0引言
據(jù)統(tǒng)計，2010年全國共發(fā)生各類地質(zhì)災(zāi)害3萬余起，死傷約3500人，直接經(jīng)濟損失約63.9億元，其中與邊坡失穩(wěn)有關(guān)的災(zāi)約占總數(shù)的97%[1]。邊坡失穩(wěn)也經(jīng)常成為地震、暴雨等自然災(zāi)害引發(fā)的次生災(zāi)害。
伴隨大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，公路、鐵路、水電及大型房建項目遭遇大量的邊坡問題，而邊坡治理費高昂。因此，開展邊坡加固研究具有重要的現(xiàn)實意義[2，3]。
19世紀(jì)初，Charles在修復(fù)被水流侵蝕的沙礫土地基時，采用了粘土注漿技術(shù)，首次實現(xiàn)了注漿技術(shù)的工程應(yīng)用[4]。注漿技術(shù)最初是作為地基處理的方法進入工程界視野，由于其成本低、操作方便、加固效果好，因而被推廣至各類工程病害治理，邊坡工程加固成為其另一發(fā)揮優(yōu)勢的平臺。20世紀(jì)初，化學(xué)注漿在歐美地區(qū)被廣泛采用，并獲得良好效果。但隨著人們環(huán)保意識的增強，化學(xué)注漿對環(huán)境及人體的負(fù)面影響逐漸被關(guān)注，現(xiàn)僅局限于特定環(huán)境使用[5]。
作為化學(xué)注漿的替代品，水泥注漿則更具有環(huán)境友好型優(yōu)勢，但其亦存在一些不足，如：其可注性較差，凝固時間長，初凝、終凝時間及早期強度控制難，施工中易析水。為改善水泥注漿的上述缺點，學(xué)者們在注漿液方面開展了系列研究工作[6]，如：采用超細(xì)水泥或輔助化學(xué)材料來提高其可注性，利用工業(yè)礦渣替代部分水泥以提高結(jié)石體的早期強度并節(jié)省成本等等。水泥基漿材注漿因其原材料豐富、成本低、硬化后強度高且環(huán)境友好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。本文對不同水泥基注漿材料進行室內(nèi)試驗研究，并在實際工程中對試驗結(jié)果進行驗證與應(yīng)用。
1注漿材料試驗研究
為提供可靠的現(xiàn)場注漿參數(shù)，開展此次注漿材料試驗研究。本文就幾種常見的水泥組合注漿材料的性能進行室內(nèi)試驗，以《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T17671-1999），《建筑砂漿基本性能試驗方法》（JGJ/T70-2009）[7，8]為參考。試驗內(nèi)容包括：
?、龠x擇水泥、石英黃砂、水玻璃、粉煤灰等作為注漿材料，并根據(jù)試驗設(shè)計進行組合；
?、跍y定漿液凝結(jié)時間：測定不同注漿材料漿液的初凝與終凝時間；
?、蹤z測抗壓強度、抗彎強度：分別測定漿液在初凝時點、終凝時點的抗壓、抗彎強度。
1.1試驗材料
試驗采用的材料及其參數(shù)如下：
①水泥：普通硅酸鹽水泥P.O32.5，P.042.5；
?、谏埃狐S砂，細(xì)度模數(shù)μf=2.51；
?、鬯ＡВ洪L沙升陽化工材料有限公司生產(chǎn)，模數(shù)2.20～2.50；
?、芊勖夯遥汉祥L沙粉煤灰廠，一級粉煤灰；
?、轀p水劑：山東萊蕪減水劑廠FDN-A型減水劑。
1.2純水泥漿試驗結(jié)果與分析
純水泥漿作為注漿材料的優(yōu)點是：施工簡便、對儀器設(shè)備要求不高、強度較高、漿液配合比和稠度都易于調(diào)整、適用范圍廣。其缺點是：易發(fā)生析水或沉淀、粘度不足時易被稀釋或沖刷、凝結(jié)時間長且控制難。純水泥漿試驗結(jié)果如表1所示。
從表1中試驗結(jié)果可知，純水泥漿作為注漿材料，組分簡單，控制參數(shù)少，可控性好，主控參數(shù)為水灰比。隨著水灰比的增加，抗壓強度、抗彎強度和結(jié)石率均下降，這是因為隨著漿液變稀，其稠度和密度均減小，導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)下降。
