袖阀管注浆对临近土体变形影响的试验研究

孙九春,许四法,王旭锋,王 哲,王 瑞,,奚晓广

(1.腾达建设集团股份有限公司,上海 200120;2.浙江工业大学 土木工程学院,浙江 杭州 310023;3.深圳龙源精造建设集团有限公司,广东 深圳 518100)

袖阀管注浆是在PVC管管壁上钻注浆孔,袖阀管外壁用挤密橡胶圈包裹,注浆时把注浆管插入袖阀管中,注浆管中的浆液在压力作用下撑开袖阀管外壁的橡胶圈注入地层。作为一种较为成熟的地层变形控制技术,袖阀管注浆越来越多地被应用于地基处理中[1-3]。近年来,通过采用注浆方式对既有建(构)筑物因周边卸荷产生的水平方向变形进行控制的方法在华东地区已得到应用并且效果明显[4-7]。但袖阀管注浆施工过程中,随着浆液的注入会对土体产生挤压作用,导致临近土体产生水平变形。因此在注浆加固时,合理地确定注浆参数是关键所在。李享松等[8]对注浆材料参数及注浆孔距进行优化分析,研究结果表明注浆孔间距宜控制为1.8 m。李启月等[9]通过现场试验分析布袋注浆桩对软黏土路基进行加固,结果表明:桩体经过养护一段时间并成型后,标准条件下施工时注浆压力对挤土产生的影响很小,且桩体周围的土体水平变形会出现较大回弹,回弹位移值为注浆当天的40%～60%。Kleinlugtenbelt[10]采取室内模型试验方法,对浆液注浆时由于注浆量、注浆点和注浆速率等参数的改变引起土体变形的影响进行了研究,结果表明:注浆体周边土体变形随着注浆量增大呈现增大的趋势,但由于超静孔隙水压力消散,土体变形会出现部分的回弹。郑刚等[11]通过在粉质黏土地层进行现场注浆试验,研究了注浆量、注浆位置和注浆时间间隔等注浆参数对注浆效果的影响,结果表明:在注浆结束18 h后超静孔隙水压力基本消散完成,土体变形也趋于稳定。徐全庆等[12]分析了注浆的时间和空间参数对临近地连墙的变形影响,进而对随时间的变化产生的注浆效果进行了分析,结果表明:在注浆前后,地表沉降与深层土体位移的变化量都明显减小,甚至变形出现部分恢复。张柯[13]为防止注浆过程产生劈裂降低注浆效果的不利影响,通过在原注浆管的外壁套上一层土工膜袋,观测注浆过程中土体的水平位移,结果表明浆体周围土体的水平变形与距注浆孔中心的距离成正比。张志沛等[14]利用FLAC3D对不同注浆方式进行了模拟,结果表明:注浆中心地面处发生隆起变形,且变形量随着注浆压力的增加呈现不断增大的趋势。

虽然针对注浆技术在建(构)筑物抬升的研究较多,但注浆也会引起周边土体产生较大的水平变形,进而对周边建(构)筑物的安全产生不利影响。笔者依托杭州地区某工程项目,研究注浆过程对临近土体变形的影响规律,以及注浆参数和结石体体积之间的关系,为袖阀管注浆及类似工程的设计和施工提供一定的理论参考。

1 袖阀管注浆原理及土质参数

袖阀管注浆是由袖阀管、注浆器、套壳料、注浆浆液和注浆管等组成的一套较为完善的施工方法,该施工方法具有适应性强、可重复抬升注浆的特点。袖阀管注浆时首先依据所需注浆深度通过钻孔机进行打孔,一般成孔直径为80～110 mm,将预先调配好的套壳料通过钻孔机注入钻孔中,由下而上的方式替换钻孔中的泥浆;然后将外径为58 mm,内径为53 mm,且可不断接长的袖阀管插入注浆孔中,袖阀管管节之间用螺丝拴紧,袖阀管上部露出地面约10 cm,可在袖阀管无法下沉时向管中注入一定量的水抵抗浮力作用,在袖阀管外壁距离地面半米左右处填充水泥浆液,起到固定袖阀管和防止套壳料渗出地面的作用;最后待注入的套壳料凝固且具有一定强度后进行注浆,在注浆时需将注浆管插入袖阀管预定深度处,注浆完成后需对注浆器进行清洗,此种注浆方法可实现分层注浆、多次注浆的功能。一般在出现串浆、跑浆或注浆压力迅速增大时立即停止注浆,袖阀管注浆工序流程如图1所示。

