水泥基浆材室内试验及其边坡加固应用研究

黄晴① HUANG Qing；饶军应② RAO Jun-ying；谢涛② XIE Tao；刘强③ LIU Qiang

（①北京中建建筑设计院有限公司长沙分公司，长沙 410100；②贵州大学土木工程学院，贵阳 550025；

③湖南城建职业技术学院，湘潭 411101）

摘要：边坡常伴随崩塌、滑坡和泥石流等灾害，严重危害着工程周围群众的生命财产安全，研究边坡加固意义重大。将注浆液压入破碎边坡内部，通过对软弱岩土体的加固可提高边坡稳定性。通过室内试验，确定了5种水泥基注浆材料的最佳配比、物理力学性能和初凝终凝时间。在推导了注浆压力和注浆扩散半径的公式后，结合溆怀高速边坡加固工程实践，提出并实施了具体注浆加固方案。最后，通过数值模拟和现场检测对注浆加固效果进行了验证。结果表明：注浆改善了土层物理力学性质，提高了土体强度及承载力，水泥黄砂粉煤灰注浆加固切实可行，效果显著。

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关键词 ：边坡工程；加固；水泥基；注浆；室内试验；数值模拟

中图分类号：U213.1+58 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）23-0223-07

收稿日期：2015年06月25日。

基金项目：贵州省科技厅工业攻关项目，项目编号：黔科合GY字（2009）3029。

作者简介：黄晴（1982-），男，湖南浏阳人，中级工程师，主要从事结构设计与边坡病害治理等研究。

0 引言

据统计，2010年全国共发生各类地质灾害3万余起，死伤约3500人，直接经济损失约63.9亿元，其中与边坡失稳有关的灾约占总数的97%[1]。边坡失稳也经常成为地震、暴雨等自然灾害引发的次生灾害。

伴随大量基础设施建设，公路、铁路、水电及大型房建项目遭遇大量的边坡问题，而边坡治理费高昂。因此，开展边坡加固研究具有重要的现实意义[2，3]。

19世纪初，Charles在修复被水流侵蚀的沙砾土地基时，采用了粘土注浆技术，首次实现了注浆技术的工程应用[4]。注浆技术最初是作为地基处理的方法进入工程界视野，由于其成本低、操作方便、加固效果好，因而被推广至各类工程病害治理，边坡工程加固成为其另一发挥优势的平台。20世纪初，化学注浆在欧美地区被广泛采用，并获得良好效果。但随着人们环保意识的增强，化学注浆对环境及人体的负面影响逐渐被关注，现仅局限于特定环境使用[5]。

作为化学注浆的替代品，水泥注浆则更具有环境友好型优势，但其亦存在一些不足，如：其可注性较差，凝固时间长，初凝、终凝时间及早期强度控制难，施工中易析水。为改善水泥注浆的上述缺点，学者们在注浆液方面开展了系列研究工作[6]，如：采用超细水泥或辅助化学材料来提高其可注性，利用工业矿渣替代部分水泥以提高结石体的早期强度并节省成本等等。水泥基浆材注浆因其原材料丰富、成本低、硬化后强度高且环境友好等优点而被广泛应用。本文对不同水泥基注浆材料进行室内试验研究，并在实际工程中对试验结果进行验证与应用。

1 注浆材料试验研究

为提供可靠的现场注浆参数，开展此次注浆材料试验研究。本文就几种常见的水泥组合注浆材料的性能进行室内试验，以《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-1999），《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ/T70-2009）[7，8]为参考。试验内容包括：

①选择水泥、石英黄砂、水玻璃、粉煤灰等作为注浆材料，并根据试验设计进行组合；

②测定浆液凝结时间：测定不同注浆材料浆液的初凝与终凝时间；

③检测抗压强度、抗弯强度：分别测定浆液在初凝时点、终凝时点的抗压、抗弯强度。

1.1 试验材料

试验采用的材料及其参数如下：

①水泥：普通硅酸盐水泥P.O 32.5，P.0 42.5；

②砂：黄砂，细度模数μf=2.51；

③水玻璃：长沙升阳化工材料有限公司生产，模数2.20～2.50；

④粉煤灰：湖南长沙粉煤灰厂，一级粉煤灰；

⑤减水剂：山东莱芜减水剂厂FDN-A型减水剂。

1.2 纯水泥浆试验结果与分析

纯水泥浆作为注浆材料的优点是：施工简便、对仪器设备要求不高、强度较高、浆液配合比和稠度都易于调整、适用范围广。其缺点是：易发生析水或沉淀、粘度不足时易被稀释或冲刷、凝结时间长且控制难。纯水泥浆试验结果如表1所示。

