路基注漿試驗與仿真分析

李強， 林占勝， 裴福才， 王沖， 單景松， 孫培麗

(1.山東省路橋集團有限公司， 濟南 250014； 2. 山東高速股份有限公司， 濟南 250014； 3. 山東科技大學土木工程與建筑學院， 青島 266590； 4. 山東匯通建設集團有限公司， 濟南 250002)

隨著中國經濟高速發展，人車流量使公路面臨較為嚴峻的挑戰。路基病害尤為嚴重，路基注漿技術憑借工藝簡單、設備靈活等優點在路基病害治理中得到廣泛應用。

路基病害情況較為復雜，同時受注漿工藝的限制，很難保證注路基注漿加固的精確控制[1-2]，國內外學者對注漿機理及注漿技術展開了深入研究。Yang等[3]基于計算流體動力學-離散單元方法(computational fluid dynamics-discrete element method，CFD-DEM)耦合算法對路基微觀灌漿機理進行了研究，從微細觀層面模擬了漿液注漿過程和擴散機理。陳學喜等[4]分析了不同注漿技術的適用性，在此基礎上提出了精細化袖閥管注漿加固技術，并在實際工程中證明了該技術的有效性。蔣功化等[5]依據太沙基一維固結理論對工程黏土段壓密注漿補償效率進行了研究，結果表明注漿補償效率隨著時間變化呈現先減小后穩定的規律。

隨著注漿技術的發展，注漿效果的檢測顯得尤為重要，如樊齊旻[6]對比了3種檢測路基深層注漿效果的方法，結果表明鉆芯取樣只能對注漿效果進行半定量分析，而標準貫入試驗只能定性反映土體強度，只有旁壓試驗能夠得到注漿前后土體性質參數的變化，對于檢測注漿效果適用性良好。李圣林等[7]則通過試驗研究證明了采用瞬態面波法與電測深法相結合的綜合物探技術對巖溶路基注漿質量進行檢測是完全可行的。

許多學者對注漿材料也有一些研究，王川等[8]研究了煤矸石-礦粉作為注漿材料，試驗結果表明當煤矸石摻量達到30%～40%時，漿體28 d強度要高于 P.O32.5水泥，符合路基充填材料的技術要求。劉曉賀[9]、Corson等[10]進行了復合注漿材料的試驗研究，通過室內試驗對復合注漿材料的力學及耐久性能進行研究，得出性能最佳的復合注漿材料種類及含量。Zheng等[11]對慢凝水泥基灌漿膏的配方及性能進行了正交試驗，得出水灰比和膨潤土摻量對流動度和泌水率的影響較其他因素更為顯著。

綜上所述，路基注漿加固影響因素眾多且復雜，這就需要針對具體路基病害建立不同的注漿方案，繼而對具體注漿過程進行內在機理的深入研究，以此來指導實際工程。現主要從室內注漿試驗模擬真實工程概況，在此基礎上進行數值仿真，雙重分析路基注漿過程中的漿液流向及注漿對路面結構受力，探究注漿滲透規律以及影響因素，為實際工程提供借鑒。

1 路基注漿室內試驗

1.1 室內試驗路基路面鋪筑

制作鋼制模板，長、寬、高分別為140、140、50 cm，試驗時首先填筑35 cm厚土層，為保證壓實度分3次填鋪，從下到上厚度分別是15、10、10 cm，每次填鋪完以后用小型擊實儀振動夯實，夯實時間分布為4～6 min/m2。從第二層起注漿口為中心的直徑為20 cm的圓形區域不進行夯實，以模擬路基疏松狀態。在路基上表面距離注漿管左右兩側分別為20 cm和30 cm處一共埋設4處土壓計，如圖1所示，從左到右依次編號為1#～4#，路基注漿過程中用來監測基層與路基之間受力情況，分析路基注漿過程對路基及基層的影響。路基填筑完畢后依次填筑水泥穩定碎石基層，基層料采用人工拌合方法，主要控制拌和均勻，減少離析，攤鋪完成后及時人工整平，采用擊實儀振動整平。

