混凝土等材料參數(shù)(見(jiàn)表1)。在地基灌漿監(jiān)測(cè)方面，采用聲速儀測(cè)定巖石彈性波速傳播速度，再根據(jù)彈性波速度計(jì)算出巖石的彈性模量，從而確定灌漿后基巖的物理力學(xué)性能[7-9]。灌漿14 d(5月30日)開(kāi)始對(duì)地基進(jìn)行測(cè)試，間隔時(shí)間為4 d，持續(xù)60 d。換算得到地基彈性模量(見(jiàn)表2)。由室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得地基的其它力學(xué)參數(shù)在灌漿14 d后基本保持穩(wěn)定，因此計(jì)算中取其平均值，泊松比取0.23，摩擦系數(shù)取0.65，重度取24.5 kN/m3。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)材料名稱(chēng)彈性模量E/GPa 泊松比μ摩擦系數(shù)f重度/kN·m-3()粘聚力C/kPa內(nèi)摩擦角?/(°)漿砌石5.0800.240.65214024.0混凝土C2022.5100.210.65255552.5灰?guī)r60.0000.230.65276035.0粉質(zhì)粘土0.0530.250.30194226.9砂卵石0.1500.250.3522—40.0

表2 固結(jié)灌漿后地基彈性模量參數(shù)監(jiān)測(cè)天數(shù)/d監(jiān)測(cè)日期彈性模量E/GP監(jiān)測(cè)天數(shù)/d監(jiān)測(cè)日期彈性模量E/GP05.305.257327.19.12146.36.182367.59.21786.76.857407.99.291126.117.427447.139.342166.158.021487.179.476206.198.357527.219.503246.238.646567.259.533286.278.999607.299.554

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模擬結(jié)果

閘墻各測(cè)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)應(yīng)變值的有限元程序計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表中各應(yīng)變均為測(cè)點(diǎn)處豎向彈性應(yīng)變，與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)變分離出的豎向彈性應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

1)從表3中看出，兩閘墻內(nèi)側(cè)應(yīng)變絕對(duì)值自上而下逐漸增大，并且外閘墻應(yīng)變絕對(duì)值較內(nèi)閘墻明顯偏小，其原因主要是內(nèi)側(cè)閘墻墻后填土較高，作用于閘墻的土壓力較大，因此在地基物理性質(zhì)發(fā)生變化后，閘墻的應(yīng)變變化幅度也較大。

2)地基灌漿前后，閘墻壓應(yīng)變有所增大，拉應(yīng)變有所減小。兩閘墻在E’點(diǎn)和G’點(diǎn)所受的最大拉壓應(yīng)變分別為23.352 με和-155.13 με。由《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 307—2001)[10]，閘墻背水側(cè)可承受的最大拉應(yīng)變和壓應(yīng)變分別為100 με和1 500 με，可知灌漿后閘墻拉壓應(yīng)變均處于安全狀態(tài)。

表3 有限元計(jì)算灌漿前后彈性應(yīng)變位置測(cè)點(diǎn)編號(hào)灌漿前應(yīng)變灌漿后應(yīng)變最小值最大值A(chǔ)906 013-10.702 0-10.745 0-10.714 0外閘墻內(nèi)側(cè)B906 012-20.257 0-25.603 0-20.803 0C906 020-39.705 0-45.599 0-40.049 0裂縫D906 021-31.256 0-48.436 0-33.582 0A’906 016-3.401 2-3.418 2-3.402 2外閘墻外側(cè)B’906 0183.654 73.617 63.650 4C’906 02218.981 017.659 017.679 9E906 015-43.347 0-43.525 0-43.448 0內(nèi)閘墻內(nèi)側(cè)F906 017-79.036 0-81.713 0-79.343 0G906 010-89.822 0-93.780 0-90.100 0E’906 01125.256 023.279 023.352 0內(nèi)閘墻外側(cè)F’906 014-20.293 0-24.059 0-21.983 0G’906 019-146.750 0-155.130 0-153.240 0

4.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析

為研究地基灌漿加固后閘墻結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化規(guī)律，分別取B點(diǎn)和F點(diǎn)作為內(nèi)外閘墻典型分析點(diǎn)，B、F點(diǎn)累積應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3～4?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析結(jié)果如下：

1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的累計(jì)應(yīng)變曲線波動(dòng)幅度和極值點(diǎn)不盡相同，但總體變化趨勢(shì)基本一致。結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化大致分為3個(gè)階段：重分布階段(約0～20 d)，應(yīng)變值波動(dòng)幅度較大；過(guò)渡階段(約20～40 d)，應(yīng)變值波動(dòng)幅度明顯減?。环€(wěn)定階段(約40～60 d)，應(yīng)變值微小波動(dòng)并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 B點(diǎn)累計(jì)應(yīng)變曲線

圖4 F點(diǎn)累計(jì)應(yīng)變曲線

2)B點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果符合較好。在重分布階段，閘墻結(jié)構(gòu)應(yīng)變波動(dòng)幅度較大，波動(dòng)范圍在-25.2～-20.6 με之間，其原因是地基彈性模量初期變化較大，引起閘墻結(jié)構(gòu)應(yīng)變的較大波動(dòng)，后期逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 裂縫應(yīng)變分析

閘墻裂縫處進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如圖5所示，分析結(jié)果如下：

1)由圖5可知，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的累計(jì)應(yīng)變曲線總體趨勢(shì)大致相同。裂縫壓應(yīng)變(應(yīng)變絕對(duì)值)變化大致分為3個(gè)階段：緩慢增長(zhǎng)階段(0～10 d)，應(yīng)變基本保持在原來(lái)狀態(tài)，略有小幅增長(zhǎng)；快速增長(zhǎng)階段(10～30 d)，裂縫處壓應(yīng)變迅速增大，增幅最大為16 με；小幅波動(dòng)階段(30～60 d)，應(yīng)變基本在-48～-46 με之間波動(dòng)，并逐漸保持穩(wěn)定。以上分析可知，隨著巖溶地基力學(xué)性質(zhì)顯著改善，閘墻裂縫開(kāi)裂程度得到有效地控制，該裂縫對(duì)閘墻結(jié)構(gòu)安全沒(méi)有構(gòu)成影響。

圖5 D點(diǎn)累計(jì)應(yīng)變變化曲線

在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，除應(yīng)變分離所消除的混凝土徐變、收縮應(yīng)變等影響外，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械施工、填土壓力和水位變化等因素也會(huì)對(duì)應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)效果產(chǎn)生影響，其表現(xiàn)是應(yīng)變曲線的異常波動(dòng)，但總體趨勢(shì)與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

地基固結(jié)灌漿對(duì)巖溶地區(qū)閘墻結(jié)構(gòu)應(yīng)變改善有積極作用。在役船閘固結(jié)灌漿加固措施有效控制了原閘墻巖溶發(fā)育趨勢(shì)，閘墻的整體安全性有所提高，該措施切實(shí)有效。通過(guò)加固修復(fù)施工后，該船閘通航狀態(tài)正常，運(yùn)營(yíng)狀況良好，該工程的施工方法可為類(lèi)似項(xiàng)目提供參考。