从表1中试验结果可知，纯水泥浆作为注浆材料，组分简单，控制参数少，可控性好，主控参数为水灰比。随着水灰比的增加，抗压强度、抗弯强度和结石率均下降，这是因为随着浆液变稀，其稠度和密度均减小，导致力学性质下降。

1.3 水玻璃浆液试验结果与分析

掺入水玻璃的水泥浆的优点是：无毒无污染，凝结时间和浆液扩散半径易控制，配比调整方便；其缺点是：生产工艺要求高，浆液性质受气候影响大。水泥水玻璃注浆液试验结果如表2所示。

从表2中试验结果可知，相比纯水泥浆，加入水玻璃后，浆液的凝胶时间大幅缩短。根据试验结果还可得出：浆液中水玻璃掺量越高，凝胶时间越短，二者几乎呈直线关系；水泥浆的水灰比约小，水泥与水玻璃之间发生的反应越快，凝胶时间越短；温度越高，水泥与水玻璃的反应越快，凝胶时间越短。

浆液的力学性质与配比有很大关系，表现为：当水泥浆浓度较低时，抗压强度随水玻璃掺量的增加而下降；当水泥浆浓度较高时，抗压强度则随水玻璃掺量的增加而增加；当水泥浆浓度中等时，抗压强度与水玻璃掺量关系不大。其原因是强度的形成与浆液中水泥和水玻璃的绝对含量有关。

1.4 水泥黄砂浆液试验结果与分析

水泥浆中掺入黄砂作为注浆液的优点是：原材料来源广，成本低，生产方便，对设备要求不高，配比与稠度易调整。缺点是：浆液容易于沉淀或析水，初凝与终凝时间均较长且控制难，浆液易被地下水冲走，形成的结石体强度稍低。具体试验结果如表3所示。

从表3中试验结果可知，在水泥浆水灰比一定的情况下，黄砂掺量较少时，抗压、抗弯强度均可获得少量提高，随着黄砂掺量的再增加，浆液稠度与重度均增加，而抗压、抗弯强度则会缓慢降低。

1.5 水泥粉煤灰浆液试验结果与分析

在水泥浆中加入粉煤灰，通过改变粉煤灰含量形成不同配合比，各配比下的试验结果如表4所示。

从表4中试验结果可知，掺入粉煤灰的注浆液在固定水灰比时，结石体的抗压、抗弯强度随粉煤灰掺量的增加逐渐上升，而后又逐渐下降，但降幅不大；粉煤灰的掺量对稠度、结石率和初凝、终凝时间几乎无影响，但掺入粉煤灰可提升注浆液的稳定性和泵送能力。

1.6 水泥黄砂粉煤灰浆液试验结果与分析

在第1.2~1.5节的试验中发现，水泥浆、水玻璃、水泥黄砂浆和水泥粉煤灰浆各有优缺点。为克服上述各配比浆液的缺点，设计将水、水泥、黄砂和粉煤灰等几种注浆材料混合组成水泥黄砂粉煤灰浆液进行试验。基于原材料来源及环保等问题，暂不加入水玻璃。试验结果如表5所示。

从表5中试验结果可知，水泥黄砂粉煤灰注浆液的力学性质与纯水泥浆接近，其性能在不同配比时可调范围较大；浆液的结石率高，稳定性好，施工便利，对设备无特殊要求，无污染，黄砂与粉煤灰的掺入又极大降低了成本，优势明显。