圖1 土壓計埋設Fig.1 The installation of earth pressure gage

1.2 注漿試驗

試驗采用水灰比1∶1的水泥漿液作為注漿材料。將水泥在攪拌桶中充分攪拌，使液體達到懸濁狀態。試驗采用一整套的恒壓注漿裝置，水泥漿液攪拌桶、空氣壓縮泵、注漿泵、壓力調節閥、壓力容器、泄壓閥和壓力表等構成了恒壓注漿裝置的主要部分。注漿過程中，水泥漿液在攪拌桶中充分攪拌混合均勻后，打開注漿泵，將攪拌桶中的漿液輸送至壓力容器中，空氣壓縮泵采用壓縮空氣的方法提高壓力向壓力桶中的漿液施加壓力把漿液壓入滲透裝置。整個注漿過程在10 s內注漿壓力達到0.6 MPa，直到注漿結束注漿壓力維持穩定。開始注漿時同步開啟監測系統，對注漿過程中的受力情況進行數據采集，采集頻率為1 s/次。滲透裝置出口設置在路基下10 cm處，泄壓閥和壓力調節閥可以實現在注漿過程中注漿壓力恒定。

1.3 注漿試驗結果分析

1.3.1 注漿土壓力

通過模型內部埋設的壓力監測元件，注漿過程中對不同位置處的土壓力進行了監測。由靜態應變儀量測土體壓力，可能由于鋪設原因，土壓計1數據不顯示，其他3個可以正常監測到數據。監測系統每秒采集一次數據，注漿總時長234 s，各壓力計數據隨時間變化結果如圖2所示。可以看出注漿過程中土壓力隨著時間的變化呈線性增長，盡管在整個注漿過程中出現小范圍的波動，但不影響整體變化趨勢。注漿結束時土壓力達到最大。壓力計2#、3#最大應力幾乎相同，壓力計4#埋設位置比2#、3#距注漿管遠20 cm，最大應力相對較小。

1.3.2 漿液分布特性

漿液分布測試采用兩種方法，其一采用地質雷達進行無損檢測分析，其二采用開挖驗證方式。地質雷達檢測時，需要在注漿前后分別對結構層進行雷達檢測，以比較注漿前后的雷達圖像差異。在水泥穩定碎石基層鋪筑并養護28 d，首先采用探地雷達進行數據檢測，在注漿完成后7 d待水泥漿液抗壓強度達到80%后，對道路結構層進行第二次雷達檢測。采用軟件resWin2進行處理，對原始數據進行濾波和線性增益等方法，得到較為清晰的波形圖案，如圖3、圖4所示，從處理后的雷達圖像可以看出基層與土基層間的分界、結構層的厚度等。由圖3、圖4對比可以看出注漿之后的土基層注漿管周圍雷達圖像與注漿之前有不同之處，注漿前土層與基層間圖形分層明顯，土層頂部圖像呈波紋狀，下部均勻。注漿后受水泥漿分布影響，基層與土基分界面不太明顯，呈現過渡區域，另外注漿管周圍的土層受到注漿壓力的作用對周圍的土體進行擠壓讓周圍土體變得密實，改變了注漿管周圍的土體密度，注漿區域的介電常數發生改變及水泥漿液分布的非均勻性，土基靠近頂部的圖像有些雜亂，但整體呈層狀分布。探地雷達用于檢測路基注漿效果時，應首先標定不同狀態下的圖像特點，建立典型圖像庫，才能較好地用于注漿效果識別。

圖2 壓強-時間曲線Fig.2 Pressure-time line

圖3 注漿前雷達檢測圖像Fig.3 The image of radar detection before grouting

圖4 注漿后雷達檢測圖像Fig.4 The image of radar detection after grouting

雷達檢測完成后，對試驗結構層進行開挖，開挖時發現注漿管周圍區域開挖困難，距離注漿管越近開挖越困難。以注漿管為中心漿液擴散半徑大約在35 cm，注漿區域土體顏色泛白，如圖5所示。基層與路基接觸面處發現以注漿管為中心向四周擴散的水泥漿液，有明顯的漿脈走向，擴散面積較大，水泥漿液注入的路基層土體顏色發白，強度較高，如圖6所示。

