高速铁路黄土路基注浆扩散范围模型试验研究

孙轶轩 于佳琪 令狐勇生 何海宏 程素明

1.中交水运规划设计院有限公司， 北京 100101； 2.西南交通大学 土木工程学院， 成都 610031；3.中国铁路太原局集团有限公司 工务处， 太原 030013； 4.大秦铁路股份有限公司 太原高铁工务段， 太原 030031；5.中铁三局集团有限公司 成都分公司， 成都 610031

中国黄土分布面积约为64 万km2，占国土面积的6%左右。在黄土地区修筑高速铁路路基时，往往是由多孔、结构松散、不具层理、垂直节理发育等特征的黄土在经过多种改良方式处理之后进行填筑。这也导致在运营后地基、路基产生了不可控的工后沉降，严重影响了高速铁路的正常运营［1］。注浆加固技术作为处理路基沉降问题的有效手段已经被广泛研究与应用［2-4］。张骏等［5］通过实际工程对软土路基的注浆效果展开研究，并对注浆材料的参数进行了设计。徐炳辉等［6］运用有限元模拟软件对路基的加固效果进行研究。李杰［7］对运营阶段的高速铁路无砟轨道路基的注浆抬升技术展开了研究，分析了高聚物注浆材料的工程性能。郭乐等［8］通过不同的注浆方式对长江三角地区运营高速铁路路基的抬升规律展开研究。赵威［9］对浅覆盖型岩溶路基的注浆策略进行了优化，并对整治结果进行了评价，有效减少了由于盲目注浆所带来的浪费。张志超等［10］通过袖阀管注浆技术对咸阳西货场专用线开展了整治与加固，研究得到的施工参数可为后续工程提供指导。

综上，现有的注浆加固技术主要适用于软土地区，而对湿陷性黄土区路基注浆的研究较少，满足不了实际工程的需求。太原铁路局管段内存在大量的湿陷性黄土路基，路基沉降现象明显。基于此，本文依托大西高速铁路典型黄土路基工点，通过室内试验研究浆液在黄土中的扩散特征，并对注浆加固前后的力学特征进行研究，为黄土路基注浆抬升技术的研究提供参考。

1 工程概况

大西高速铁路是京昆高速铁路的重要组成部分，北端由大同市出发，经朔州等市跨越黄河进入到陕西省西安市，全线线路横跨山西南北，总长度为853 km，轨道形式为无砟轨道［11］。沿线地势自东北向西南逐渐降低，河谷纵横，主要地貌形态有黄土台地、丘陵、盆地、冲洪积平原等［12］。大西高速铁路穿越了大量的黄土地区，包括地质灾害频发的汾渭盆地，是一条继郑西高速铁路之后又一条典型的黄土地区高速铁路。

造成大西高速铁路轨面沉降及高低不平顺的主要原因是黄土地基产生的不均匀沉降、路堤填筑后的不均匀沉降、开裂与翻浆冒泥等病害。对于上述的黄土路基沉降等病害，采用注浆技术进行加固处理可以解决控制轨面沉降及高低不平顺等问题。

2 注浆抬升技术

与其他路基病害整治方法相比，运用注浆加固技术时不会对路基造成破坏，土方施工工作量较小，在列车运营期间也可以施工，并且工程费用相对较低，施工速度相对较快。运用注浆技术对高铁路基起到的作用主要有以下四点：①渗入、劈裂和压密作用；②骨架作用；③防渗堵漏作用；④土质改性作用。

常用的铁路路基注浆技术有钢花管注浆加固技术、袖阀管注浆加固技术、注浆加固抬升一体化技术等。

袖阀管是一种单向闭合的注浆设备，浆液只能向管外流，而不能再返回管内［13］。在注浆时，注浆泵首先对浆液进行加压，浆液在受到压力作用后会通过连通管进入注浆管。当注浆压力增大到一定程度时，浆液便会产生初始的劈裂流动。此时由于吃浆量大于供浆量，因此导致压力恢复到平衡状态。在此之后，由于持续压力的作用被浆液劈裂的裂缝不断向外延伸，逐渐在土体中形成条脉片状固结体，以此达到加固地层的目的。

钢花管注浆加固技术是将注浆钢花管通过钻孔打入路基内部，然后对浆液施加一定的压力，让其能够通过预设在钢花管上的小孔较均匀地进入地层［14］。注入的浆液能够以填充、渗透和挤密等方式排出土体裂隙中的水分和空气，起到渗入、劈裂和压密作用。这就类似于加筋土的作用，可以增强原有路基在多种荷载作用下的稳定性能与土体强度。此外，工艺较为简单，实施起来比较方便。

注浆加固抬升一体化技术是同时运用多种技术，包含对土体的加固、填充、挤密等步骤。当填充的浆液达到一定程度时土体被浆液填充密实，此时若继续施加压力则浆液的进入模式变为以挤密为主。同时，由于挤密效果的影响对土体产生了抬升作用力，当该抬升作用力逐渐增大到一定程度时，既有线路会被抬升起来。

太原铁路局管段内存在大量的黄土路基，其湿陷性黄土力学性能极为复杂，注浆所需的关键技术参数往往基于设计、施工人员的现场经验获得。本文基于钢花管注浆加固技术开展室内模型试验，研究浆液在黄土内部的扩散特征。

3 注浆模型试验

在对原状黄土进行含水率测试、筛分试验与直剪试验的基础上，通过自行设计研制的注浆设备开展室内注浆试验，分析浆液在黄土路基中的扩散机制，揭示注浆前后不同类型黄土注浆体强度变化特征。

