袖阀管注浆技术改性土体研究及效果评价

注浆技术作为一种有效的岩土工程施工方法,理论研究远落后于工程应用。在简要分析袖阀管注浆原理及注浆机制类型的基础上,采用岩土颗粒流程序,从微观上模拟了单孔条件下不同注浆压力对土体改性效果的影响,认为随注浆压力的提高,土体出现显著的压密效应,拉应力增加且范围扩大,并产生劈裂注浆效应,尤其是注浆孔周围土体,空间置换率较大;同时模拟了多孔状态下浆液扩散、土体压密及劈裂效应产生的过程,认为对于土体改性存在一合理的注浆压力,浆液挤压土体并在土体中产生劈裂缝,在多孔之间贯通、交叉,形成网状浆脉,土体得到整体改性。模拟结果与现场注浆试验取得了较为一致的结果,土体改性效果良好。     

考虑注浆压力的顶管施工引起土体变形计算方法

顶管施工引起周围地层变形的计算预测是顶管施工中必须加以重视的问题。地层的沉降变形与顶管施工的几个环节有密切的联系,如：①顶管姿态与开挖面土压;②顶进与换管;③注浆过程等。理论分析应考虑这几个施工中的关键因素。针对上述施工影响因素,提出了考虑注浆压力的顶管施工的地层移动的计算方法。用Mindlin的位移解分析模拟开挖面土压、顶进与换管过程中的侧面摩擦力的变化引起的位移;以Sagaseta的土体损失引起的土体位移模式分析姿态控制、土体损失等引起的变形;将圆孔扩张的Verruijt解拓展到三维,用于计算注浆压力引起的位移与变形。结果表明,考虑注浆压力的变化,可以得到更为合理的预测结果。     

模袋袖阀管压密注浆的注浆压力理论计算方法研究

针对常规注浆施工中串浆、跑浆严重，对地层加固效果不理想的现状，模袋袖阀管注浆技术开始在隧道超前注浆施工中得到应用，但目前模袋注浆压力的确定多以经验为主。考虑模袋在注浆过程中始终保持柱形扩张，同时在周围被挤密土体中形成一个由弹性区和塑性区组成的应力影响区。基于弹塑性理论，考虑在周围土体的塑性影响区内采用非关联流动法则，推导得到了表征模袋注浆过程中浆体初始半径R0、浆体现时半径Ru和土体塑性区半径Rp之间关系的表达式，由此可以解出模袋注浆压力P的理论计算公式。参数分析结果表明：模袋注浆压力值受土体弹性模量、内摩擦角、黏聚力和初始应力的影响显著。将所得的模袋注浆压力理论计算公式应用于人民会堂站的模袋袖阀管注浆工程中，由浆体扩张半径Ru随注浆压力P的变化规律可以得出：当浆液对周围土体的挤密效果最佳时,模袋注浆压力 ，浆体最终扩张半径R' = 20 cm。注浆效果检验结果表明：模袋注浆膨胀构造的止浆岩盘成功实现了对浆液扩散的控制，达到了预期的控域注浆效果。     

黏土地层盾构隧道临界注浆压力计算及影响因素分析

合理选择注浆压力是确保盾构隧道壁后注浆效果良好的前提。假定在黏土地层中,壁后注浆先对周围土体产生压密效应,当注浆压力超过一定值以后,浆液开始劈裂土体。为得到最优注浆压力,基于弹塑性理论,推导了考虑浆体无限扩张时的注浆压力上临界值计算式;将接头螺栓的抗剪效应与注浆对管片产生的压力结合起来,推导了考虑螺栓剪切破坏的注浆压力上临界值计算式;基于主、被动土压力公式,提出了保持地层稳定的注浆压力上、下临界值计算式。在此基础上,提出了最优注浆压力计算方法。通过工程实例,分析了土体的弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,及隧道埋深对临界注浆压力的影响。结果表明：临界注浆压力与土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,管片结构性能以及隧道埋深等因素有关;上临界值随着土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压及隧道埋深的增大而增大;下临界值亦随隧道埋深的增大而增大。     

富水粉细砂层盾尾同步注浆浆液渗透-压密扩散机制研究

为探究富水粉细砂层中盾尾同步注浆浆液扩散规律,将浆液扩散过程中滤饼开始生成的时间作为浆液渗透扩散与压密扩散转折点,建立考虑渗滤效应的浆液渗透扩散理论公式及浆液压密扩散影响半径理论公式,并通过自主研发设计的盾尾同步注浆系统进行相似模型试验,验证理论公式合理性。结果表明：（1）在富水粉细砂层中,浆液扩散规律与常规单一扩散模式不同,呈渗透-压密两阶段;（2）滤饼的作用在于将以孔压形式存在的浆液压力转化为有效应力作用于土体骨架,滤饼开始生成后,浆液扩散模式由渗透扩散转变为压密扩散;（3）由浆液压力有效应力转化率曲线变化规律可知,注浆压力越大,滤饼开始生成时间越短,即浆液渗透扩散持续时间越短;（4）随着注浆压力增大,浆液压密扩散阶段影响半径也变大,通过试验及理论计算确定注浆压力为0.4 MPa时对地层扰动范围约为1倍隧道开挖轮廓。该研究成果可为富水粉细砂层中盾尾同步注浆施工提供理论支撑。     