1.3水玻璃漿液試驗結(jié)果與分析
摻入水玻璃的水泥漿的優(yōu)點是：無毒無污染，凝結(jié)時間和漿液擴散半徑易控制，配比調(diào)整方便；其缺點是：生產(chǎn)工藝要求高，漿液性質(zhì)受氣候影響大。水泥水玻璃注漿液試驗結(jié)果如表2所示。
從表2中試驗結(jié)果可知，相比純水泥漿，加入水玻璃后，漿液的凝膠時間大幅縮短。根據(jù)試驗結(jié)果還可得出：漿液中水玻璃摻量越高，凝膠時間越短，二者幾乎呈直線關(guān)系；水泥漿的水灰比約小，水泥與水玻璃之間發(fā)生的反應(yīng)越快，凝膠時間越短；溫度越高，水泥與水玻璃的反應(yīng)越快，凝膠時間越短。
漿液的力學(xué)性質(zhì)與配比有很大關(guān)系，表現(xiàn)為：當(dāng)水泥漿濃度較低時，抗壓強度隨水玻璃摻量的增加而下降；當(dāng)水泥漿濃度較高時，抗壓強度則隨水玻璃摻量的增加而增加；當(dāng)水泥漿濃度中等時，抗壓強度與水玻璃摻量關(guān)系不大。其原因是強度的形成與漿液中水泥和水玻璃的絕對含量有關(guān)。
1.4水泥黃砂漿液試驗結(jié)果與分析
水泥漿中摻入黃砂作為注漿液的優(yōu)點是：原材料來源廣，成本低，生產(chǎn)方便，對設(shè)備要求不高，配比與稠度易調(diào)整。缺點是：漿液容易于沉淀或析水，初凝與終凝時間均較長且控制難，漿液易被地下水沖走，形成的結(jié)石體強度稍低。具體試驗結(jié)果如表3所示。
從表3中試驗結(jié)果可知，在水泥漿水灰比一定的情況下，黃砂摻量較少時，抗壓、抗彎強度均可獲得少量提高，隨著黃砂摻量的再增加，漿液稠度與重度均增加，而抗壓、抗彎強度則會緩慢降低。
1.5水泥粉煤灰漿液試驗結(jié)果與分析
在水泥漿中加入粉煤灰，通過改變粉煤灰含量形成不同配合比，各配比下的試驗結(jié)果如表4所示。
從表4中試驗結(jié)果可知，摻入粉煤灰的注漿液在固定水灰比時，結(jié)石體的抗壓、抗彎強度隨粉煤灰摻量的增加逐漸上升，而后又逐漸下降，但降幅不大；粉煤灰的摻量對稠度、結(jié)石率和初凝、終凝時間幾乎無影響，但摻入粉煤灰可提升注漿液的穩(wěn)定性和泵送能力。
1.6水泥黃砂粉煤灰漿液試驗結(jié)果與分析
在第1.2～1.5節(jié)的試驗中發(fā)現(xiàn)，水泥漿、水玻璃、水泥黃砂漿和水泥粉煤灰漿各有優(yōu)缺點。為克服上述各配比漿液的缺點，設(shè)計將水、水泥、黃砂和粉煤灰等幾種注漿材料混合組成水泥黃砂粉煤灰漿液進行試驗?；谠牧蟻碓醇碍h(huán)保等問題，暫不加入水玻璃。試驗結(jié)果如表5所示。
從表5中試驗結(jié)果可知，水泥黃砂粉煤灰注漿液的力學(xué)性質(zhì)與純水泥漿接近，其性能在不同配比時可調(diào)范圍較大；漿液的結(jié)石率高，穩(wěn)定性好，施工便利，對設(shè)備無特殊要求，無污染，黃砂與粉煤灰的摻入又極大降低了成本，優(yōu)勢明顯。
2注漿壓力與擴散半徑
水泥基注漿加固邊坡的機理，主要通過漿液化學(xué)膠結(jié)作用、惰性填充作用和離子交換作用，改變巖土體性質(zhì)，形成新巖土體結(jié)構(gòu)。結(jié)石體的作用類似于抗滑樁，可提高邊坡整體穩(wěn)定性。注漿加固的抗滑方式是改善巖土體的c、φ值和滲透性，阻止淺層發(fā)生破壞，而改善程度與邊坡巖層巖性、注漿材料的性質(zhì)和施工過程等因素有關(guān)。邊坡注漿采用水泥漿、水泥粘土漿、化學(xué)漿液等，理論上可考慮為穩(wěn)定的賓漢姆流體，以下按賓漢姆流體，對漿液的注漿壓力和擴散半徑進行推導(dǎo)。
2.1注漿壓力
漿液在平面內(nèi)徑向等厚度裂隙中的運動為層流，若不考慮慣性和重力，將漿液單元體徑向平衡的微分方程略去高階無窮小后，可近似表示為