2 注浆压力与扩散半径

水泥基注浆加固边坡的机理，主要通过浆液化学胶结作用、惰性填充作用和离子交换作用，改变岩土体性质，形成新岩土体结构。结石体的作用类似于抗滑桩，可提高边坡整体稳定性。注浆加固的抗滑方式是改善岩土体的c、φ值和渗透性，阻止浅层发生破坏，而改善程度与边坡岩层岩性、注浆材料的性质和施工过程等因素有关。边坡注浆采用水泥浆、水泥粘土浆、化学浆液等，理论上可考虑为稳定的宾汉姆流体，以下按宾汉姆流体，对浆液的注浆压力和扩散半径进行推导。

2.1 注浆压力

浆液在平面内径向等厚度裂隙中的运动为层流，若不考虑惯性和重力，将浆液单元体径向平衡的微分方程略去高阶无穷小后，可近似表示为

（1）

其中，p、τ表示作用于单元体的应力大小；r、z为裂隙的径向和纵向。假设纵向为b（m），因为z=b/2时，τ=0。若对式（1）沿纵向积分，则可得到

（2）

将式（2）代入宾汉姆流体流变方程，则有

（3）

根据边界条件z=0，v=0，对式（3）积分可得

（4）

又因为裂隙平面内径向的浆液注浆量可表示为

（5）

再将式（4）代入式（5），积分整理后可得

（6）

对式（6）进行积分，可得宾汉姆流体在平面径向等厚度裂隙中的流动基本方程，即

（7a）

或

（7b）

式（7a）、式（7b）中，rc为注浆孔半径，r为浆液扩散半径，pc为注浆口压力，p为半径为r处的压力，或称剩余压力，则（pc-p）为有效压力。

当τB=0时，式（7a）和式（7b）可变为牛顿流体的基本方程

（8）

显然，单位时间内沿半径扩散所需的浆液量应等于注浆量，则由qdt=2πbrdr可得

由式（18）可知，要增加扩散半径，时间相同的情况下需要增加注浆压力，而压力相同的条件下就需要增加注浆时间。

3 工程应用

3.1 工程概况

溆怀高速公路是湖南省规划的“五纵七横”高速公路网中娄底至怀化高速公路的西段。东起溆浦县的卢峰镇，线路经江口、火马冲、泸阳，止于黄金坳枢纽互通。本文依托工程位于溆怀高速K20+800～K20+935段左侧，该段边坡高46m，边坡岩体破碎，坡率分别为1:2和1:2.5（如图1所示），边坡物理力学参数见表6。

3.2 施工组织方案

3.2.1 参数计算

①注浆量。

浆液设计扩散半径为5m，根据室外和室内试验数据，取孔隙率为0.42，注浆管高度450cm，以水泥黄砂粉煤灰为注浆浆液，配合比为水：水泥：砂：粉煤灰=1:1:0.5:0.3。现将各参数代入式（19），可算得每个注浆孔所需注浆量为Q=332.95L。

（19）

工程实际采用间歇式注浆，每孔均需循环注浆。考虑到实际情况会出现跑浆现象，实际每孔平均注浆量应在500L以上。

②注浆压力。

注浆压力的大小和注浆量及扩散半径有关，现场选定的注浆压力为2~2.5MPa，实际施工时由于岩土体下部孔隙率较大，注浆管道显示的注浆压力仅为0.1~0.2MPa。

③注浆孔间距。

设计边坡注浆形成的纵向宽度为5m，根据实际情况布置梅花形注浆孔，注浆管间距1m。

3.2.2 注浆加固施工

根据设计要求和边坡现场条件，对边坡上裂隙所围区域进行注浆加固，具体施工工序有钻孔、注浆和插钢筋。钻孔深度要求严格满足设计要求[9，10]，即穿过滑动面，入岩2~3m。注浆方式为纯压式注浆，孔口封闭。钻孔平面布置采用梅花形布孔，孔间距为5m，行间距也为5m。施工完毕后边坡表面采用植草防护。

3.2.2.1 注浆试验

为进一步了解岩土体的可注性，需在注浆施工前开展注浆试验，并检验注浆设计参数，必要时可修正原注浆方案。注浆试验安排如下[11~13]：

①选择试验地点。

应选择地质条件相对较差的区域开展注浆试验。根据地勘资料，选定K20+900左侧40m处10m×8.6m区域进行注浆试验。

②注浆试验孔的布置。

按设计要求，沿六角形外围布置4个注浆孔作为Ⅰ序列，外围另2个注浆孔作为Ⅱ序列，六角形中心为Ⅲ序列注浆孔，中心孔四周布置4个检查孔，共布孔11个，见图2。每序列孔的施工间歇时间应大于12h。

