非均匀地应力下袖阀管注浆开环压力研究及应用

王 生，郭佳奇，孟长江，高保彬

(1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454003；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；3.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003)

20世纪50年代，法国Soletanche基础工程公司首创了一种注浆工法——袖阀管注浆，由于此工法能较好地控制注浆范围和注浆压力，可进行重复注浆，且因其具有冒浆与串浆的可能性很小等特点被国内外公认为是最可靠的注浆工法[1-2]。袖阀管注浆不但可以用在高速铁路领域中，而且可以应用在高速公路、地铁等类似注浆加固工程中，也可用在路面沉降加固处理、建筑物纠偏、基础加固等方面。在防渗、堵漏工程中，袖阀管注浆的效果较好，是一种既经济又适用的新方法。

目前，已有许多学者对袖阀管注浆进行了研究。文献[1]在分析袖阀管注浆原理及注浆机制类型的基础上，采用颗粒流程序模拟了浆液扩散、土体压密及劈裂效应产生的过程。文献[2]通过室内大型模拟试验，研究了粉土路基强度、刚度在毛细水作用下的衰减规律和袖阀管劈裂注浆加固路基的效果，结果表明袖阀管加固粉土路基效果显著。文献[3]在应用袖阀管注浆技术加固地基中提出了注浆效果检验及评价的方法，通过对注浆过程的分析与计算，从理论上验证了注浆效果。文献[4]采用模袋袖阀管注浆桩处理软土地基克服了常规注浆方法中出现的浆液流动无法控制、土体劈裂严重等现象。文献[5-9]结合现场施工，详细介绍了袖阀管注浆的施工工序，采用袖阀管注浆加固软土地基，解决沉降问题取得良好的效果。文献[10-11]依据现场施工需要改进了袖阀管注浆技术，使复杂地层和特殊环境下注浆进一步得到改善。以上文献对于袖阀管室内试验、现场施工操作和袖阀管技术的改良做了大量的工作，但对于袖阀管注浆套壳料的研究国内并没有太多文献。文献[12-14]通过试验研究套壳料配合比对其强度、凝胶时间及稠度的影响规律，但套壳料开环问题还没有得到很好的解决。袖阀管注浆中套壳料开环与注浆压力、浆液的扩散半径都有着密切的联系。本文研究套壳料在非均匀地应力下袖阀管注浆的开环压力，并求解套壳料受力问题。论证套壳料强度设计的合理性，完善袖阀管注浆的理论研究，推动了袖阀管注浆技术的进步和发展。

1 套壳料受力模型及其简化

1.1 袖阀管注浆套壳料作用机理

袖阀管注浆时，浆液进入袖阀管和芯管阻塞器之间，随着浆液注入，当压力达到一定程度后袖阀管外侧的橡皮圈被浆液胀开，泄浆孔处的套壳料被挤碎(即开环)，而泄浆孔上下部的套壳料仍具有一定的强度，可以阻止浆液的上下流窜，浆液只能在泄浆孔周围一定范围内横向流动，这样浆液被源源不断的挤压到地层中(如图1所示)。

图1 袖阀管用套壳料作用机理

作为注浆护壁的套壳料要在开环压碎，同时上下端的套壳料仍具有一定强度，可以发挥对袖阀管的保护作用，阻止浆液上下流动，扩大地层加固半径。因此，套壳料要求强度适宜、脆性较高、收缩性小，既能防止串浆又要兼顾开环。目前，套壳料主要以膨润土为主、水泥为辅配制而成。根据施工天窗要求还会加入缓凝剂或水玻璃等外加剂。其主要作用是在袖阀管周围形成具有一定强度的保护层，封闭袖阀管与钻孔孔壁之间的环状空间。

1.2 受力模型的简化

套壳料浇筑凝固后，地层和套壳料可视为一个复合空心圆柱体。由于套壳料和地层的物性参数差异较大，在套管内压、地层压力作用下，套壳料和地层之间的胶结面会产生接触压力或拉应力。考虑两界面完全胶结，套壳料力学模型基本假设为：①套壳料无几何缺陷、结构完整、浇筑厚度均匀，可视为厚壁空心圆柱体;②地应力是非均匀的，且随注浆深度的改变而改变，侧压力系数随地质情况或注浆深度的改变而改变。