图1 袖阀管注浆工序流程图Fig.1 Flow chart of sleeve valve pipe grouting process

土层主要物理力学指标如表1所示,地层潜水位埋深一般为1.80～5.20 m,对应的标高为2.88～3.97 m,地层主要为表层杂填土、黏质粉土和砂质粉土等。

表1 土层物理力学指标设计参数表

2 现场试验设计

2.1 试验方案

注浆目标地层主要涉及黏质粉土和砂质粉土地层,试验研究注浆参数对临近土体变形的影响,注浆参数包括注浆量、注浆间距和注浆深度等。注浆试验设计方案如表2所示:工况1通过只改变注浆量的方式探究对周边土体变形的情况;工况2在其他相同条件下,通过在不同深度进行注浆以分析注浆深度对土体变形的影响。注浆试验浆液采用水泥-水单液浆,其中水灰比均控制在0.7。所采用的注浆方案平面布置如图2所示:通过对3个注浆孔进行注浆,分别记为1#孔、2#孔、3#孔,3个孔呈现等边三角形布置,间距均为6 m;测斜管为CX-1～CX-4,孔压计孔为KY-1～KY-3,每个孔压计孔中均埋设有孔压计,埋设深度均为7 m。测斜管到注浆孔的间距有2 m和4 m,测斜管和孔压计孔的距离为0.5 m,二者呈现并排布置。

表2 注浆试验设计方案

图2 注浆方案平面布置图Fig.2 Graphic diagram of grouting scheme

2.2 试验方法

一共分为2组对比试验:第1组为试验编号1～3,该组试验注浆时间为2 d,其中试验编号1和2在第1天完成,试验编号3在第2天完成;第2组为试验编号3～5,其中该组试验编号4和5在第3天完成。

注浆试验工况分别选取距离注浆孔2,4 m的深层土体变形情况作为研究对象:1#注浆孔对应的测斜孔是CX-1和CX-3,对应的孔压计孔是KY-1和KY-3;2#注浆孔对应的测斜孔是CX-2和CX-4,对应的孔压计孔是KY-2和KY-3;3#注浆孔对应间距2 m的测斜孔是CX-3和CX-4,对应间距4 m的测斜孔是CX-1和CX-2,对应2 m的孔压计孔是KY-3,对应4 m的孔压计孔是KY-1和KY-2。为避免注浆时测斜孔之间相互影响,结合郑刚等[11]的研究,本试验将注浆间隔时间设定为24 h,即当天注浆结束后间隔1 d再进行注浆,并在注浆过程中和注浆结束至下一次注浆期间对测斜管进行测斜和孔隙水压力监测,然后对测斜和孔压计变化数据进行处理分析。

3 注浆参数对土体位移的影响

3.1 土体水平位移随时间变化

在试验编号3的工况下,即注浆量为80 L,注浆深度为10～9 m处,距注浆孔2 m处的土体水平位移随时间的变化如图3所示。注浆开始后土体水平位移呈现先增大后减小的趋势,且注浆后0.5,6,10 h时土体水平位移最大值均出现在注浆所在深度处,分别为1.35,1.10,0.50 mm,即随着时间的增加,土体水平位移逐渐减小。这是由于注浆时土中超静孔隙水压力增大,随着时间的推移,土体中的超静孔隙水压力逐渐消散,深层土体水平位移发生一定的回弹,最大回弹量为0.75 mm,最大回弹幅度约为55%时便趋于稳定。

图3 土体水平位移随时间的变化Fig.3 Changes of soil level displacement with time

3.2 注浆量对土体水平位移的影响

在试验编号为1,2,3的工况下,土体的水平位移随注浆量的变化情况如图4所示。本工况注浆位置在10～9 m深度处。由图4可知:位移变化整体呈现下方大上方小的趋势,3 m以下范围土体变形较大,表明注浆导致的土体变形不仅仅发生在注浆所在深度处,还会对注浆上部一定范围内的土体产生较大影响。当注浆量为80,100 L时,距注浆孔2 m处的土体最大位移分别为1.36,1.76 mm;距注浆孔4 m处的土体最大位移分别为0.40,0.46 mm,表明在相同注浆量的情况下,土体变形量随着距离的增大迅速减小。当注浆量为120 L时,距注浆孔2 m的土体最大位移为2.40 mm,距注浆孔4 m的土体最大位移为0.58 mm。结果表明:土体的水平位移随着注浆量的增大而不断增大,二者呈正相关性。在相同注浆量的情况下,距注浆孔4 m处的土体水平位移均小于2 m处。如注浆量为80 L,距注浆孔2 m处的土体水平位移最大值为1.30 mm,距注浆孔4 m处的土体水平位移最大值为0.38 mm;通过分析可知距离注浆孔越近时土体的水平变形也越大,试验编号2和3的结果也均符合这个规律。

