基于高压旋喷技术支护的高陡砂土质边坡稳定性研究

李建文

（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安710077）

基于高压旋喷技术支护的高陡砂土质边坡稳定性研究

李建文

（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安710077）

在松散砂土层中开挖高陡边坡是一个复杂的工程技术问题，对原始地层的处理技术提出了较高要求。为了掌握高压旋喷处理松散砂土层技术以及分析其效果，在分析原始地层砂土层物理力学特性的基础上，制定了适宜的高压旋喷技术参数进行试桩，结果显示试桩效果良好，并以试桩参数为理论依据，评价了旋喷注浆处理后的复合地层的承载能力，复合地层的物理力学参数显示改造效果可满足工程要求。以极限平衡法和强度折减法分别计算原始地层和复合地层开挖边坡的稳定性变化规律，安全系数表明原始地层中的边坡不能自稳，而复合地层中的边坡稳定性显著提高，满足边坡稳定性需求。旋喷注浆结束后，在边坡开挖过程中和完成后对旋喷桩桩头进行位移监测，监测数据表明边坡开挖完成后短期内位移逐渐增大，而长期位移保持平稳，且在经历雨季后边坡位移无明显变化。通过试桩试验、理论分析及位移监测，表明旋喷注浆技术可显著改善砂土质地层的物理力学性质，提高原始地层的综合承载能力，保证高陡边坡的稳定性。

高压旋喷桩；复合地层；砂质边坡；稳定性；边坡支护

0引言

由于松散砂土无胶结，在其中直接开挖边坡难以实现，必须对原始地层进行必要处理而形成复合地层。另外，高陡边坡对地层条件要求更高，需要特殊的地层加固技术。

高压旋喷注浆技术是把注浆管钻入预定深度后，通过地面的高压设备使浆液由注浆管上的喷嘴喷出20～40 MPa的高压射流冲击切割地基砂土体，砂土体颗粒受到重力、冲击力、离心力等多种力共同作用，与浆液充分混合，待混合浆液凝固后，可形成具有一定强度的旋喷桩体。浆液在砂土体中通过挤密、充填及化学胶结作用加强了岩土结构的整体性［1］，使地基的承载能力得到提高、抵抗变形的能力得到增强，而形成复合地基［2］。

高压旋喷注浆技术具有施工快捷、造价低廉、适应性好等特点，注浆体固化后为桩柱形式，固结体抗压强度高，但抗剪强度较低［3-4］。针对在边坡支护中的应用，一些学者进行模型试验和数值分析［5-7］。

本文针对在松散砂土层中开挖形成高陡边坡的实际工程问题，利用高压旋喷注浆技术改造原始地层，研究在改造后的复合地层中开挖形成的高陡边坡的稳定性演化规律。

1边坡地层条件与支护方案

1.1边坡工程地质条件

边坡为陕煤集团柠条塔煤矿四平台道路高陡边坡，由于该道路场地狭窄，没有足够的放坡和降低道路坡度的条件，且场地地层条件较差。地层由上至下依次为细砂、中砂、黄土（表1），砂层厚度超过10 m，且地层较为干燥，含水较低。另外，由于砂层饱水性极差，在雨季来临时会短时间将雨水汇流至边坡外防护层后，会对边坡稳定性造成不良影响。

表1　原始地层物理力学参数Table 1 Original stratum physical and mechanical parameters

1.2边坡支护方案

道路边坡设计分两级支护，一级坡面为M10浆砌片石护面墙，坡比1∶0.25，二级坡面为M10浆砌片石拱形骨架。基于对此设计方案及地层、场地和施工条件的分析，欲使用旋喷注浆的方法改造原始地层，旋喷桩将原始地层加固为复合地层，提高原始地层的综合承载力，然后再进行道路高陡边坡的逐级开挖作业。

旋喷桩自拟建道路中心线向外8.5 m处两侧开始布置，旋喷桩梅花型布置，间距1.5 m，旋喷桩桩底伸入路面以下5 m，旋喷桩直径600 mm，水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥（P·042.5）。坡脚、挡土墙顶及坡顶布设排水明沟，沟宽0.4 m，沟深0.5 m。典型剖面如图1所示。

2旋喷注浆复合地层性能分析

2.1旋喷注浆体性能的试验分析

图1　加固并开挖后边坡典型剖面Figure 1 A typical section of slope after consolidation and cutting

利用旋喷法向地层中注浆，形成的注浆体是原始地层土或砂与注浆材料形成的复合体［8］，复合体的性能决定了旋喷桩体的承载能力，同时也是原始地层注浆改造后形成的复合地层边坡稳定性的决定因素［9］。注浆复合体的性能除了受原始地层条件的影响外，还受旋喷注浆施工工艺参数的影响，原始地层条件是固有条件，通过改变注浆参数可达到控制复合体的目的。表2中为旋喷注浆工艺参数。

旋喷注浆试桩完成后，对试桩进行静止养护，停止周围可能的振动作业以防扰动。在试桩养护至28 d后，在试桩上钻探取心，根据规范制作为标准试样，进行物理力学参数试验［10］。表3为试桩的物理力学试验结果。