根据以上假设可知，非均匀地应力下套壳料受力分析属于厚壁圆筒问题。将套壳料开环的工程问题转化为平面问题求解，其简化模型如图2所示。设套壳料内半径为a，外半径为b，内层所受均布注浆压力为q(假设注浆浆液均匀扩散)，假定无穷远边界处竖向和水平向受到的地应力分别为p，λp，其中λ为侧压力系数。

图2 套壳料受力模型

2 基本方程与失效准则

内外荷载挤压导致套管损坏问题一直是国内外研究的重点，文献[15-17]将套管—水泥环复杂受力问题通过简化分解成2个简单的受力情况叠加。基于此，将图2受力模型进一步简化成2部分，即只受均匀内压(p=0)和非均匀外压(q=0)。

2.1 均匀内压应力解答

根据弹性力学圆筒受内外均布压力的拉梅解答公式，有且仅当外压p=0时，求解得到均匀内压下套壳料受力分析公式如下

(1)

式中：r为袖阀管计算半径;σr,σθ,τrθ分别为套壳料径向、环向、切向应力,以压应力为正，拉应力为负。

2.2 非均匀外压应力解答

结合文献[18]的幂级数解法和文献[19-20]的非均匀地应力下围岩求解公式可得式(2)，即单独在非均匀地应力下套壳料求解公式。

(2)

式中：θ为径向与x轴正向夹角，且逆时针方向为正。

2.3 套壳料受力分析解答

将式(1)和式(2)所求的解叠加，得到原套壳料模型受力的求解公式为

(3)

2.4 袖阀管注浆用套壳料失效准则

套壳料失效主要是胶结面受拉压失效和套壳料本体受压失效，套壳料在拉应力和压应力共同作用下也会发生剪切失效。套壳料受拉压载荷时，可采用Von Mises屈服准则来判断失效，即第四强度理论。由于讨论的是平面问题而不是空间问题，所以选用文献[21-22]修改的平面应力问题对应第四强度准则，即

(4)

式中：σr4为第四强度理论的相当应力；f为套壳料养护强度。

将套壳料受力分析式(3)中σr,σθ,τrθ的计算结果代入式(4)中。当f<σr4时，不满足强度准则，套壳料被挤碎。

3 开环压力确定及影响因素分析

3.1 开环压力确定方法

所谓开环就是根据施工天窗要求，待套壳料养护1～3 d具有一定的强度后，通过注浆泵施加压力，为浆液进入地层打开通道；套壳料未破坏前，泵压随时间的增加而增大，浆液流量则始终为0；套壳料破坏后，积聚在套壳料内的能量突然释放，泵压骤降。在这种情况下即便开环压力较大，也不会给注浆地层带来危害。袖阀管注浆时，浆液从袖阀管橡皮套挤出，需要挤碎套壳料才能进入土层。注浆压力过大会导致套壳料大范围地被挤碎，套壳料阻止浆液上下串动的作用也会受到影响。如果能够提前估测套壳料所需的开环压力，就可避免注浆压力过大给地层带来的扰动。

通过对比f与σr4可确定开环效果。f可以根据室内试验获取，σr4随着注浆压力q的增大而增大。现场施工中套壳料被挤碎的瞬间，注浆量在短时间内会增大。此时检测的注浆压力q就是套壳料的开环压力。目前，套壳料开环注浆压力均由施工经验总结而来，并没有在理论上分析。

3.2 开环压力影响因素分析

式(4)所求的σr4是一个多元方程，它的值与注浆压力、地应力、侧压力系数、环向角度等值有关。由现场施工经验，假设套壳料内径a=2.5 cm，外径b=4 cm(假定套壳料厚度浇筑均匀)，地应力随注浆深度逐渐增大。室内试验中通过正交试验选取套壳料配比为水∶水泥∶膨润土∶水玻璃=2∶1∶1.4∶0.05，1 d的养护强度f大约为0.68 MPa。

当注浆深度为10 m时，假设地应力p=0.08 MPa，侧压力系数λ=0.7。注浆压力q=0,0.2,0.4,0.5 MPa 时，绘制σr4和f关系曲线见图3。

图3 λ=0.7时套壳料养护强度与注浆压力关系曲线

由图3(a)可知，当r=a，q=0.4 MPa时套壳料内壁开始逐渐破坏。由图3(b)可知，当r=b，q=0.5 MPa 时套壳料外壁开始被挤碎。套壳料从内部到外部的破坏是一个连续的过程。这种破坏最早出现在非均匀地应力比较大的区域。

