高速鐵路黃土路基注漿擴(kuò)散范圍模型試驗(yàn)研究

孫軼軒 于佳琪 令狐勇生 何海宏 程素明

1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100101； 2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 成都 610031；3.中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司 工務(wù)處， 太原 030013； 4.大秦鐵路股份有限公司 太原高鐵工務(wù)段， 太原 030031；5.中鐵三局集團(tuán)有限公司 成都分公司， 成都 610031

中國(guó)黃土分布面積約為64 萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的6%左右。在黃土地區(qū)修筑高速鐵路路基時(shí)，往往是由多孔、結(jié)構(gòu)松散、不具層理、垂直節(jié)理發(fā)育等特征的黃土在經(jīng)過(guò)多種改良方式處理之后進(jìn)行填筑。這也導(dǎo)致在運(yùn)營(yíng)后地基、路基產(chǎn)生了不可控的工后沉降，嚴(yán)重影響了高速鐵路的正常運(yùn)營(yíng)［1］。注漿加固技術(shù)作為處理路基沉降問(wèn)題的有效手段已經(jīng)被廣泛研究與應(yīng)用［2-4］。張駿等［5］通過(guò)實(shí)際工程對(duì)軟土路基的注漿效果展開研究，并對(duì)注漿材料的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。徐炳輝等［6］運(yùn)用有限元模擬軟件對(duì)路基的加固效果進(jìn)行研究。李杰［7］對(duì)運(yùn)營(yíng)階段的高速鐵路無(wú)砟軌道路基的注漿抬升技術(shù)展開了研究，分析了高聚物注漿材料的工程性能。郭樂(lè)等［8］通過(guò)不同的注漿方式對(duì)長(zhǎng)江三角地區(qū)運(yùn)營(yíng)高速鐵路路基的抬升規(guī)律展開研究。趙威［9］對(duì)淺覆蓋型巖溶路基的注漿策略進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)整治結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，有效減少了由于盲目注漿所帶來(lái)的浪費(fèi)。張志超等［10］通過(guò)袖閥管注漿技術(shù)對(duì)咸陽(yáng)西貨場(chǎng)專用線開展了整治與加固，研究得到的施工參數(shù)可為后續(xù)工程提供指導(dǎo)。

綜上，現(xiàn)有的注漿加固技術(shù)主要適用于軟土地區(qū)，而對(duì)濕陷性黃土區(qū)路基注漿的研究較少，滿足不了實(shí)際工程的需求。太原鐵路局管段內(nèi)存在大量的濕陷性黃土路基，路基沉降現(xiàn)象明顯?；诖?，本文依托大西高速鐵路典型黃土路基工點(diǎn)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究漿液在黃土中的擴(kuò)散特征，并對(duì)注漿加固前后的力學(xué)特征進(jìn)行研究，為黃土路基注漿抬升技術(shù)的研究提供參考。

1 工程概況

大西高速鐵路是京昆高速鐵路的重要組成部分，北端由大同市出發(fā)，經(jīng)朔州等市跨越黃河進(jìn)入到陜西省西安市，全線線路橫跨山西南北，總長(zhǎng)度為853 km，軌道形式為無(wú)砟軌道［11］。沿線地勢(shì)自東北向西南逐漸降低，河谷縱橫，主要地貌形態(tài)有黃土臺(tái)地、丘陵、盆地、沖洪積平原等［12］。大西高速鐵路穿越了大量的黃土地區(qū)，包括地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的汾渭盆地，是一條繼鄭西高速鐵路之后又一條典型的黃土地區(qū)高速鐵路。

造成大西高速鐵路軌面沉降及高低不平順的主要原因是黃土地基產(chǎn)生的不均勻沉降、路堤填筑后的不均勻沉降、開裂與翻漿冒泥等病害。對(duì)于上述的黃土路基沉降等病害，采用注漿技術(shù)進(jìn)行加固處理可以解決控制軌面沉降及高低不平順等問(wèn)題。

2 注漿抬升技術(shù)

與其他路基病害整治方法相比，運(yùn)用注漿加固技術(shù)時(shí)不會(huì)對(duì)路基造成破壞，土方施工工作量較小，在列車運(yùn)營(yíng)期間也可以施工，并且工程費(fèi)用相對(duì)較低，施工速度相對(duì)較快。運(yùn)用注漿技術(shù)對(duì)高鐵路基起到的作用主要有以下四點(diǎn)：①滲入、劈裂和壓密作用；②骨架作用；③防滲堵漏作用；④土質(zhì)改性作用。