其中，p、τ表示作用于單元體的應(yīng)力大?。籸、z為裂隙的徑向和縱向。假設(shè)縱向為b（m），因為z=b/2時，τ=0。若對式（1）沿縱向積分，則可得到
將式（2）代入賓漢姆流體流變方程，則有
根據(jù)邊界條件z=0，v=0，對式（3）積分可得
又因為裂隙平面內(nèi)徑向的漿液注漿量可表示為
再將式（4）代入式（5），積分整理后可得
對式（6）進行積分，可得賓漢姆流體在平面徑向等厚度裂隙中的流動基本方程，即
式（7a）、式（7b）中，rc為注漿孔半徑，r為漿液擴散半徑，pc為注漿口壓力，p為半徑為r處的壓力，或稱剩余壓力，則（pc-p）為有效壓力。
當(dāng)τB=0時，式（7a）和式（7b）可變?yōu)榕ｎD流體的基本方程
顯然，單位時間內(nèi)沿半徑擴散所需的漿液量應(yīng)等于注漿量，則由qdt=2πbrdr可得
2.2擴散半徑
將式（10）整理，也可推導(dǎo)出漿液擴散半徑表達式為
由式（18）可知，要增加擴散半徑，時間相同的情況下需要增加注漿壓力，而壓力相同的條件下就需要增加注漿時間。
3工程應(yīng)用
3.1工程概況
溆懷高速公路是湖南省規(guī)劃的“五縱七橫”高速公路網(wǎng)中婁底至懷化高速公路的西段。東起溆浦縣的盧峰鎮(zhèn)，線路經(jīng)江口、火馬沖、瀘陽，止于黃金坳樞紐互通。本文依托工程位于溆懷高速K20+800～K20+935段左側(cè)，該段邊坡高46m，邊坡巖體破碎，坡率分別為1：2和1：2.5（如圖1所示），邊坡物理力學(xué)參數(shù)見表6。
3.2施工組織方案
3.2.1參數(shù)計算
①注漿量。
漿液設(shè)計擴散半徑為5m，根據(jù)室外和室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，取孔隙率為0.42，注漿管高度450cm，以水泥黃砂粉煤灰為注漿漿液，配合比為水：水泥：砂：粉煤灰=1：1：0.5：0.3。現(xiàn)將各參數(shù)代入式（19），可算得每個注漿孔所需注漿量為Q=332.95L。
工程實際采用間歇式注漿，每孔均需循環(huán)注漿?？紤]到實際情況會出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，實際每孔平均注漿量應(yīng)在500L以上。
?、谧{壓力。
注漿壓力的大小和注漿量及擴散半徑有關(guān)，現(xiàn)場選定的注漿壓力為2～2.5MPa，實際施工時由于巖土體下部孔隙率較大，注漿管道顯示的注漿壓力僅為0.1～0.2MPa。
?、圩{孔間距。
設(shè)計邊坡注漿形成的縱向?qū)挾葹?m，根據(jù)實際情況布置梅花形注漿孔，注漿管間距1m。
3.2.2注漿加固施工
根據(jù)設(shè)計要求和邊坡現(xiàn)場條件，對邊坡上裂隙所圍區(qū)域進行注漿加固，具體施工工序有鉆孔、注漿和插鋼筋。鉆孔深度要求嚴(yán)格滿足設(shè)計要求[9，10]，即穿過滑動面，入巖2～3m。注漿方式為純壓式注漿，孔口封閉。鉆孔平面布置采用梅花形布孔，孔間距為5m，行間距也為5m。施工完畢后邊坡表面采用植草防護。
3.2.2.1注漿試驗
為進一步了解巖土體的可注性，需在注漿施工前開展注漿試驗，并檢驗注漿設(shè)計參數(shù)，必要時可修正原注漿方案。注漿試驗安排如下[11～13]：
?、龠x擇試驗地點。
應(yīng)選擇地質(zhì)條件相對較差的區(qū)域開展注漿試驗。根據(jù)地勘資料，選定K20+900左側(cè)40m處10m×8.6m區(qū)域進行注漿試驗。
?、谧{試驗孔的布置。
按設(shè)計要求，沿六角形外圍布置4個注漿孔作為Ⅰ序列，外圍另2個注漿孔作為Ⅱ序列，六角形中心為Ⅲ序列注漿孔，中心孔四周布置4個檢查孔，共布孔11個，見圖2。每序列孔的施工間歇時間應(yīng)大于12h。
?、圩{試驗鉆孔。