图4 注浆量与土体水平位移的关系Fig.4 Relationship between gauge and soil level displacement

3.3 注浆深度对土体水平位移的影响

在试验编号为4,5,6的工况下,对应的注浆深度分别为4～3 m,7～6 m,10～9 m。注浆孔附近土体的水平位移随注浆深度的变化情况如图5所示。由图5可知距注浆孔2 m处的测斜孔变形呈现如下规律:注浆深度为4～3 m,7～6 m的土体最大位移分别为1.06,0.96 mm;注浆深度为10～9 m的土体最大位移为1.36 mm;土体水平位移最大值在注浆所在深度的上部,这符合袖阀管注浆的注浆特性。结果表明:在其他注浆条件一致,只改变注浆深度的情况下,注浆所在深度处土体水平变形也相对较大,但注浆深度和土体水平位移变化量之间数量关系并不明显。

图5 注浆深度与土体水平位移的关系Fig.5 Relationship between grouting depthand soil level displacement

3.4 注浆参数与结石体体积之间的关系

试验结束后进行土体开挖,将开挖出的结石体放入长方体水箱中浸没,通过排水体积法得到注浆体体积。根据各阶段统计结果得到注浆参数与结石体体积之间的关系,如图6所示。由图6可知:注浆量为80 L时结石体体积最小,注浆量为120 L时结石体体积最大,表明结石体体积随着注浆量的增大而增大;在其他注浆参数均相同的情况下,注浆深度对结石体体积变化并不明显,表明不同深度注浆对结石体的体积影响不大。结合注浆参数和结石体体积分析可知:结石体体积均为该阶段注浆量的30%左右,这表明在粉土地层中注浆时,浆液中存在很多的水分,水在硬化的过程中流失进入土层中。

图6 注浆参数和结石体体积的关系Fig.6 Relationship between grouting parametersand stone body volume

4 地层孔隙水压力变化

图7为2#注浆孔10 m深度处注浆时孔隙水压力随时间变化曲线,图7中虚线表示注浆开始和结束的时间。试验中注浆量为120 L,在注浆前后,距注浆孔2 m处的孔隙水压力最大值为13.30 kPa,孔压最大变化值为1.50 kPa,注浆过程中的孔隙水压力平均变化值为0.58 kPa;距注浆孔4 m处的孔隙水压力最大值为12.77 kPa,孔压最大变化值为0.53 kPa,注浆过程中的孔隙水压力平均变化值为0.28 kPa。图8为3#注浆孔10 m深度处注浆时地层孔隙水压力随时间变化曲线,其注浆量为80 L。由图8可知:距注浆孔2 m处的孔隙水压力最大值为14.58 kPa,孔压最大变化值0.50 kPa,注浆过程中的孔隙水压力平均变化值为0.16 kPa;距注浆孔4 m处的孔隙水压力最大值为12.22 kPa,孔压最大变化值为0.44 kPa,注浆过程中的孔隙水压力平均变化值为0.07 kPa。

图7 2#孔10 m深度处注浆时孔隙水压力随时间变化曲线Fig.7 Variation curve of pore water pressure with timeduring grouting at depth of 10 m in hole 2#

图8 3#孔10 m深度处注浆时孔隙水压力随时间变化曲线Fig.8 Variation curve of pore water pressure with timeduring grouting at depth of 10 m in hole 3#

结合图7,8可知:孔隙水压力在注浆前后呈现先增大后减小的趋势,当注浆结束孔隙水压力趋于平稳时会比注浆前的略大一些,在同一注浆量的情况下,距离注浆孔越远孔隙水压力变化值也越小,且4 m处的孔隙水压力平均变化值约为2 m处的孔隙水压力值的1/2;在距注浆孔相同距离时,注浆量越大,孔隙水压力变化值也越大;孔隙水压力越大,与之并排布置的测斜管监测的土体变形也越大,即二者呈正相关。

5 结 论

通过袖阀管现场注浆进行实测的方式,探究了注浆对临近土体变形的影响,分析了注浆量、注浆深度等注浆参数对土体变形的影响,以及注浆对地层孔隙水压力的影响,得到了结石体体积和注浆参数之间的关系。结果表明:随着注浆距离的增大,临近土体的最大水平位移呈现逐渐减小的趋势;临近土体最大水平位移随着注浆量的增大逐渐增大;注浆深度的改变对土体变形的影响试验表明注浆所在深度处土体水平变形也相对较大,但注浆深度和土体水平位移变化量之间数量关系并不明显;地层孔隙水压力在注浆前后呈现先增大后减小的趋势,相同条件下距离注浆孔越大孔隙水压力变化值也越小,孔隙水压力变化值随着注浆量的增大而增大;基坑开挖所得每阶段结石体体积均约为对应注浆量的30%。