粗砂套殼料的袖閥管注漿場地試驗研究

雷 浩,吳紅剛,牌立芳,張少龍

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070； 2.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730070；3.西部環境巖土及場地修復技術工程實驗室,蘭州 730070)

引言

袖閥管注漿工法又稱索列坦休斯工法，是由法國Soletanche基礎工程公司于20世紀50年代開發研究的一種注漿工法[1]。由于袖閥管注漿具有注漿效率高，施工方便、快捷，且施工時對既有線路正常運作和使用影響較小等優勢，該工法是目前被國內外公認的可靠的注漿工法[2]。

早期，國外學者對袖閥管注漿的機理及標準進行了研究。YEUNG A T等[3]及NEHA Shrivastava等[4]對注漿原理進行了研究；DAVIDE Merlini[5]對采用袖閥管注漿對塞內里隧道軟弱圍巖進行加固；CN I James等[6]也采用袖閥管注漿對黏性土地基進行加固，加固效果顯著。袖閥管注漿技術于20世紀90年代被引入國內，并逐漸推廣應用到基坑、地基、隧道等工程的維修加固過程中，金雪峰等[7]，竇玉東等[8]及白俊等[9]分別采用袖閥管注漿技術對地鐵附近的基坑進行處理，表明在基坑處理過程中采用袖閥管注漿技術加固是行之有效的；唐勝利等[10]采用袖閥管和鋼管樁對采空區軟弱地基進行加固，朱登元等[11-12]也采用室內模型試驗，開展了袖閥管劈裂注漿加固粉土路基的效果研究，得出了利用袖閥管注漿處理軟弱地基時漿液-土體具有明顯協同作用；張大千[13]、周運祥[14]及羅齊來[15]分別利用袖閥管注漿技術對不同隧道軟弱圍巖進行預加固治理，都取得了良好的注漿效果。另外，也有學者研究了套殼料在不同材料及配合比下對袖閥管注漿效果的影響，韓麗英等[16]采用普通土代替套殼料中的膨潤土進行試驗研究，并研究了不同配比的套殼料對于袖閥管注漿效果的影響；王生等[17]開展了袖閥管注漿套殼料配合比室內試驗，研究了套殼料各摻料對套殼料強度及其拌和物初凝、終凝時間的影響。

通過上述研究發現，國內外學者對于袖閥管注漿技術的研究多集中于機理及其實際應用，但目前對于袖閥管注漿在實際施工中套殼料的合理配比以及漿液沿土體劈裂方式等分析研究工作開展較少，且由于列車運營，無法在現場對路基進行原位試驗。鑒于此，以隴海鐵路某段下行線路基處理為工程背景，開展了粗砂作為套殼料的袖閥管注漿改進的場地試驗研究，通過試驗后對袖閥管注漿周邊土體進行開挖解剖分析，并利用加速度及土壓力在注漿過程中的響應測試，同時與傳統套殼料的袖閥管注漿效果進行對比，著重就改進套殼料的袖閥管注漿在鐵路路基的加固效果及其注漿過程對路基的響應進行評價。研究結果可以為利用袖閥管注漿加固及維修的鐵路路基工程提供理論基礎和技術指導。

1 工程概況

隴海鐵路西起蘭州站、東至連云港站，正線全長1 759 km，設計速度140～200 km/h。該段線路路基位于路堤填方土體上，路堤填方高度約為4.2 m，路基填方土體以黃土為主。現場取回原狀土樣(上下行共9組土樣)，測得其含水率在11.4%～19.2 %，密度在1.61～2.04 g·cm-3，壓縮指數均大于0.167，由此可以判別土的類別是屬于高壓縮性土，土的壓縮量較大。

在列車的持續荷載及降雨影響下，導致該段下行線路基承載力下降，路基有明顯沉降，嚴重危及列車的正常行駛及運營；另外，因該段穿越村莊及既有線路等，也影響到周圍居民人身和財產安全。為保證線路穩定與列車運營安全，且對周圍居民生活產生較小影響，綜合考慮各種因素，決定采用袖閥管注漿對沉降路基進行加固處理。

注漿加固區段采用PVC硬質袖閥管進行加固，沿線路以單排形式布設，共布置100個注漿孔，縱向間距為2.0 m，且與路基地面夾角為30°；每個注漿孔中袖閥管總長為9.0 m，單根管長為2.0 m，直徑為30 mm，注漿壓力為0.2～0.8 MPa。現場注漿如圖1所示。