非对称荷载作用下土体劈裂注浆压力分析

为研究在非对称荷载作用下土体劈裂注浆压力,基于扩孔理论和统一强度准则并考虑非对称荷载的作用,建立基于扩孔理论的劈裂注浆启劈压力分析模型,推导出浆泡周围塑性区土体的应力场、位移场、塑性区半径以及启劈注浆压力的理论解答,并以工程算例进行论证。结果表明,考虑对称荷载作用下的启劈注浆启劈压力较考虑非对称荷载作用下的值要大,对称荷载作用下的分析方法低估了塑性区半径;无论是柱形劈裂还是球形劈裂,当 1时,启劈压力会随着 的增大而增大,塑性半径会随着 的增大而明显减小;当 1时,启劈压力会随着 的增大而减小,而塑性半径的变化是有限的。预先了解土体的初始应力条件对正确的确定劈裂注浆启劈压力至关重要,可为劈裂注浆的设计和施工会提供更加完善的理论依据。     

注浆抬升地层的机制、解析解及数值模拟分析

注浆抬升地表是地下工程施工控制地层和邻近建筑物沉降的常用工法。目前,注浆设计主要依靠现场监测和工程经验。数值方法模拟注浆效果通常是通过提高注浆区域的土性参数来实现的,但该方法忽略了注浆抬升对地层的补偿作用。通过研究注浆引起的土体体积膨胀的机制,将注浆体积、土体体积应变增量、位移大小三者联系在一起。采用了一种模拟注浆抬升地层的数值方法。在该数值方法中,给出了土体体积应变的计算方法,提出了施加“虚拟”膨胀压力来增加单元体积,并通过判断单元体积应变增量是否达到土体体积应变增量来控制模拟注浆的过程。其方法的优点在于：施加在单元上的膨胀压力可以是一个虚拟的压力,而无需是实际注浆压力。通过解析解与数值解对比分析,验证了这种数值方法的正确性和可行性。     

地铁联络通道冻结加固融沉注浆研究

介绍了国内首个地铁联络通道强制解冻融沉注浆工艺的设计与施工。整个施工过程中对土体温度和地表变形进行了监测,得到了温度和地表变形的变化规律。由于冻结法施工中存在冻胀和融沉问题,过量的冻胀、融沉会对地表建筑和地下管线产生危害。结合工程实例,对强制解冻融沉注浆进行了研究,该工程对冻结加固体分区强制解冻、及时进行融沉注浆、二次加固土体,消除了后期压密沉降发生的可能,地表变形的监测表明强制解冻融沉注浆技术在该类工程中应用效果良好。     

边坡多阶段注浆加固模型

实践中总结证明注浆法用于边坡加固及滑坡防治是可行的,提炼提出边坡多阶段注浆加固模型。该模型以传统的渗透、充填、压密及劈裂注浆理论为基础,以弹塑性力学中的球形、柱形扩张理论及Boussinesq、Terzaghi理论为指导,推导出多阶段注浆法不同地层及不同阶段的注浆压力、注浆半径及注浆应力分布数学表达式(过程力学模型);用大量试验数据总结出加固后水泥土力学指标统计规律和多阶段注浆加固设计计算模型。多阶段注浆加固模型已在施工项目中得到证实。     

多排孔注浆引起土体变形与孔压规律试验研究

目前尚未见到软土地区多排孔注浆引起土体变形和超孔压发展规律的系统研究,限制了注浆变形主动控制策略的深化发展。开展了多排孔注浆现场试验,系统研究了单排孔逐孔注浆、多排孔逐排注浆引起土体水平位移和超孔压的变化与叠加规律。研究表明,注浆引起的超孔压随距离衰减迅速,变化规律可用幂函数表达,注浆距离取3 m左右时纠偏效果较好;天津地区超孔压消散较快,有利于注浆控制变形的快速稳定,超孔压随时间的消散规律可用指数函数表达,并提出了计算注浆引起超孔压的经验公式;多排孔逐排注浆时,先行注浆形成的注浆体墙对后续注浆一侧及另一侧土体变形分别具有反力效应和遮挡效应,控制既有建构筑物变形时应遵循“先远后近”逐排注浆的原则,以提高变形控制效果。     

饱和土中劈裂灌浆压力研究

在塑性力学和大变形理论的基础上,分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机理。将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为两个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在塑性区中服从大变形假设。利用水力压裂理论和圆孔扩张理论,假设孔隙水压力大于或等于初始应力与扩张应力增量之和时,土体将出现拉应力,若拉应力超过土的抗拉强度,土体将产生开裂,此时的灌浆压力就为初始劈裂灌浆压力。当土体在灌浆压力作用下,大小主应力正好换位时,则出现劈裂时的灌浆压力就为二次劈裂灌浆压力值,推导出饱和土体劈裂灌浆压力的理论公式。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。     

