软土地区邻近铁路高压旋喷桩施工室内模型试验研究

李世鑫 孙春辉 周星宇 张帅张建经汪洋

1.中电建路桥集团有限公司，北京100048；2.西南石油大学地球科学与技术学院，成都610500；3.西南交通大学土木工程学院，成都610031

自20世纪70年代日本发明单管喷射注浆法以来，各种喷射注浆新工法不断涌现，应用领域不断扩大［1］。高压旋喷成桩过程中，大量高压水泥浆持续注入土中产生较大的膨胀作用，这种膨胀作用势必会使周边一定区域内土体产生变形。当施工区处于铁路附近尤其是在铁路桥墩周边时，高压旋喷桩施工过程中产生的高压射流将对周围桥墩产生一定的扰动，如有不慎将引发工程事故［2-3］。因此有必要对旋喷桩施工过程中浆液流动规律进行系统研究。

文献［4］建立了二维高压旋喷桩注浆模型，分析在高压旋喷桩施工过程中桩间距、桩体弹性模量、填土高度等对地基加固效果的影响。文献［5-8］根据圆孔扩张理论，考虑到施工时的土层参数及旋喷参数，提出了二维平面条件下高压旋喷桩施工引起地表变形的分析方法。文献［9-10］在分析高压喷射注浆法地基加固机理的基础上，引入面积置换率的概念，依据土的弹塑性力学和文献［11］圆孔扩张理论，推导了高压旋喷桩施工中土体应力增量的理论计算公式，并得到高压旋喷桩成桩时的超孔隙水压力理论计算公式。

本文采用自主研发的高压旋喷注浆模拟设备开展软土中高压旋喷注浆试验，分析不同注浆压力下土体超静孔隙水压力的变化以及铁路桥墩的位移，以获得高压旋喷注浆过程中土体变形规律，为类似软土中高压旋喷注浆工程提供参考。

1 试验方法与试验系统

1.1 高压旋喷注浆系统

为研究软土中高压旋喷注浆对周边铁路桥墩的影响，自主设计研发了一套室内高压旋喷注浆装置。该装置主要包括增压装置、储泥装置、注浆装置三部分。试验装置各模块见图1。

增压装置主要由空气泵组成，可以提供稳定的注浆压力。储泥装置主要由储泥罐、压力表、注浆口、球阀、出浆口、通气孔组成。注浆口、通气孔、压力表在储泥罐顶部，注浆口盖板由四根螺栓固定且拆卸方便，通气孔可以快速释放储泥装置中残余压力，压力表可以观测储泥罐中压力变化，出浆口设置在储泥罐底部，在罐中压力值达到预定值时，打开球阀，高压水泥浆可以从储泥罐以高压形式流出。注浆装置由旋转电机、提升电机、控制模块、喷浆杆、高压软管组成。旋转电机与提升电机可以分别提供旋转动力，提升动力使喷浆杆匀速转动和提升，控制模块控制旋转电机和提升电机的转速。

喷浆杆与高压软管通过轴承连接，喷浆杆底部开有两孔，孔径3 mm，高压水泥浆可以从喷孔以高压形式喷出。注浆设备的具体参数见表1。

1.2 试验过程

试验用土为重塑现场的原状土，在试验之前须要将土样进行浸泡，在软化的同时增大其含水率，软土浸泡的过程中须要定期进行搅拌，并补充水分，浸泡时间约30 d，见图2。在进行土样填筑之前对土样进行含水率测试，待其含水率达到饱和状态时，将土体充分搅拌之后静置5 h方可进行填筑。试验所采用的模型箱长、宽、高各1 m。根据现有的研究成果模型箱边界对试验的影响可以忽略不计［12-13］，因此本次试验不考虑模型箱边界对试验的影响。在填筑土样过程中每填筑5 cm要对土样进行一次压实，填筑至孔隙水压力计预放位置时，将孔隙水压力计按照使用手册放置在相应的位置。考虑到高速铁路桥墩可以承受较大的竖向荷载而不能承受较大侧向荷载，故采用钢筋搭接的方式模拟高速铁路桥墩。