圖1 現場袖閥管注漿

2 袖閥管注漿原理及套殼料改進措施

2.1 袖閥管注漿原理

袖閥管注漿是由注漿泵、潛孔鉆、袖閥管、注漿器、套殼料、注漿漿液組成。袖閥管注漿時首先需要根據設計情況鉆出工程所需鉆孔，然后再將袖閥管放入孔中，待套殼料養護完成后將注漿管沿著袖閥管移動到所需注漿的位置，隨后通過注漿泵將一定配比的漿液經注漿器傳輸至袖閥管，注漿壓力使袖閥管外側的橡膠圈脹開，套殼料被擠碎，此時漿液逐漸向著土體的孔隙裂縫滲透[18]，如圖2(a)所示。在注漿壓力作用下，使土體在薄弱結構面產生劈裂現象，漿液會沿著土體裂縫不斷流動并填充裂縫，凝固后的漿液與土體形成劈裂漿脈，對土體有明顯的擠密效應，提高其承載力，對控制路基沉降有較好的效果。

圖2 袖閥管注漿原理示意

2.2 粗砂代替套殼料的可行性

袖閥管注漿施工過程中，澆筑及養護套殼料是袖閥管注漿關鍵的一步，它要求既能在一定壓力下壓開填料進行橫向注漿，又能在高壓注漿時，阻止漿液沿孔壁或管壁流出地表[19]，所以套殼料澆筑的好壞直接關系到袖閥管注漿的效果。

傳統施工過程中，套殼料大多都是根據現場試驗情況或經驗來選取水泥、膨潤土、水的配比進行施工，待養護5～7 d，強度達到0.3～0.5 MPa后才可注漿，施工周期較長；由于袖閥管注漿封孔工藝復雜，封孔不良可能會導致注漿質量差；另外，若套殼料養護不足，則在注漿過程中漿液擴散范圍難以控制，易出現污染鉆孔、注漿失敗等情況，達不到預期加固效果。

因此，提出一種改進的袖閥管注漿方法：采用粗砂作為套殼料，孔口地面附近用黏土封孔，注漿孔以下用細砂填筑。因粗砂孔隙率大，保水性較好，劈裂效果較好，從而使漿液可以快速沿整個樁身擴散至土體，同時粗砂不需要養護就可以進行注漿，極大地減少了注漿周期，對既有線路的正常運作和使用影響較小；另外，相比于傳統方法采用速凝水泥砂漿封孔，黏土封孔工藝簡單，便于操作，造價較低。

3 試驗設計

3.1 場地土層物理力學性質

土體的壓縮性和抗剪強度是控制在注漿過程中的關鍵參數[20]。為了使試驗能最大化模擬現場鐵路路基的實際情況，選取西部環境巖土工程實驗室場地的天然黃土路基作為試驗對象。

通過現場取樣，按照TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》對該場地黃土的物理力學參數進行測定，結果如表1所示。可以看出，選定試驗場地土層的物理力學參數與現場路基性質較為接近，可以滿足現場試驗的基本要求。

表1 現場土層及試驗土層物理力學參數對比

3.2 試驗方案

對照現場實際路基原型，在試驗場地選取尺寸為800 mm×1 800 mm×1 500 mm(長×寬×高)的天然黃土路基作為對象。為了盡可能貼合現場實際工點，場地試驗選用直徑為φ30 mm，長為2.0 m的PVC袖閥管，注漿管與路基地面呈30°夾角；袖閥管每隔30 cm設置4個φ3 mm的溢漿孔，兩兩對稱，在溢漿孔處設置橡皮套，且只允許漿液單向溢出，如圖3所示；注漿漿液采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.5∶1；注漿壓力控制在0.20～0.40 MPa。

為研究改良套殼料的性能，本次試驗采用對比試驗方案，方案1為傳統套殼料(工程中常用水∶水泥∶膨潤土=1.6∶1∶1)；方案2為改良后的套殼料(粗砂過公稱直徑為1.25 mm篩網)，同時使用黏土封孔。

3.3 試驗量測系統布置

為觀測和記錄注漿過程中應力分布狀態以及加速度響應情況，試驗過程中對土壓力及加速度進行了實時監測。土壓力計和加速度傳感器沿袖閥管軸線方向分別在兩側布設，北側和南側各布設一組，每組布設3個。加速度傳感器布設位置與土壓力計相同，第1組(南側)土壓力計為S1～S3(加速度為A1～A3)，第2組(北側)土壓力計為S4～S6(加速度為A4～A6)，距袖閥管30 cm處，布設間距50 cm，如圖3所示。場地試驗整體布置如圖4所示。

圖3 改進后袖閥管注漿示意(單位：mm)