表2　旋喷注浆工艺参数Table 2 Jet grouting technological parameters

表3　旋喷桩试桩物理力学参数Table 3 Jet grouting trial piling physical and mechanical parameters

由表3可以看，经过旋喷注浆后砂层和土层的物理和力学性质都得到了改善，例如散状砂层的内黏聚力具有较大提升，由原来的0 kPa，增大至注浆固化后的920 kPa。原始地层中的砂和土作为骨料被高压搅拌至浆液中，形成高浓度复合浆液，复合浆液失水固化后形成结石体。

2.2注浆复合地层特性的理论分析

桩与桩之间无联接的“分散式”方案处理边坡砂层，然后利用桩体承受水平荷载的形式，国内外工程案例还很少见，且相应的理论研究成果也较少。对于注浆处理后原始地层的综合改造效果，可根据桩体抗剪强度和桩体置换率来计算复合地层的整体力学特性来评估［5-7］。

基于面积置换率的抗剪强度参数复合计算公式如式1、式2、式3所示［11］：

式中：cc为复合土体粘聚力，kPa；cs为桩间土粘聚力，kPa；cp为桩体粘聚力，kPa；φc为复合土体摩擦角，（°）；φs为桩间土摩擦角，（°）；φp为桩体摩擦角，（°）；k为面积置换率；d为桩身平均直径，m；de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m；等边三角形布桩de=1.05 s，s为桩间距，m。

根据式1、式2、式3、表1及试桩参数（表3），计算得置换率为0.145，加固区各层复合地层的力学特性如表4所示。

表4　旋喷注浆复合地层理论参数Table 4 Jet grouting composite formation theoretical parameters

比较表1和表4可得，复合地层的力学特性得到显著改善，由原始地层的散体结构被改造为可承受剪切荷载的硬塑结构。对于原始地层，注浆对其有三大效果，一是提高了桩体周围砂层和土层的密实度，二是将部分砂和土置换为胶结的浆液，三是桩体加筋作用提高了砂土体的整体性。

3边坡稳定性分析

3.1极限平衡法

利用理正岩土工程分析软件（6.5版）计算原始地层边坡和高压旋喷桩支护后的边坡的稳定性。采用通用标准对地层建立模型，选用直线与折线滑动法，自动搜索最危险滑动面，计算初始和最终安全系数。计算简图如图2、图3所示，计算结果见表5。

图2　原始地层边坡计算简图Figure 2 A schematic diagram of original strata slope computation

图3　旋喷桩加固边坡计算简图Figure 3 A schematic diagram of jet grouting consolidation slope computation

表5　边坡安全系数计算结果Table 5 Slope safety factor computed results

由表5可见，经过旋喷桩加固后边坡稳定性显著提高，安全系数满足规范要求，证明了利用旋喷注浆加固干燥松散砂土层的可行性。

3.2强度折减法

目前，常见的边坡稳定分析方法除了传统的刚体极限平衡法外，基于有限元、有限差分程序的强度折减技术进行边坡稳定性分析日渐兴起。强度折减法不仅能够简单、准确地确定边坡安全系数，而且还可以通过相关的计算结果得到边坡的潜在破坏位置，因此在边坡工程中有广泛应用［12-13］。

强度折减法中边坡的稳定安全系数定义为：把强度指标减小到边坡临界破坏时的强度指标所需要折减的系数，强度指标可按式（4）和式（5）进行折减：

式中，c和φ分别为岩土体真实的黏聚力和内摩擦角，cF和φF分别为经过折减后的黏聚力和内摩擦角，Ftrial为折减系数。

通过不断调整岩土体的强度指标c和φ，然后对边坡进行有限元分析，不断增加折减系数，反复计算，直至达到临界破坏，此时得到的折减系数即为安全系数。

本文采用强度折减法利用FLAC3D数值软件对旋喷桩支护的砂质边坡进行数值分析，从安全系数、剪切应变增量和速度矢量等参数分析旋喷桩对砂质边坡的加固效果，与极限平衡法计算结果进行佐证。

按照设计图的典型剖面建立数值模型，模型计算范围取70 m×35 m（长×高）。表面即地表为自由边界，其余各外表面均约束法线方向的位移，y方向只采用一个单元宽度（1 m），并对模型所有节点的y方向进行约束，以便等效地进行平面应变分析。边坡岩土体采用摩尔-库仑本构模型，具体参数见表1、表3和表4，数值模型见图4所示。

图4　数值计算模型图Figure 4 Numerical computation model

（1）安全系数。通过FLAC3D的模拟运算，采用软件内置fos命令计算砂质边坡的安全系数，得到未采取加固措施的砂质边坡安全系数为0.85，这表明砂层在开挖形成边坡后，边坡在重力荷载作用下不能保持稳定，会发生失稳破坏，需要对松散砂质地层进行必要加固处理，提高地层综合强度参数。

