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浅层压力注浆法加固风化岩质边坡及加固效果分析

刘  润1 ,闫  玥1 ,闫澍旺1 ,罗  强2 ,龙万学2 ,周  勇2 


(1.天津大学建筑工程学院,天津 300072;2.贵州省交通规划勘察设计研究院,贵阳550001) 

  摘 要 :阐述 了采用浅层压力注浆法加固强风化岩质边坡和岩堆的成功工程实例,借助弹塑性有Fg-元分析方法,研究了岩质边坡 实施浅层压力注浆后,边坡中的位移场变化、边坡的安全系数、岩土体强度参数的增长程度以及压力注浆法取得显著加固效果的原因.分析结果表明,经注浆加固后边坡表层岩土体的力学性质得到了明显改善,同时改变了边坡失稳时潜在滑动面的位置,提高了边坡稳定的安全 系数 ;经注浆加固后岩土体的强度指标明显增长. 
  关键词 :边坡加固;压力注浆;渐进破坏;强度参数;有限元法 
  中图分类号:TU457  文献标志码:A  文章编号:0493-2137(2006)05-0532-05 

Effective Analysis on Applying Grouting Method to Stabilize Weathered Rock Slope 
LIU Run1,YAN Yue1,YAN Shu-wang1,LUO Qiang2,LONG Wan-xue2,ZHOU Yong2 
(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 
2.Guizhou Province Communication Programming Investigating and Design Research Institute,Guiyang 550001,China) 
Abstract: Applying grouting method to strengthening weathered rock slopes and rock piles can greatly reduce the earthwork of excavation and efficiently prevent the environment from being destroyed.Since the original slope surface have been reserved,it is unnecessary to construct conventional carved rock—slice on the slope and it is easy to take some measurements to recovery and develop the ecological environment.Two successful slope reinforcement projects with grouting method have been finished and depicted in this paper.One is heavily weathered rock slope and the other is rock pile.Based on the engineering practice,an elasto-plastic finite ele-ment program has been applied to study the soil behavior before and after grouting,the change of safety factor,the displacement field distribution and the mechanism of slope reinforcement.The analytical results show that the strength of the soil increases after grouting.The position of the possible sliding surface is changed and the safety factor of the slope stabilization is improved because of the increment of the upper soil strengthen.As a resuit,the grouting method Can improve the strength of the soil and prevent the slope from sliding effectively. 
Keywords:slope reinforcement;compressive grouting;progressive failure;strength parameter;finite element method

  我国西部地区多为山岭重丘,地质条件极为复杂,建设中遇到大量的边坡稳定问题,经常发生大面积滑坡,造成道路堵塞和人员伤亡等工程事故。常用的清方减载等措施,容易破坏原始的地形地貌,造成水土流失,对环境保护极为不利.注浆法是用液压或气压把能凝固的浆液注入物体的裂缝或孔隙,旨在改善注浆对象的物理性质,以适应各类岩土工程的需要[1-3] ,采用注浆法加固边坡,可以减少边坡的开挖量和对环境的破坏,经注浆法治理后的边坡,坡面无需再进行传统的浆砌片石等防护,可保留原始坡表,从而易于进行生态建设和恢复,起到保护环境的作用。
  笔者通过两个成功的工程实例,采用弹塑性有限元分析方法,研究了强风化岩质边坡和岩堆实施表层压力注浆后,被注浆的岩土体强度参数的增长规律以及该方法的加固机理。 
1  压力注浆法的工程应用 
1.1 加固强风化岩质边坡 
1.1.1 工程概况 
  边坡 I全长135 m,为单斜地貌,地表原始横坡平均约为26°,路基及边坡岩石为全、强风化破碎玄武岩地层,呈松散碎石土状.原设计按 1:0.7的路堑坡比清方,但施工中左边坡诱发滑坡,滑坡后缘最高处距路基高达 60 m.为了根治滑坡,设计采用注浆及抗滑桩完成滑坡的支挡防护. 
1.1.2 压力注浆设计 


  图1为注桨孔分布图,注浆孔梅花型等间距平均分布在边坡面上,钻孔孔径为φ50 mm,采用花管护壁注浆法施工,花管外径 φ33.5 mm,壁厚 3.25 mm,长度分为6 m和3m两种.由普通钢管加工制成,钢管前端加工成锥形,尾部焊接φ8 mm钢筋作为劲箍,管壁四周钻φ12 mm漏浆孔,花管全部伸入岩土中,垂直于坡面.浆液采用水泥-水玻璃双液,注浆压力为1.2 MPa.
1.1.3 加固效果分析 
  施工中坡面岩土体得到及时加固,边坡施工稳定性增强,未出现坍落等现象.边坡治理完成后,已经历1个雨季,坡体稳定.坡体经注浆后,坡比从 1:1.5提高至 1:1.15.表 1为 3个地质情况相同的滑坡治理效果的比较.由表 1可知注浆加固效果显著,表层岩土体注浆后整体性和稳定性得到提高.