常用的鐵路路基注漿技術(shù)有鋼花管注漿加固技術(shù)、袖閥管注漿加固技術(shù)、注漿加固抬升一體化技術(shù)等。

袖閥管是一種單向閉合的注漿設(shè)備，漿液只能向管外流，而不能再返回管內(nèi)［13］。在注漿時(shí)，注漿泵首先對(duì)漿液進(jìn)行加壓，漿液在受到壓力作用后會(huì)通過(guò)連通管進(jìn)入注漿管。當(dāng)注漿壓力增大到一定程度時(shí)，漿液便會(huì)產(chǎn)生初始的劈裂流動(dòng)。此時(shí)由于吃漿量大于供漿量，因此導(dǎo)致壓力恢復(fù)到平衡狀態(tài)。在此之后，由于持續(xù)壓力的作用被漿液劈裂的裂縫不斷向外延伸，逐漸在土體中形成條脈片狀固結(jié)體，以此達(dá)到加固地層的目的。

鋼花管注漿加固技術(shù)是將注漿鋼花管通過(guò)鉆孔打入路基內(nèi)部，然后對(duì)漿液施加一定的壓力，讓其能夠通過(guò)預(yù)設(shè)在鋼花管上的小孔較均勻地進(jìn)入地層［14］。注入的漿液能夠以填充、滲透和擠密等方式排出土體裂隙中的水分和空氣，起到滲入、劈裂和壓密作用。這就類似于加筋土的作用，可以增強(qiáng)原有路基在多種荷載作用下的穩(wěn)定性能與土體強(qiáng)度。此外，工藝較為簡(jiǎn)單，實(shí)施起來(lái)比較方便。

注漿加固抬升一體化技術(shù)是同時(shí)運(yùn)用多種技術(shù)，包含對(duì)土體的加固、填充、擠密等步驟。當(dāng)填充的漿液達(dá)到一定程度時(shí)土體被漿液填充密實(shí)，此時(shí)若繼續(xù)施加壓力則漿液的進(jìn)入模式變?yōu)橐詳D密為主。同時(shí)，由于擠密效果的影響對(duì)土體產(chǎn)生了抬升作用力，當(dāng)該抬升作用力逐漸增大到一定程度時(shí)，既有線路會(huì)被抬升起來(lái)。

太原鐵路局管段內(nèi)存在大量的黃土路基，其濕陷性黃土力學(xué)性能極為復(fù)雜，注漿所需的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)往往基于設(shè)計(jì)、施工人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)獲得。本文基于鋼花管注漿加固技術(shù)開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究漿液在黃土內(nèi)部的擴(kuò)散特征。

3 注漿模型試驗(yàn)

在對(duì)原狀黃土進(jìn)行含水率測(cè)試、篩分試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)自行設(shè)計(jì)研制的注漿設(shè)備開展室內(nèi)注漿試驗(yàn)，分析漿液在黃土路基中的擴(kuò)散機(jī)制，揭示注漿前后不同類型黃土注漿體強(qiáng)度變化特征。

3.1 注漿試驗(yàn)設(shè)備

注漿試驗(yàn)設(shè)備見圖1。注漿箱體尺寸為1.2 m ×1.2 m × 1.2 m，四周和頂?shù)撞烤捎猛该魉芰喜ＡО褰M成完整的注漿箱體，并在其頂面上開一個(gè)直徑60 mm的圓孔，以備后續(xù)插入注漿孔，還需保證箱體的頂面可拆卸，以用于填土、卸土。

圖1 注漿試驗(yàn)設(shè)備

3.2 試驗(yàn)步驟

在試驗(yàn)開始前，首先需要對(duì)本次試驗(yàn)所選用的黃土的顆粒級(jí)配進(jìn)行測(cè)取，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出不均勻系數(shù)Cu= 6.45，曲率系數(shù)Cc= 1.28。Cu＞ 5、1 ＜Cc＜ 3 說(shuō)明此次所選用的黃土為級(jí)配良好的土體。試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞娜莘e為1.728 m3，填筑的土體大致需要1.7 m3。采用分層填筑，每一層厚30 cm，并通過(guò)人工夯實(shí)的方式進(jìn)行分層壓實(shí)，以防止土體過(guò)于松散導(dǎo)致漿液的擴(kuò)散與實(shí)際相差較大，影響最終結(jié)果，如圖2（a）所示。注漿管在一開始就固定在模型箱的中間，待填土完成之后，須將注漿管進(jìn)行固定，防止在注漿壓力較大的情況下左右晃動(dòng)，如圖2（b）所示。

圖2 黃土體的填筑過(guò)程

3.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)采用的注漿材料為純水泥漿液，水灰比0.6∶1?？紤]到模型箱的尺寸，每次注漿量都相同，每次總流量為0.1 m3。

為研究不同注漿壓力漿液在土體內(nèi)部的擴(kuò)散半徑，試驗(yàn)分為5組，注漿壓力分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 擴(kuò)散半徑