③注浆试验钻孔。

采用XY-1A-100型和XY-1B-150型地质钻机，钻具?准110mm，钻孔深度要求入岩2m。

④试验孔注浆。

1）注浆材料：采用水泥黄砂粉煤灰浆液，配合比为水：水泥:砂:粉煤灰=1:1:0.5:0.3。

2）注浆压力：在进行注浆试验过程中，注浆压力可逐级提高。

⑤检验注浆效果。

试验孔注浆完成7d后，现场取样进行室内试验，测定结石体抗压和抗弯指标，作为检验注浆试验效果的依据。

3.2.2.2 注浆施工

①总体施工顺序。

首先，现场测量放线，标注注浆孔位；然后，钻注浆孔，注浆完成后插入1Φ25钢筋（入岩2～3m）；最后，开挖坡面，对坡面进行植被防护施工。

②注浆施工工艺。

1）注浆孔布置：孔径90mm，孔深需入岩2～3m，孔距5m，梅花形平面布置。注浆孔沿着滑坡边缘从上至下依次钻孔与注浆，从地裂缝后缘开始，先施工第Ⅰ序孔，再施工第Ⅱ序孔。

2）注浆材料：选用32.5级普通硅酸盐水泥，符合拌制混凝土用水要求的水作为灌浆用水。浆液水灰比初灌为1:1，以后逐步降低至0.6:1。水泥浆搅拌时间需大于3min，浆液制成后4h内须完成灌注。

3）注浆压力：注浆压力根据现场注浆情况调整[14]，初步设计注浆压力为0.2~0.6MPa。

3.3 注浆效果的数值模拟

3.3.1 模型参数选取与建立

采用荷兰代尔弗特大学开发的PLAXIS有限元软件进行数值模拟计算与分析，该软件主要用于分析岩土体的变形、稳定性、地下水渗流等问题[15]。选用摩尔-库仑本构模型，有限元模型的几何尺寸及网格划分见图3，各项边坡参数取自表6。刚性基底边界，左右边界仅考虑x方向位移。初始应力为岩土体自重应力，忽略地下水的影响。

3.3.2 边坡稳定性分析

注浆前位移矢量如图4所示，注浆前位移增量见图5。由图4、图5可知，边坡开挖后将发生大变形，故必须采取适当支护或加固措施。

由图6、图7及其它模拟计算结果得到，注浆加固后，边坡的位移仅有0.03mm，安全系数为1.3，均可满足稳定性要求，表明注浆加固效果良好。

3.4 注浆效果的室内试验分析

为进一步验证现场注浆加固效果，在注浆工程结束后，又从工作区取得原状土样40个，其中注浆前18个，注浆后22个。通过室内测试分析后得出：土样的粘聚力提高了15kPa，内摩察角增加3.2°，孔隙比、含水量、饱和度及压缩系数均不同程度减小，而压缩模量、密度及液限塑限则均增大（见表7）。注浆前后土体试验结果表明，注浆改变了土层的物理力学性质，提高了土体的强度和承载力。

4 结论

①对纯水泥浆、水玻璃、水泥黄砂、水泥粉煤灰和水泥黄砂粉煤灰五种注浆材料进行了试验研究，分析了五种材料的初凝、终凝时间及各时间点的抗压、抗弯强度，试验结果表明水泥黄砂粉煤灰注浆液具有更高的强度，可注性较好，且成本更低。

②通过确定注浆量、注浆压力和注浆孔间距，设计并实施了依托工程边坡治理的注浆处治方案。

③基于PLAXIS有限元软件，对依托边坡工程注浆前、后的稳定性进行了分析。

④注浆前后土体试验结果表明，注浆改变了土层的物理力学性质，提高了土体的强度和承载力，水泥黄砂粉煤灰注浆加固切实可行，效果显著。

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