 
  在边坡加固前后采用 S12地震仪,根据折射波法及直达波法测得注浆前后的波速分别为 l 000、1 469 m/s,说明纵波波速比注浆前提高了50%左右。
  清方坡面下部的 10 m坡面设计为浆砌片石护坡,未采用注浆防护,结果施工中整个路堑范围内未注浆的坡面整体下滑,而原物理力学指标更低的上坡面经过注浆加固而巍然不动.说明注浆对边坡稳定有很大的增强作用. 
1.2 加固岩堆 
1.2.1  工程概况 
  边坡Ⅱ为一岩堆,全长487 m,在路基段,岩堆厚约40 m,为块石、碎石和黏土堆积而成.经优化设计后,左幅路基在岩堆体内通过,需开挖形成边坡.原设计采用清方方案,清方坡比1:1.25,清方超过 30×10 4立方米,形成裸露边坡面积约 4×10 2 平方米,该方案清方数量巨大,土石方调运困难,开挖坡面难于防护,而且边坡按清方坡比无法与地面线相交.为了环境保护和整个山体的稳定,将原设计方案改为减少开挖量,采用综合治理方法,分两期治理岩堆.第 1期对路基及左右一定范围进行压力注浆;第2期待注浆结束后,进行边坡加固治理和防护. 
1.2.2 压力注浆设计 
  根据工程勘察资料和工程质量的要求,采用直接钻孔注浆法,注浆钻孔按水平面 5 m间距呈梅花型布 
置,见图 2.由于岩堆滑坡地段多属破碎块石,且为浅层滑坡,为安全起见,设计中采用注浆试验和理论计算相结合,确定最大注浆压力为 0.60 MPa,地表0 m至地表下5 m段注浆压力0.2 MPa.采用花管注浆,灌浆材料为粉煤灰水泥砂浆.

 


1.2.3 加固效果分析 
  注浆结束后,采用钻孔取芯检验加固效果.从岩芯上看出,岩堆体与浆液结合紧密,结石体强度较高,见图3.在注浆区域内开挖探槽 ,可以看到岩堆体的裂隙及空洞被浆液紧密填充.采用跨孔法检测加固效果,孔内放入三分量检波器,接收震源发出的地震波,采集岩堆体注浆前后的纵横波速,检测结果见表2.
表 2 注浆加固前后弹性波检测结果 



  表2中各参数对比表明,经过注浆处理后,岩堆体的物理力学性质有明显改善,各种物理指标都有较大提高.岩堆体变得致密,抗滑、抗 压能力提高,说明注浆效果明显。 
2 有限元分析 
2.1 分析方法概述 
  为深入研究表层压力注浆后,岩土体强度参数的增长程度以及该加固法效果显著的原因,采用 PLAXIS
程序对加固前后的边坡进行弹塑性有限元分析.分析中岩土体采用莫尔.库仑模型,注浆花管、锚索和抗滑桩采用弹性模型,接触面采用 Goodman单元,并结合工程实际考虑了注浆小花管的加筋作用、锚索的深层加固作用以及抗滑桩的作用等. 
  为了计算边坡稳定的安全系数,在有限元分析中通过不断降低岩土体强度指标的方法寻找潜在滑动面,并将开始发生滑动时的强度指标与原强度指标的比值作为边坡稳定的安全系数. 
2.2 边坡 I加固效果分析 


  图4为有限元分析模型的网格图,其中边坡的尺寸、坡度和土质等完全与实际工程相同,分 3种工况进行计算. 

 
  工况 1是边坡未经加固即开挖.图 5为有限元分析得到的位移等值线,图中轮廓线空白部分为按设计要求断面开挖的土方,由计算可知此时的位移很大,边坡发生失稳破坏,安全系数小于 1,图中滑弧位置位于边坡的表层,为浅层滑动. 
  工况2是对边坡进行表层注浆加固处理后开挖.图6为开挖到设计要求的断面时,整个边坡变形的有限分析结果,由计算可知此时边坡各部位的位移明显减小,安全系数为 1.36,边坡稳定.
  工况3为寻找加固后潜在滑动面的位置.图7为加固后最危险滑弧的位置,由图7可知,此时最危险滑弧的位置发生了变化,较加固前向岩层深处发展,计算得到的安全系数大幅度提高,由0.98提高到1.36.


  注浆加固法的作用机理在于,当滑坡的类型属于牵引式滑坡时,边坡的滑动具有明显的渐进破坏特性,即由浅入深逐步发展,压力注浆后表层岩土体的物理力学性质得到改善,有效地抑制了边坡浅层发生滑动破坏的可能,阻止了滑动初期的形成与发展,从而达到加固边坡的目的,因此该方法行之有效. 
2.3 边坡 Ⅱ加固效果分析 
  图8为边坡Ⅱ的有限元分析模型.该工程注浆导管长达 30 m,且在导管中插入钢筋,计算中考虑注浆导管和钢筋的加筋作用,采用土钉模拟这种加筋效果, 分两种工况进行计算. 


     工况 1是不加固直接开挖至设计断面.此时计算程序中断,表明边坡无法达到设计工况即发生失稳破坏. 
  工况 2是对边坡进行注浆加固后开挖至设计断面.计算得到的边坡变形情况如图9所示,其最大位移为 3.0 mm.可见实施浅层压力注浆加固后,有利地限制了边坡位移的发展,最危险滑弧的位置发生了变化.


2.4 有限元反分析
  为比较边坡加固前后表层岩土体的力学指标,借助有限元分析软件进行反分析.计算中假定边坡在加 
固前处于极限平衡状态,即安全系数为 1.0,由程序进行反分析得到加固前的力学指标;然后根据规范要求取加固后的安全系数为1.3,经试算得到加固后岩土体的力学指标.表 3给出了反分析的结果.



3 结 论 
  (1)工程实例表明,压力注浆法是加固边坡的有效方法之一.经注浆加固后边坡表层岩土体的力学性质得到明显改善,有利于边坡的稳定. 
  (2)工程实例和理论分析表明,对渐进性破坏的边坡,当潜在滑动面相对较浅、剩余下滑力不大时,适合采用浅层压力注浆加固法. 
  (3)有限元分析表明,压力注浆加固法改变了边坡失稳时潜在滑动面的位置,使边坡稳定的安全系数得到提高. 
  (4)反分析表明,经注浆加固后岩土体的强度指标明显增长. 

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