盾构隧道施工土体扰动范围研究

盾构隧道施工,隧道周边土体应力场发生改变,临近隧道土体因应力扰动出现塑性区,塑性区的分布范围与注浆压力、注浆量等注浆参数密切相关。塑性区被认为是施工扰动比较严重的区域,为分析盾构施工扰动范围,基于小孔扩张理论研究了注浆压力、注浆量对土体扰动塑性区的影响,推导了塑性区与注浆压力和注浆量之间的函数关系。在定义扰动评价标准基础上,提出应用有限元计算盾构施工塑性区和扰动范围的一种简捷实用的数值方法。最后采用静力触探现场测试盾构施工扰动范围,并与理论公式及有限元方法进行比较,理论公式、有限元及现场测试三者取得了较为一致的结果,验证了推荐方法的有效性。其研究结果可对盾构施工注浆参数的正确选择提供理论支持。     

水平旋喷桩施工引起周围土体变形分析

水平旋喷桩施工期间,大量高压流体注入土层,引起土层内部产生较大的膨胀作用,致使周围一定区域的土体发生变形。水平旋喷桩施工引起土体变形可以归结为压力膨胀和体积膨胀共同作用的问题。依托单根水平旋喷桩施工的现场实例,建立了水平旋喷桩施工引起土体变形的数值模型。将水平旋喷桩施工引起的土体变形问题简化为圆孔的膨胀问题,可以统筹考虑注浆压力和注浆流量的影响。首先需要确定注浆压力的影响半径和注浆流量引起的体积膨胀比,然后可以通过数值模型计算膨胀引起的土体变形。数值分析结果与现场实测值的对比表明,当注浆压力影响半径为成桩半径的6倍时,数值计算结果与现场实测值吻合较好。     

考虑中主应力时土体劈裂灌浆力学机制的大变形分析

在塑性力学和大变形理论的基础上分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机制,将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为两个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在塑性区中服从大变形假设。假设初始劈裂灌浆压力是圆孔扩张到极限时极限扩孔压力;当土体在灌浆压力作用下,大小主应力正好换位时,则出现劈裂时的灌浆压力就为二次劈裂灌浆压力值,推导出塑性区半径、劈裂灌浆的竖向劈裂灌浆和水平向劈裂灌浆压力的理论解答,同时也获得了弹塑性区中的应力场分布规律。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。     

基于流体体积法的劈裂注浆有限元分析

劈裂注浆作为一种有效的土体加固方法,其理论研究落后于工程实践。提出了基于弥散裂缝模型和流体体积法的劈裂注浆有限元分析方法,并通过ABAQUS二次开发编写劈裂注浆有限元程序。数值分析结果能与室内试验较好吻合,验证了有限元算法的合理性。在此基础上研究了注浆孔埋深和注浆流量对劈裂浆脉形状的影响。结果表明,劈裂注浆过程可分为起劈和劈裂发展两个阶段。当劈裂浆脉扩展到模型边界后,继续注浆会引起注浆压力的大幅提高和已有浆脉宽度的增加。随着注浆孔埋深的增加,浆脉分支减少,长度减小,宽度增加,劈裂浆脉形状的主要控制因素从土体参数的随机性变成大小主应力值的差异。注浆量一定的情况下,注浆速率越大,劈裂浆脉长度越短,宽度越大,注浆终压也越大。研究为劈裂注浆的工程应用提供理论支撑。     

High pressure jet-grouting column installation effect in soft soil: Theoretical model and field application

This paper presents a theoretical model for investigating the installation effect of high pressure jet grouting column in soft clay. The model is formulated by assuming the installation process as a series of pressure-controlled spherical cavity expansion in semi-infinite soil, of which the approximate solutions are derived by combining use of two fundamental solutions of spherical cavity expansion in finite spherical symmetry soil and displacement-controlled spherical cavity expansion in semi-infinite soil. The approximate solutions are then validated by comparing the predictions with FEM results as well as published results. The comparison results show that the presented approximate solutions are suitable for the problem of pressure-controlled spherical cavity expansion in semi-infinite soil, particularly in evaluating the limit expansion pressure as well as the expansion pressure-ground surface displacement relation. Subsequently, the proposed approximately solutions are applied to interpret the limit injection pressure and the grouting pressure-ground surface displacement during the installation process of HPJ-GC. Some parametric studies are also conducted. Furthermore, an instrumented field test study of HPJ-GC is conducted in the thick soft soils comprising quaternary alluvial and marine deposits of the Lianyungang-Yancheng Highway located in Jiangsu Province, China. The measured ground heave is compared with the analytical predictions using the proposed theoretical model. Reasonable agreement is achieved.     

土体劈裂灌浆力学机理分析

为了在塑性力学和大变形理论的基础上分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机理,将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为3个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在软化区和流动区中土体服从大变形假设。根据应力平衡方程以及应力和应变连续的边界条件,推导出劈裂灌浆初始阶段的最终扩孔压力和最终扩孔半径的理论解答。同时,还分析了灌浆压力、最终扩孔半径、土体的泊松比和大变形以及压缩模量之间的相互关系。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。