根據上述分析可推斷：在注漿過程中由于土體壓實度較好，水泥漿液沿著注漿管向上流動，在土基層和基層之間界面處進行滲透，層間有明顯的漿脈層分布。在模型拆模開挖過程中發現在距離注漿管35 cm左右范圍內土體密度增加，開挖困難，分析原因可能是在注漿過程中盡管受到土的壓實度影響水泥漿液無法完全進入到土體中，但注漿管周圍土體受到來自注漿泵的0.5 MPa壓力影響，迫使注漿管周圍土體進一步向四周擠壓，對周圍土體起到擠密作用，同時，漿液在注漿管周圍固化膨脹產生較大膨脹壓力，對土體也有擠密效果。

圖5 層間接觸面圖Fig.5 Interface between layers

圖6 路基開挖Fig.6 Subgrade excavation

2 路基注漿仿真計算及分析

2.1 道路模型的建立

為模擬路基注漿對路面結構受力的影響，建立道路注漿仿真模型進行分析。仿真模型采用雙輪組單軸載100 kN作為標準軸載，采用靜態模型路基路面模型材料參數。土基彈性模量取40 MPa。瀝青面層彈性模量取2 000 MPa，水泥穩定碎石層彈性模量取3 000 MPa。土基的泊松比為0.35，其余各層的泊松比均為0.25。數值模擬時考慮注漿區域模量、注漿半徑、注漿橫向位置及注漿深度4個方面變化對道路力學響應的影響。仿真模型采用雙向行車道，路面寬12 m，機動車道寬3.75 m，邊坡坡率1∶1.5，面層采用18 cm厚瀝青混凝土，基層用38 cm厚水泥穩定碎石基層。

建模過程分局部單點注漿和道路縱向多點連續注漿兩種情況，對比局部但點路基注漿和區域性路基注漿加固差異，同時為對比注漿質量的影響，仿真模型將注漿區的模量變化也作為一個變化因素。有限元網格劃分時路面部分采用規則劃分，沿厚度均分為3層，路基部分采用自由劃分形式，設置單元尺寸0.2 m，路基注漿區域局部加密處理，網格模型如圖7所示。

圖7 ANSYS三維模型Fig.7 3D ANSYS model

2.2 局部注漿結果分析

2.2.1 注漿區模量影響

固定注漿區半徑為0.5 m，位于路基頂面以下1 m，對注漿區域取三組模量，分別為600、1 200、1 800 MPa，計算瀝青面層底部與水穩基層底部的應力狀態，如圖8所示。可以發現，在路面行車荷載影響下，瀝青面層底部受到的縱向應力為負，故在以下的仿真模擬中不予考慮，水穩基層底部水平拉應力變化也很小。由此可知，局部注漿時注漿區模量的變化對基層和瀝青層的影響較小。這是因為單點注漿區域相對較小，而車輛荷載擴散至注漿區時分散面積已較大，盡管注漿區模量相對于路基模量大很多，較小的注漿區域對路基整體的變形影響不大，故瀝青層和半剛性層應力響應變化較小。

圖8 注漿區彈性模量影響Fig.8 Influence of elastic modulus in grouting area

2.2.2 注漿半徑影響

固定注漿區位置在路基頂面以下1.0 m，注漿區彈性模量為600 MPa，對注漿區域取三組注漿半徑，分別為0.2、0.5、0.8 m，計算水穩基層底部的應力狀態，如圖9所示。可以發現：在路面行車荷載作用下，局部注漿半徑對水穩基層底部受拉應力有一定影響，注漿半徑由0.2 m增加至0.5 m和0.8 m時，水穩層底部拉應力分別減小1.8%和13.3%。這是因為隨著注漿半徑增加，其注漿區域頂部逐漸接近路基頂面，對車輛荷載的擴散作用增加，降低了路基路面整體變形，因而使水穩層底部拉應力明顯減少。