3.1 注浆试验设备

注浆试验设备见图1。注浆箱体尺寸为1.2 m ×1.2 m × 1.2 m，四周和顶底部均采用透明塑料玻璃板组成完整的注浆箱体，并在其顶面上开一个直径60 mm的圆孔，以备后续插入注浆孔，还需保证箱体的顶面可拆卸，以用于填土、卸土。

图1 注浆试验设备

3.2 试验步骤

在试验开始前，首先需要对本次试验所选用的黄土的颗粒级配进行测取，根据试验结果得出不均匀系数Cu= 6.45，曲率系数Cc= 1.28。Cu＞ 5、1 ＜Cc＜ 3 说明此次所选用的黄土为级配良好的土体。试验模型箱的容积为1.728 m³，填筑的土体大致需要1.7 m³。采用分层填筑，每一层厚30 cm，并通过人工夯实的方式进行分层压实，以防止土体过于松散导致浆液的扩散与实际相差较大，影响最终结果，如图2（a）所示。注浆管在一开始就固定在模型箱的中间，待填土完成之后，须将注浆管进行固定，防止在注浆压力较大的情况下左右晃动，如图2（b）所示。

图2 黄土体的填筑过程

3.3 试验工况

试验采用的注浆材料为纯水泥浆液，水灰比0.6∶1。考虑到模型箱的尺寸，每次注浆量都相同，每次总流量为0.1 m³。

为研究不同注浆压力浆液在土体内部的扩散半径，试验分为5组，注浆压力分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa。

4 试验结果分析

4.1 扩散半径

本次试验所使用的注浆管为1 排6 孔模式，即单排孔浆液劈裂模式［15］。根据试验结果得到5种注浆压力下的劈裂范围，见图3。

图3 不同注浆压力下浆液在土体中的劈裂支脉

由图3可知：当注浆压力较小时，浆液的扩散范围也比较小，并且未出现劈裂现象；当注浆压力增加到0.3 MPa 时，扩散末端已出现了劈裂现象；注浆压力达到0.5 MPa时，劈裂长度明显增加。

不同注浆压力下浆液扩散范围见表1。可知：浆液在黄土体中的扩散范围随着注浆压力的增加而逐渐增大。

表1 浆液扩散范围

4.2 注浆前后强度

水泥浆液渗入黄土体后，土体抗剪强度随之提升。对浆液与黄土混合体的抗剪强度进行测试，以研究注浆后强度的提升效果。

通过直剪试验可以快速地获取与混合体相关的强度。本次共进行了4 次加载试验，砝码质量分别为1.275、2.550、3.825、6.375 kg，即垂直应力分别为50、100、150、250 kPa。

4.2.1 未注浆黄土强度

填筑完成后，对未注浆黄土体进行了直剪试验，结果见图4。可知：随着垂直应力的增大，土体抗剪强度逐渐增加。在垂直应力为50、100、150、250 kPa 时，未注浆土体最大抗剪强度分别为159.236、215.853、311.394、371.55 kPa。

图4 未注浆黄土体剪切位移-抗剪强度关系

由图4 得到未注浆黄土体最大抗剪强度（τmax）与垂直应力（σ）的关系，见图5。可知：未注浆黄土体的黏聚力为115.762 kPa，内摩擦角为47.26°。

图5 未注浆土体τmax - σ关系

4.2.2 注浆后混合体强度

注浆完成后，对浆液与黄土混合体进行直剪试验，得到混合体剪切位移-抗剪强度关系，见图6。可知：随着垂直应力的增大，土体的抗剪强度逐渐增加。在垂直应力为50、100、150、250 kPa时，混合体的最大抗剪强度分别为237.084、290.163、406.936、467.091 kPa。

图6 混合体剪切位移-剪切力关系

由图6 得到混合体最大抗剪强度（τmax）与垂直应力（σ）的关系，见图7。可得：混合体的黏聚力为186.837 kPa，内摩擦角为49.93°。

图7 混合体τmax - σ关系

对原状黄土和混合体的强度进行对比分析，可以发现原状黄土的强度明显提升。

1）垂直应力为50 kPa 时，土体抗剪强度提升值为237.084 - 159.236 = 77.848 kPa，强度提升约49%。

2）垂直应力为100 kPa 时，土体抗剪强度提升值为290.163 - 215.853 = 74.31 kPa，强度提升约34%。

3）垂直应力为150 kPa 时，土体抗剪强度提升值为406.936-311.394 = 95.542 kPa，强度提升约31%。

4）垂直应力为250 kPa 时，土体抗剪强度提升值为467.091-371.55 = 95.541 kPa，强度提升约26%。

5 结论

本文对目前常用的三种注浆技术展开了研究，采用钢花管注浆技术开展室内模型试验，分析了浆液在黄土体中的扩散规律，并对注浆后土体强度的提升展开了研究。主要结论如下：

1）浆液在黄土体中的扩散范围随着注浆压力的增大而逐渐增大。

2）当注浆压力较小时未出现劈裂现象，当注浆压力增加到0.3 MPa 时出现了劈裂现象，且劈裂范围随着注浆压力的增大而增大。

3）原状黄土体的黏聚力为115.762 kPa，内摩擦角为47.26°，而注浆后土体黏聚力为186.837 kPa，内摩擦角为49.93°，且在50～250 kPa 垂直应力的作用下抗剪强度至少提升了25%以上，注浆后强度提升效果明显。