试验所填筑土体高度为0.8 m，土体填筑完成后静置24 h，之后在试验土体上放置木板，在木板上放置砝码等重物进行堆载，堆载的载荷约为3～5 kPa。在堆载过程中利用百分表对土体沉降进行监测，待其沉降稳定后，卸除上覆堆载物静置3 h后测量不排水抗剪强度并进行注浆试验。

2 单桩注浆试验

单桩试验共使用孔隙水压力计7个，布置在距注浆孔中心20、30 cm的横断面上。各传感器（K1～K6）间距30 cm，传感器K1、K2、K3上覆土20 cm，传感器K4、K5、K6上覆土50 cm，距离模型箱底部30 cm，传感器K7布置在距离注浆孔20 cm断面，K7上覆土50 cm，下部土体高度30 cm，距离模型侧边50 cm。孔隙水压力计的具体布置如图3所示。为测量铁路桥墩产生的位移，采用激光位移计对桥墩横桥向、顺桥向、竖桥向的位移进行测量。

单桩注浆长度为70 cm，注浆压力分别为0.2、0.3、0.4 MPa，钻杆转速20 r∕min，提升速度6 cm∕min。

3 试验结果分析

在堆载结束后利用便携式十字板剪切仪对模型箱中填筑软土进行不排水抗剪强度测试，结果见图4。可知，模型所填土不排水抗剪强度较低，具有触变性、流变性、高压缩性、低强度、低透水性、不均匀性等特点，在外加荷载作用下，极易出现剪切破坏，产生较大的沉降。

图4 不排水抗剪强度变化

在注浆试验过程中统计了不同注浆压力下超静孔隙水压力、铁路桥墩的位移，见图5、图6。

图5 不同注浆压力下土体超静孔隙水压力

图6 不同注浆压力下铁路桥墩位移

由图5可知：在注浆过程中试验的前11 min左右，超静孔隙水压力随着注浆的进行不断增大，在注浆结束后超静孔隙水压力开始逸散。在注浆过程中随着深度的增大，在高压旋喷桩施工过程中所产生的超静孔隙水压力也逐渐增大，且埋深越大超静孔隙水压力增大的幅度也越大。在同一埋深，随着距高压旋喷桩距离的增大，土体中的超静孔隙水压力减小。注浆压力0.2、0.3、0.4 MPa时，土体超静孔隙水压力最大值分别为1.75、1.93、2.25 kPa。

由图6可知：在单桩注浆过程中高压旋喷桩施工过程对铁路桥墩的影响主要发生在横桥向和竖桥向，在注浆过程中由于土体受到浆液产生的膨胀作用以及喷杆旋转所产生的剪切力产生变形，继而导致铁路桥墩产生偏移，而桥墩所产生的位移大小又与桩的布置方式有关，因而在单桩施工时会呈现在在横桥向和竖桥向位移较大，而在注浆完成后由于土体产生回弹，会导致铁路桥墩位移有一定的回弹。注浆压力0.2、0.3、0.4 MPa时，铁路桥墩最大位移分别为0.37、0.70、0.89 mm。

4 结论

1）在注浆过程中土体超静孔隙水压力随深度的增加而逐渐增大，且增大的速率也随深度的增大而增大，在注浆结束以后超静孔隙水压力由于裂缝闭合会逐渐逸散。

2）单桩注浆过程中高压旋喷桩施工过程中对土体位移的影响主要发生横桥向、竖桥向，在注浆完成后由于土体回弹，铁路桥墩位移也会产生一定回弹。

3）高压旋喷桩施工过程中对土体所产生的挤土效应以及对铁路桥墩的影响是一个复杂的累加过程，在获得单桩监测数据后可以进行简单的累加以预估群桩施工对桥墩的影响，进而采取相应措施以降低施工对铁路安全运营的影响。