本次試驗(yàn)所使用的注漿管為1 排6 孔模式，即單排孔漿液劈裂模式［15］。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到5種注漿壓力下的劈裂范圍，見圖3。

圖3 不同注漿壓力下漿液在土體中的劈裂支脈

由圖3可知：當(dāng)注漿壓力較小時(shí)，漿液的擴(kuò)散范圍也比較小，并且未出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象；當(dāng)注漿壓力增加到0.3 MPa 時(shí)，擴(kuò)散末端已出現(xiàn)了劈裂現(xiàn)象；注漿壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí)，劈裂長(zhǎng)度明顯增加。

不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散范圍見表1。可知：漿液在黃土體中的擴(kuò)散范圍隨著注漿壓力的增加而逐漸增大。

表1 漿液擴(kuò)散范圍

4.2 注漿前后強(qiáng)度

水泥漿液滲入黃土體后，土體抗剪強(qiáng)度隨之提升。對(duì)漿液與黃土混合體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，以研究注漿后強(qiáng)度的提升效果。

通過(guò)直剪試驗(yàn)可以快速地獲取與混合體相關(guān)的強(qiáng)度。本次共進(jìn)行了4 次加載試驗(yàn)，砝碼質(zhì)量分別為1.275、2.550、3.825、6.375 kg，即垂直應(yīng)力分別為50、100、150、250 kPa。

4.2.1 未注漿黃土強(qiáng)度

填筑完成后，對(duì)未注漿黃土體進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，結(jié)果見圖4。可知：隨著垂直應(yīng)力的增大，土體抗剪強(qiáng)度逐漸增加。在垂直應(yīng)力為50、100、150、250 kPa 時(shí)，未注漿土體最大抗剪強(qiáng)度分別為159.236、215.853、311.394、371.55 kPa。

圖4 未注漿黃土體剪切位移-抗剪強(qiáng)度關(guān)系

由圖4 得到未注漿黃土體最大抗剪強(qiáng)度（τmax）與垂直應(yīng)力（σ）的關(guān)系，見圖5?？芍何醋{黃土體的黏聚力為115.762 kPa，內(nèi)摩擦角為47.26°。

圖5 未注漿土體τmax - σ關(guān)系

4.2.2 注漿后混合體強(qiáng)度

注漿完成后，對(duì)漿液與黃土混合體進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到混合體剪切位移-抗剪強(qiáng)度關(guān)系，見圖6?？芍弘S著垂直應(yīng)力的增大，土體的抗剪強(qiáng)度逐漸增加。在垂直應(yīng)力為50、100、150、250 kPa時(shí)，混合體的最大抗剪強(qiáng)度分別為237.084、290.163、406.936、467.091 kPa。

圖6 混合體剪切位移-剪切力關(guān)系

由圖6 得到混合體最大抗剪強(qiáng)度（τmax）與垂直應(yīng)力（σ）的關(guān)系，見圖7。可得：混合體的黏聚力為186.837 kPa，內(nèi)摩擦角為49.93°。

圖7 混合體τmax - σ關(guān)系

對(duì)原狀黃土和混合體的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)原狀黃土的強(qiáng)度明顯提升。

1）垂直應(yīng)力為50 kPa 時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度提升值為237.084 - 159.236 = 77.848 kPa，強(qiáng)度提升約49%。

2）垂直應(yīng)力為100 kPa 時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度提升值為290.163 - 215.853 = 74.31 kPa，強(qiáng)度提升約34%。

3）垂直應(yīng)力為150 kPa 時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度提升值為406.936-311.394 = 95.542 kPa，強(qiáng)度提升約31%。

4）垂直應(yīng)力為250 kPa 時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度提升值為467.091-371.55 = 95.541 kPa，強(qiáng)度提升約26%。

5 結(jié)論

本文對(duì)目前常用的三種注漿技術(shù)展開了研究，采用鋼花管注漿技術(shù)開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了漿液在黃土體中的擴(kuò)散規(guī)律，并對(duì)注漿后土體強(qiáng)度的提升展開了研究。主要結(jié)論如下：

1）漿液在黃土體中的擴(kuò)散范圍隨著注漿壓力的增大而逐漸增大。

2）當(dāng)注漿壓力較小時(shí)未出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象，當(dāng)注漿壓力增加到0.3 MPa 時(shí)出現(xiàn)了劈裂現(xiàn)象，且劈裂范圍隨著注漿壓力的增大而增大。

3）原狀黃土體的黏聚力為115.762 kPa，內(nèi)摩擦角為47.26°，而注漿后土體黏聚力為186.837 kPa，內(nèi)摩擦角為49.93°，且在50～250 kPa 垂直應(yīng)力的作用下抗剪強(qiáng)度至少提升了25%以上，注漿后強(qiáng)度提升效果明顯。