当注浆深度为10 m时，假设地应力p=0.08 MPa，侧压力系数λ=0.5和λ=1，r=b套壳料养护强度与注浆压力关系曲线见图4。可知：当λ=0.5，q=0.5 MPa 时套壳料开始被浆液挤碎；当λ=1，q=0.5 MPa时套壳料强度并未失效，q=0.6 MPa时套壳料才被挤碎，成功开环。随着侧压力系数(0≤λ≤1)的增大所需要的注浆压力逐渐增大。λ=1时套壳料受力是均匀的，图像呈标准的圆环状。

图4 r=b时套壳料养护强度与注浆压力关系曲线

综上所述，影响袖阀管开环最主要的因素是注浆压力，而且在非均匀地应力下套壳料最先被挤碎的部位是地应力较大处。随着侧压力系数的增大，所需的注浆压力也会相应的增大。

4 工程实例分析

武汉至宜昌高速铁路路涵过渡段的填方侧路基产生不均匀沉降，路基下沉导致列车处于限速运营状态。为了尽快消除该路涵过渡段沉降问题，防止过度沉降，保证行车安全，采用袖阀管注浆地基加固技术对汉宜线K1097+678—K1097+722路涵过渡段沉降进行整治。现场施工中打孔直径为7.9 cm，套壳料浇筑厚度约为1.3～1.6 cm。结合施工天窗要求，施工中选取套壳料配比为水∶水泥∶膨润土∶水玻璃=2∶1∶1.4∶0.05。

钻孔按照工程中常用的“梅花形”方式布置，这种布孔方式可以更好地防止相邻孔发生串浆现象，一序孔为19 m深，二序孔为25 m深，如图5所示。

图5 试验钻孔布置示意(单位：m)

按照注浆次序依次注入水泥浆，注浆过程中记录注浆压力的变化。不同钻孔初注压力的变化曲线见图6。可知：3个一序孔注浆时，在0.20～0.35 MPa的压力下，地层吸浆量很大，1#孔注浆压力稳定在0.12～0.15 MPa，2#孔、3#孔注浆压力略大于1#孔注浆压力，为0.13～0.18 MPa。二序孔注浆时，注浆压力明显大于一序孔，其中7#孔初注压力一直保持在0.3 MPa 左右，该处地层正常注浆压力应该在0.2～0.3 MPa左右。现场施工中须把握注浆压力，注浆压力升高会使地层产生劈裂，持续一定时间会使地表产生隆起、裂缝，最终地表串浆。

图6 不同钻孔初注压力的变化曲线

图7 不同钻孔袖阀管开环压力变化曲线

不同钻孔袖阀管开环压力变化曲线见图7。可知，1#孔—5#孔的开环压力稳定在0.4～0.5 MPa，而6#孔和7#孔的开环压力较大。原因可能是4#孔、5#孔的浆液渗流到没有完全凝固的套壳料外层，增加了套壳料的强度，使6#孔、7#孔的袖阀管注浆开环压力变大，稳定在0.5 MPa左右。

由于地质环境的复杂性，在实际工程中套壳料所处温度湿度不同都会影响其强度，套壳料的养护强度和室内试验中会有一定的偏差。但实际工程中注浆开环压力均稳定在0.4～0.5 MPa，和理论推导结果十分接近，论证了理论推导套壳料开环压力的准确性。现场施工中没有出现漏浆、串浆及地基隆起不良现象，采取袖阀管注浆加固填方路基，不仅保证了加固过程中轨道板的变形量，而且可以使加固后的路基满足运营及相应的设计规范要求。

5 结论

1)通过建立非均匀地应力下套壳料的力学模型，得出套壳料应力分布表达式。套壳料从内部到外部破坏是一个连续的过程，破坏最早出现在非均匀地应力比较大的区域；随着侧压力系数(0≤λ≤1)的增大所需的注浆压力也会增大。

2)汉宜高速铁路施工现场所用袖阀管注浆开环压力与理论推导结果比较吻合。袖阀管注浆不仅保证加固过程中轨道板的变形量，而且可以使加固后的路基满足后续运营及相应的设计规范要求。袖阀管开环理论研究可以为今后类似工程借鉴与参考。