圖9 注漿半徑的影響Fig.9 Influence of grouting radius

2.2.3 注漿橫向位置影響

固定注漿半徑0.5 m，深度1.0 m，對注漿區域取三組不同的橫向位置，注漿位置1位于道路行車道輪跡帶中心正下方處，注漿位置2位于右側荷載正下方，注漿位置3球心點位于位置1右側1.8 m處，位于兩荷載之外，具體注漿位置見圖10，計算結果繪于圖11。可以發現：橫向注漿位置的變化時基層底水平應力變化幅度很小，差別不足1.5%。相對來講，注漿橫向位置在行車道中間下部的1號位置時基層底部拉應力最小，其次是輪跡帶正下方，3號位置基層底部拉應力最大。

圖10 注漿區橫向位置示意圖Fig.10 Schematic diagram of transverse position of grouting area

圖11 注漿區橫向位置影響Fig.11 Influence of lateral position of grouting area

2.2.4 注漿深度位置影響

固定注漿區半徑為0.5 m，注漿區模量600 MPa，取三組不同的注漿深度，分別距基層底面以下1、2、3 m，計算水穩基層底部的應力變化，如圖12所示。可以發現：隨著注漿區深度方向的增加，水穩基層底部縱向應力逐漸變大，注漿區深度由1 m增大到3 m時，水穩層底部拉應力增加4%。這同樣與車輛荷載沿路基深度的擴散規律有關，注漿位置越深，荷載擴展至注漿區時單位應力越小，注漿區承擔的荷載越小，對路基路面變形的影響越小，且注漿區域相對較小，因而注漿區達到一定深度時，局部注漿對路面的影響可忽略。

圖12 注漿區深度影響Fig.12 Influence of grouting area depth

2.3 連續多點注漿

道路縱向多點連續注漿模擬實際加固過程中的區域性路基注漿，即沿道路縱向以一定間隔通過注漿孔連續注漿加固。道路連續注漿仿真計算時，假定一定尺寸的注漿范圍沿道路縱向連續存在，相當于局部注漿首尾相連沿道路縱向連續無間隔分布。

2.3.1 注漿區模量影響

對于縱向連續注漿，注漿位置同局部注漿位置相同，但其沿道路縱向連續分布，注漿區模量同樣取600、1 200、1 800 MPa三種情況，計算結果繪于圖13中。可以看出水穩基層底部水平拉應力隨注漿區模量增加而逐漸減小，但整體變化幅度較小，注漿區模量由600 MPa增加1 800 MPa時，水穩基層底部縱向拉應力降低不足4%。這是因為注漿區模量遠高于路基模量，相當于在道路一定深度連續埋設混凝土管，雖對行車荷載有一定的支撐分散作用，但注漿區域相對較小，四周被模量較小的路基填料包裹，因而對行車荷載的分散能力較弱。

圖13 注漿區模量的影響Fig.13 Influence of elastic modulus in grouting area

2.3.2 注漿區半徑影響

對注漿區域取三組注漿半徑，分別為0.2、0.5、0.8 m，計算水穩基層底部的應力狀態變化，如圖14所示。可以發現：在路面行車荷載作用下，注漿半徑對水穩基層底部受拉應力影響較大，注漿半徑由0.2 m變化至0.8 m時，水穩基層底部受拉應力減小幅度達28.5%，遠高于局部注漿時降低幅度。這是因為，隨著注漿半徑的增加，注漿區域距離荷載作用點越來越近，更加有效地分散車輛荷載，同時縱向連續注漿區域相當于彈性地基上圓形梁，縱向也可起到良好的荷載承擔作用，因此，縱向連續注漿區半徑的增加對水穩層底部的拉應力降低作用比較明顯。