圖4 場地試驗整體布置示意

4 試驗結果分析

4.1 試驗現象分析

4.1.1 傳統套殼料

注漿完成后，通過對袖閥管注漿周圍土體開挖解剖發現，套殼料(水，水泥及膨潤土)未被完全劈裂，僅沿其環向出現1條弧形裂縫并伴隨有一些輕微的擠壓破壞，袖閥管周圍也并未見明顯漿液滲透現象，如圖5(a)所示。說明由于套殼料強度過高，即使在高壓注漿的情況下，套殼料也未能完全劈裂。同時由于在套殼料外側產生了裂縫及擠壓破壞，也可能導致袖閥管整體強度降低，達不到加固地基的效果。

繼續對袖閥管外側套殼料進行解剖，可以看出在溢漿孔的位置處袖閥管被套殼料緊密包裹，漿液在高壓作用下并沒有將橡膠圈脹破，另外管壁周圍也未見明顯的漿液，未能將漿液的劈裂作用發揮出來，具體如圖5(b)所示。產生這種情況的原因是由于套殼料配比及養護時間不合理而造成其強度過高。

圖5 套殼料未被完全劈裂

通過上述試驗發現，采用傳統工程中使用的套殼料(水、水泥及膨潤土)注漿時，雖注漿壓力較高但套殼料仍未被劈裂，注漿效果不理想。分析其原因，可能是由于套殼料配比及養護時間不合理而造成其強度過高，從而導致漿液無法劈裂套殼料；另外，由于套殼料在袖閥管周圍分布不均勻，使漿液污染了周圍土體，未能達到加固地基的效果，造成注漿試驗失敗。

4.1.2 粗砂套殼料

注漿完成后袖閥管南側土體明顯可見裂縫發育現象，漿液外滲形成明顯漿液滲流現象。由圖6可以看出，主要裂縫走向呈弧形，裂縫在水平方向總體長度約為30 cm，右側裂縫的長度約為75 cm，整體呈現出貫通趨勢。同時，在靠近坡頂上部位置出現了1條長度約為15 cm的豎向裂縫。

圖6 裂縫發育

從南側開始向下剖開土體，當下剖至距基礎頂面約30 cm時，出現2條明顯的劈裂漿脈，水平劈裂漿脈長度約為40 cm，斜向劈裂漿脈長度約為45 cm，如圖7所示。該劈裂漿脈是注漿之前土體較為薄弱的地方，注漿時內部注漿壓力增大，導致巖土體內部鼓脹，漿液與土體固結形成劈裂漿脈，從內部向外呈延伸擴張趨勢。

圖7 劈裂漿脈長度測量

隨著土體逐層下剝，水平裂縫寬度逐漸變寬，最大達到1 cm。可以看出注漿孔附近的充填物逐漸清晰，砂-土分界面明顯，無水泥漿入侵現象，如圖8所示。

圖8 封孔及灌砂

在袖閥管注漿過程中，漿液在土體中的擴散規律與土體的性質及鉆孔周圍應力情況密切相關，當致密土體中大小主應力比值較大時容易發生定向劈裂[21]。由圖9可以看出，土層在注漿壓力作用下，產生滲透劈裂現象，形成了不同的片狀結石體。土體下剖過程中，出現了明顯的劈裂漿脈，漿液劈裂土體后水平成層，在袖閥管樁南側呈現“碗口狀”，且漿液不與試驗黃土路基摻混為一體。

圖9 “碗口狀”水平成層現象

注漿完成后，袖閥管樁底部有略微擴大，如圖10所示。通過測量發現樁底部擴大約10%，擴大部分與樁底部共同受力，有利于袖閥管樁的穩定。注漿完成后的袖閥管可以與劈裂漿脈形成“骨架”空間結構，增加土體密實度，提高了地基的承載能力。

圖10 樁底部擴大現象

通過與傳統工程套殼料的袖閥管注漿試驗現象進行對比，表明粗砂作為套殼料時更易劈裂土體，注漿效果明顯，造價低且施工周期較短，可以較好滿足實際工程需要。

4.2 土壓力及加速度分析

由于傳統套殼料的袖閥管注漿效果不佳，采集到的數據無明顯規律，所以此處只對改良后粗砂套殼料注漿的動力響應進行分析。

4.2.1 土壓力響應

注漿結束后，通過對試驗現象觀察及數據整理發現，袖閥管北側注漿效果不明顯，土壓力計數值變化范圍不大；而在袖閥管樁南側出現漏漿現象，劈裂注漿效果顯著。所以此處選取袖閥管樁南側S1、S2、S3號土壓力計為例進行分析。

注漿工藝采用分段注漿，當袖閥管壓力表達到0.4 MPa時停止注漿，等袖閥管內壓力歸零后繼續注漿。由圖11可知，S2號和S3號土壓力計距袖閥管底較近，數值變化明顯，劈裂注漿效果顯著；S1號土壓力計距路基頂部較近，土壓力計數值在0.3～0.4 kPa小幅度震蕩，說明漿液并未全部劈出，雖有輕微滲透但效果不明顯，土壓力響應較小，且土壓力數值沒有明顯的增加或減少。