采用XY-1A-100型和XY-1B-150型地質(zhì)鉆機，鉆具？準(zhǔn)110mm，鉆孔深度要求入巖2m。
?、茉囼灴鬃{。
1）注漿材料：采用水泥黃砂粉煤灰漿液，配合比為水：水泥：砂：粉煤灰=1：1：0.5：0.3。
2）注漿壓力：在進行注漿試驗過程中，注漿壓力可逐級提高。
?、輽z驗注漿效果。
試驗孔注漿完成7d后，現(xiàn)場取樣進行室內(nèi)試驗，測定結(jié)石體抗壓和抗彎指標(biāo)，作為檢驗注漿試驗效果的依據(jù)。
3.2.2.2注漿施工
?、倏傮w施工順序。
首先，現(xiàn)場測量放線，標(biāo)注注漿孔位；然后，鉆注漿孔，注漿完成后插入1Φ25鋼筋（入巖2～3m）；最后，開挖坡面，對坡面進行植被防護施工。
?、谧{施工工藝。
1）注漿孔布置：孔徑90mm，孔深需入巖2～3m，孔距5m，梅花形平面布置。注漿孔沿著滑坡邊緣從上至下依次鉆孔與注漿，從地裂縫后緣開始，先施工第Ⅰ序孔，再施工第Ⅱ序孔。
2）注漿材料：選用32.5級普通硅酸鹽水泥，符合拌制混凝土用水要求的水作為灌漿用水。漿液水灰比初灌為1：1，以后逐步降低至0.6：1。水泥漿攪拌時間需大于3min，漿液制成后4h內(nèi)須完成灌注。
3）注漿壓力：注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場注漿情況調(diào)整[14]，初步設(shè)計注漿壓力為0.2～0.6MPa。
3.3注漿效果的數(shù)值模擬
3.3.1模型參數(shù)選取與建立
采用荷蘭代爾弗特大學(xué)開發(fā)的PLAXIS有限元軟件進行數(shù)值模擬計算與分析，該軟件主要用于分析巖土體的變形、穩(wěn)定性、地下水滲流等問題[15]。選用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，有限元模型的幾何尺寸及網(wǎng)格劃分見圖3，各項邊坡參數(shù)取自表6。剛性基底邊界，左右邊界僅考慮x方向位移。初始應(yīng)力為巖土體自重應(yīng)力，忽略地下水的影響。
3.3.2邊坡穩(wěn)定性分析
注漿前位移矢量如圖4所示，注漿前位移增量見圖5。由圖4、圖5可知，邊坡開挖后將發(fā)生大變形，故必須采取適當(dāng)支護或加固措施。
注漿加固后邊坡位移矢量見圖6，圖7為注漿加固后邊坡位移增量圖。
由圖6、圖7及其它模擬計算結(jié)果得到，注漿加固后，邊坡的位移僅有0.03mm，安全系數(shù)為1.3，均可滿足穩(wěn)定性要求，表明注漿加固效果良好。
3.4注漿效果的室內(nèi)試驗分析
為進一步驗證現(xiàn)場注漿加固效果，在注漿工程結(jié)束后，又從工作區(qū)取得原狀土樣40個，其中注漿前18個，注漿后22個。通過室內(nèi)測試分析后得出：土樣的粘聚力提高了15kPa，內(nèi)摩察角增加3.2°，孔隙比、含水量、飽和度及壓縮系數(shù)均不同程度減小，而壓縮模量、密度及液限塑限則均增大（見表7）。注漿前后土體試驗結(jié)果表明，注漿改變了土層的物理力學(xué)性質(zhì)，提高了土體的強度和承載力。
4結(jié)論
?、賹兯酀{、水玻璃、水泥黃砂、水泥粉煤灰和水泥黃砂粉煤灰五種注漿材料進行了試驗研究，分析了五種材料的初凝、終凝時間及各時間點的抗壓、抗彎強度，試驗結(jié)果表明水泥黃砂粉煤灰注漿液具有更高的強度，可注性較好，且成本更低。
?、谕ㄟ^確定注漿量、注漿壓力和注漿孔間距，設(shè)計并實施了依托工程邊坡治理的注漿處治方案。
?、刍赑LAXIS有限元軟件，對依托邊坡工程注漿前、后的穩(wěn)定性進行了分析。
?、茏{前后土體試驗結(jié)果表明，注漿改變了土層的物理力學(xué)性質(zhì)，提高了土體的強度和承載力，水泥黃砂粉煤灰注漿加固切實可行，效果顯著。
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