2.3.3 注漿橫向位置影響

對連續注漿取3個不同的橫向位置進行對比，橫向位置與前文局部注漿橫向位置相同，連續注漿情況下，注漿位置橫向變化對半剛性層層底拉應力的影響如圖15所示。可以發現橫向注漿位置的變化對基層底面水平拉應力有一定影響，與局部注漿結果類似，當注漿位置位于車道中間①時，基層底面縱向拉應力最小，相比較于②③注漿位置基層底部拉應力分別減少8.3%和7.0%，說明注漿位置位于車道兩輪跡帶的中間位置正下方區域比較有利。這一結論與局部注漿結果相同。

圖14 注漿區半徑影響Fig.14 Influence of grouting radius

圖15 連續注漿橫向位置影響Fig.15 Influence of lateral position of grouting area

2.3.4 注漿區深度影響

與局部注漿相同，選取三組不同的注漿深度，分別距基層底面以下1、2、3 m，分析連續注漿深度不同時的影響，計算結果如圖16所示。可以發現：隨著注漿區深度方向的增加，水穩基層底部縱向拉應力依次增大，增加幅度8.1%和11.4%，說明處理路基病害時注漿位置盡量靠近路基頂面位置對降低基層彎拉受力比較有利。縱向連續注漿深度的影響規律與局部注漿時相似，但影響幅度變大。

圖16 連續注漿深度影響Fig.16 Influence of grouting area depth

2.3.5 局部注漿與道路縱向多點連續注漿對比

對比局部注漿與縱向連續注漿仿真結果，從考慮的注漿區模量、注漿區半徑、注漿區橫向位置和注漿深度4個因素影響來看，兩種注漿方式對半剛性基層底部拉應力整體影響規律相似，注漿區模量的影響相對較小，而注漿區半徑影響相對明顯，注漿區橫向位置和深度對半剛性層底拉應力也有一定影響。具體表現為注漿區半徑增大、注漿區橫向位置靠近行車道中間下部、注漿深度靠近路基頂面位置時，對降低半剛性層底拉應力的比較有利。相對于局部注漿，縱向連續注漿對層底拉應力的影響幅度顯著大于局部注漿，如注漿半徑由0.2 m增加至0.8 m時，局部注漿法使水穩層層底拉應力降低13.3%，而縱向連續注漿可降低28.5%。注漿區深度由1 m增大到3 m時，局部注漿使水穩層底部拉應力增加5%，而縱向連續注漿使水穩層底部拉應力增加了11.4%。因此，縱向連續注漿對半剛性層底拉應力的影響要顯著大于局部注漿，但需要注意注漿半徑、注漿橫向位置和注漿深度之間相互影響，在考慮某一因素影響時，固定了其他因素，并未做交叉影響分析，實際中可根據路基的病害位置及程度選擇合理的注漿方式。

3 結論

采用室內模型試驗和數值仿真兩種方法研究了路基注漿的加固機理及影響因素，通過分析得出以下結論。

(1)通過室內試驗可以看出，在注漿開始階段漿液會向四周松散土體有壓滲透，同時沿著注漿管外壁在壓力作用下向上運動，在路基與基層接觸面以注漿管為圓心發生擴散，并在重力作用下對路基土發生滲透。但水泥漿液的擴散路徑受到路基土土質類型、疏松狀態、注漿壓力等多個因素的影響，具有不確定性，需要結合具體情況開展研究。

(2)路基注漿對路基土體的孔洞具有填充作用，對局部疏松處具有擠密加固作用，水泥漿液在路基和基層間界面處的滲透擴散還可加強層間黏結和抗水損能力。

(3)探地雷達圖像能夠反映路基土注漿前后的區別，但對路基孔洞、局部疏松的注漿狀態很難做到定量描述，實際應用時應結合具體工程首先建立典型圖像，然后通過圖像對比確定注漿狀態。

(4)數值仿真結果表明注漿區半徑、注漿區橫向位置和注漿區深度對降低半剛性基層層底拉應力都有一定的影響用，其中注漿區半徑大小的影響更為顯著，注漿的橫向位置在車道輪跡帶中間下方、深度靠近土基頂部時對降低半剛性層層底拉應力較有利。縱向連續注漿和局部注漿對半剛性層底拉應力的影響規律相似，但縱向連續注漿的降低作用更顯著。