圖11 土壓力實測時程曲線

根據分段注漿時刻與土壓力響應情況，可將注漿過程分為4個階段，具體響應情況如表2所示。

表2 土壓力響應情況

由表2可以看出，第一階段注漿持續6 min，漿液進入袖閥管，土體被擾動，土壓力有小幅度變化；第二階段注漿持續時間最長，漿液開始滲透土體，土壓力緩慢增大；第三階段注漿持續10 min，漿液完全滲透土體，劈裂效果明顯，土壓力逐漸增大，并在漏漿時達到峰值；第四階段注漿持續時間最短，注漿基本完成，土壓力逐漸消散后基本保持穩定。

提取出各對應測點的土壓力峰值，通過圖12可知：袖閥管南側土壓力峰值明顯要大于北側土壓力峰值，分析其原因主要是由于南側出現漏漿，在此處發生定向劈裂現象，對南側土體響應明顯。由于注漿壓力在土體中分布不均，導致在土體不同位置中沿薄弱面劈裂，注漿孔內部分壓力響應不明顯，且一般在地表附近壓力偏小，中下部壓力較大。由圖12明顯可以看出，隨土壓力計距袖閥管底高度增大，其峰值下降，即在近袖閥管底處土壓力峰值較大。

圖12 土壓力峰值對比

4.2.2 加速度響應

根據傳感器布置位置，此處選取南側3個傳感器為例進行分析，分別做出A1～A3測點的加速度時域曲線，如圖13所示。

圖13 加速度時域曲線

由圖13對應上述4個注漿階段分析可得，在第二階段(0～50 s)及第三階段(500～600 s)內，加速度波動情況明顯。A1測點處加速度峰值為5.104 cm/s2，A2測點處加速度峰值為9.183 cm/s2，A3測點處加速度峰值為10.578 cm/s2。對比上述各測點加速度峰值可發現，A2、A3兩測點處響應強烈且加速度峰值較大，這是由于這兩個測點靠近袖閥管底漏漿位置，此處漿液與土體凝結，形成了劈裂漿脈，增加了土體的密實度，使土體對于振動波的吸收較小。

同時，對比各測點加速度峰值所出現的時刻可發現，從A1～A3測點加速度約在第三階段(500～600 s)時出現明顯峰值。表明這些時刻漿液已經滲透土體，發生了定向劈裂。

提取出各對應測點的加速度峰值，通過對A1～A6加速度傳感器峰值對比(圖14)可知：袖閥管南側加速度峰值明顯大于北側加速度峰值，這與土壓力峰值分布相似，也是由于南側出現漏漿現象，南側土體加速度響應明顯。

圖14 加速度峰值對比

另外，由于漿液在一定壓力作用下會沿土體薄弱面滲透土體，可以看出土體的擾動效應與測點至袖閥管樁底距離呈負相關，距袖閥管底高度越小，其加速度峰值越大。以A1點為基準點，A2點和A3點的放大系數分別為1.8和2.1；同理以A4點為基準點，A5點和A6點放大系數分別為3.5和4.5。可以看出，由地基表面到袖閥管底加速度峰值存在明顯的放大效應，底部土體劈裂需要更大的能量，且漿液在劈裂后其動能也較大。在注漿過程中，周圍土體振動明顯，加速度響應強烈，從側面表明以粗砂作為套殼料的袖閥管注漿對路基加固具有良好的效果。

5 結論

以隴海鐵路某段下行線路基加固處理為依托，開展了粗砂代替套殼料的袖閥管注漿改進場地試驗研究，得出以下結論。

(1)試驗后對粗砂套殼料的袖閥管注漿周邊土體進行開挖解剖分析表明：漿液劈裂土體水平成層，劈裂漿脈呈現出“碗口狀”，注漿完成后的袖閥管與劈裂漿脈形成“骨架”空間結構，提高了地基承載力，以此來達到加固路基的目的。

(2)通過加速度及土壓力響應可以看出，漿液在一定壓力作用下會沿土體薄弱面滲透土體，土體的擾動效應與測點至袖閥管樁底距離呈負相關，且在靠近袖閥管底處土壓力和加速度響應最為強烈，這與注漿完成后的袖閥管底部出現擴大端現象相吻合。

(3)通過與傳統套殼料的袖閥管注漿效果對比分析，表明采用粗砂作為套殼料的袖閥管注漿時，劈裂效果明顯，漿液能夠快速滲透土體，達到有效加固地基的效果，較好地滿足實際工程需要，同時也驗證了改進措施的有效性和可行性。

(4)改進后的袖閥管注漿也能夠極大地降低施工費用和施工周期，可為處理鐵路路基沉降問題提供借鑒和參考。