利用旋喷注浆技术对砂层进行加固后，形成了复合地层，再次利用原数值模型对加固后的边坡稳定性进行计算，重新计算得出的边坡安全系数为1.59，可以满足工程对安全性的要求。

（2）剪切应变增量及速度矢量。从图5可以看出，加固前砂质边坡可以明显看到塑性贯通区域即潜在的滑动面，速度矢量图则有力地佐证了这一判断。因滑动面外侧区域各网格点速度明显大于其他区域，说明这一区域已经出现明显滑动，即发生了破坏。最大剪切应变增量为0.722，最大速度矢量为1.804×10-4。经旋喷桩加固后，塑性区大大减小，最大剪切应变增量降低至0.108，最大速度矢量降低至4.520×10-6。加固后砂质边坡区域剪切应变增量及速度矢量均大幅减小，且减少了坡体塑性区的面积。

图5　旋喷注浆加固前后边坡剪切应变增量及速度矢量Figure 5 Slope shear strain increments and velocity vectors before and after jet grouting consolidation

3.3位移监测法

利用旋喷注浆法对原始地层加固完成后，对地层进行静止养护，达到复合体养护龄期后，进行边坡的系统开挖。开挖过程中，根据旋喷桩的布置情况，选择一定数量的桩体位移进行监测，以此来判断边坡体的稳定性状况。开挖完成后，继续对上述边坡进行位移监测，直到边坡经历一个完整雨季（表6）。

通过表6中的监测数据来看，开挖过程中边坡上的旋喷桩桩头的位移随着开挖深度的增大而逐渐增大，且边坡设计高度小的部位明显小于设计高度较大的部位，但位移均在安全范围内。边坡开挖完成后旋喷桩的位移在初期略微增大，而随着时间的推移，桩头的位移逐渐稳定，在270 d后边坡已经完全经历了一个完整的雨季，桩头的位移仍然符合设计和规范要求。由此旋喷桩的位移变化规律，可反映出边坡保持稳定。

表6　边坡开挖过程中和完成后桩头位移监测结果Table 6 Pile head displacement monitoring results during slope cutting process and after

4结论

（1）旋喷注浆法可有效改善松散砂层和土层的物理力学性质，且可形成复合地层，提高原始地层的承载能力。

（2）采用极限平衡法与强度折减法，分别对原始地层和复合地层条件下的边坡稳定性进行计算，结果表明原始地层边坡自稳能力极差，而利用旋喷桩形成的复合地层边坡稳定性符合设计和规范要求。

（3）在边坡开挖过程中和开挖完成后对旋喷桩的状态位移进行实时监测，监测结果表明边坡在开挖过程中桩头的位移逐渐增大，但在边坡开挖完成后短期内桩头位移趋于平稳，且经历完整雨季后桩头位移无明显增大，说明了边坡处于稳定状态。

（4）利用无配筋的旋喷桩加固松散砂体和土体边坡，需科学划分并严格控制开挖深度及步距，及时实施辅助防护措施，以便共同作用保持边坡的长期稳定性。

［1］杨凤灵，吴燕，李卿，等.高压旋喷桩复合地基的基本特性［J］.华北水利水电学院学报，2006，27（1）：97-99.

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［5］陶涛.高压旋喷桩处理边坡的模型试验研究［D］.南宁：广西大学，2012.

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High and Steep Sandy Slope Stability Study Based on High-pressure Jet Grouting Support Technology

Li Jianwen
（Xian Research Institute，China Coal Technology and Engineering Group Corp，Xian，Shaanxi 710077）

To cut high and steep slope in loose sandy soil is a complex engineering；it requires higher original strata processing technology.To grasp high-pressure jet grouting loose sandy soil processing technology and analyzing its effect，on the basis of original sandy soil physical properties，selected appropriate high-pressure jet grouting parameters carried out trial piling.The result has shown good piling effect.Taking the trial piling parameters as theoretical basis assessed the composite formation bearing capacity after jet grouting process.The physical and mechanical parameters of composite formation have showing the modification effect can satisfy project needs. Taking the limit equilibrium and strength reduction methods have estimated original strata and composite formation slope cutting variation pattern respectively.The safety factors have shown that slope in original strata can not be self stabled，while slope stability in composite formation has significantly improved and satisfy slope stability needs.After the jet grouting，during the slope cutting process and after carried out jet grouted pile head displacement monitoring，the data have shown that after the slope cut，the short term displacement is gradually increasing，while the long term displacement keep steady，and no marked changes after rainy season.Through pile testing，theoretical analysis and displacement monitoring，have shown that the jet grouting technology can improve sandy strata physical and mechanical properties，enhance original strata comprehensive bearing capacity，thus can ensure high and steep slope stable.

high-pressure jet grouting pile；composite formation；sandy slope；stability；slope support

P642.22；TU447

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.08.11

1674-1803（2016）08-0053-05

中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目（2014ZD014）

李建文（1981—），男，甘肃民勤人，工程师，主要从事地质灾害防治技术工作。

2016-3-30

责任编辑：樊小舟