CN108914911A - 一种地层预加应力超前开挖稳定性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地层预加应力超前开挖稳定性控制方法，确定地层的物理参数以及确定钻孔深度和半径；分析不同注浆纺织袋长度所对应的岩土体位移场的分布情况，确定纺织袋的长度；确定特定地层条件下的注浆压力；分析不同钻孔间距下的岩土体最大水平位移，确定合理的钻孔间距；依据获得的钻孔间距和钻孔深度进行钻孔；将加工好的包覆有纺织袋的注浆管下放入钻孔中，下放过程中应注意纺织袋的完整性，避免因刮破等原因造成漏浆跑浆；施加水平应力：通过纺织袋注浆管同时向多个纺织袋中注入双液浆，撑起纺织袋，纺织袋撑起工序应同时进行，在纺织袋周围形成预加地应力，地层被挤压后密实度增加；注浆加固。

Description

一种地层预加应力超前开挖稳定性控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于软弱、富水地层的加固技术，特别是涉及一种适用于软弱、富水地层的地层预加应力超前开挖稳定性控制方法。

背景技术

城市轨道交通工程修建过程中，经常穿越富水软弱破碎带，在工程扰动与地下水作用下基坑涌水问题频发。基坑底部涌水区域主要分布杂填土及粉质粘土，止浆岩帽强度不足、岩土体软弱且密实度较低，缺少安全稳定的止浆体，注浆过程中注浆管与地层间缝隙易发生跑浆，浆液无法有效注入治理区域地层；钻孔过程中极易发生塌孔和卡钻事故，不适宜施作长距离钻孔，上述问题导致浆液扩散不均匀，目标地层加固效果差，为控制浆液扩散范围，提高注浆加固效果，需要采用地层预加应力控制注浆方法进行注浆加固。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于软弱、富水地层的预加应力控制注浆方法，该技术采用纺织土工布和双液浆材在目标加固区域上方注浆管外壁形成稳定桩体，同时挤密周围地层，大幅度提高桩体外侧地层密实度及抗剪强度、抗渗性等性能，形成安全稳定的止浆体，有效隔绝注浆过程中的垂直劈裂通道，减少浆液上返以及无序扩散，极大提高目标加固区域内的浆液留存率，提高注浆加固效果，确保浆液有效注入治理区域地层，具有地层适应性强、施工效率高、使用范围广，加固效果好等优点。

本发明具体技术方案如下：

一种地层预加应力超前开挖稳定性控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据地层结构，结合地勘资料及室内试验，确定地层的物理参数以及确定钻孔深度和半径，其中地层的物理参数包括粘聚力、泊松比、弹性模量；；

步骤2：依据步骤1中确定的地层物理参数，建立有限元分析模型；分析不同注浆纺织袋长度所对应的岩土体位移场的分布情况，确定纺织袋的长度；

步骤3：依据步骤1中确定的地层物理参数以及步骤2中确定的纺织袋的长度，建立有限元分析模型；分析不同注浆压力下的岩土体最大水平位移，确定特定地层条件下的注浆压力；

步骤4：依据步骤1中确定的地层物理参数、依据步骤3中确定的注浆压力以及步骤2中确定的纺织袋的长度，建立有限元分析模型；分析不同钻孔间距下的岩土体最大水平位移，确定合理的钻孔间距；

步骤5：依据步骤1-4获得的钻孔间距和钻孔深度进行钻孔；将加工好的包覆有纺织袋的注浆管下放入钻孔中；

步骤6施加水平应力：通过纺织袋注浆管同时向多个纺织袋中注入双液浆，撑起纺织袋，纺织袋撑起工序应同时进行，在纺织袋周围形成预加地应力，地层被挤压后密实度增加；

步骤7注浆加固：地层施加预应力被挤密压实后，在地层注浆管内进行注浆加固，形成注浆加固区。

进一步的，步骤1中所述的钻孔深度小于待加固地层50cm左右。

进一步的，步骤1中所述的钻孔半径结合经验值和钻机的型号进行确认。

进一步的，所述的纺织袋在下放过程中应注意纺织袋的完整性，避免因刮破等原因造成漏浆跑浆。

进一步的，所述的注浆加固层位于挤密区的方向。

进一步的，不同的地层结构对应的纺织袋的长度、注浆压力和钻孔间距不同。

进一步的，位于纺织袋下方的注浆管段上设有出浆孔。

本发明通过在注浆管外套一条直径40～60cm的纺织袋，随同注浆管放入注浆孔内，然后利用压力将浆液经注浆管注入布袋中，随着浆液的不断注入，纺织袋在地基中逐渐打开，从而形成一条直径与布袋直径相当的桩体。通过理论计算、数值分析及现场实测方法确定纺织袋及注浆参数，实现目标区域的有效加固。

与现有技术相比，本发明的优势体现在：

(1)地基承载力大幅提高。纺织袋膨胀后自身有较高的强度，同时其挤密作用可使地基土抗剪强度明显提高，因此，可大幅提高地基承载力。

(2)施工质量易保证、施工效率高。预加应力控制注浆中浆液扩散范围易控制，基本不会发生冒浆、串浆等现象，在减少浆液损失的同时还可提高施工效率。

(3)适应性强。根据已有的工程实例，纺织袋注浆技术可应用于淤泥质土、黏性土、粉砂土和人工填土等多种土性的地基加固处理，还可针对地层分布情况进行特定深度范围内的分段注浆加固处理。

(4)适用范围广。由于注浆材料密闭在纺织袋内，可以凝固形成规则且强度较高的桩体，可应用于地下空洞填补、防水止漏和地基加固等多个类型地基处理工程，尤其适用于地基加固处理。

(5)群孔注浆一方面可以有效保证土体挤密效果，另一方面可缩短施工工期，提高项目经济效益。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为地层预加应力控制注浆的示意图；

图2为本发明建立的有限元模型示意图；

图中：1、预加地应力；2、纺织袋；3、注浆管；4、挤密区；5、注浆加固区；6纺织袋注浆管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术部分所描述的，城市轨道交通工程修建过程中，经常穿越富水软弱破碎带，在工程扰动与地下水作用下基坑涌水问题频发。基坑底部涌水区域主要分布杂填土及粉质粘土，止浆岩帽强度不足、岩土体软弱且密实度较低，缺少安全稳定的止浆体，注浆过程中注浆管与地层间缝隙易发生跑浆，浆液无法有效注入治理区域地层；钻孔过程中极易发生塌孔和卡钻事故，不适宜施作长距离钻孔，上述问题导致浆液扩散不均匀，目标地层加固效果差，为控制浆液扩散范围，提高注浆加固效果，需要采用地层预加应力控制注浆方法进行注浆加固。

本发明提供了一种适用于软弱、富水地层的预加应力控制注浆方法，该技术采用纺织土工布和双液浆材在目标加固区域上方注浆管外壁形成稳定桩体，同时挤密周围地层，大幅度提高桩体外侧地层密实度及抗剪强度、抗渗性等性能，形成安全稳定的止浆体，有效隔绝注浆过程中的垂直劈裂通道，减少浆液上返以及无序扩散，极大提高目标加固区域内的浆液留存率，提高注浆加固效果，确保浆液有效注入治理区域地层，具有地层适应性强、施工效率高、使用范围广，加固效果好等优点。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，具体如下：

步骤1：根据地层结构，结合地勘资料及室内试验，确定地层的物理参数以及确定钻孔深度和半径，其中地层的物理参数包括粘聚力、泊松比、弹性模量；；

步骤2：依据步骤1中确定的地层物理参数，建立有限元分析模型；分析不同注浆纺织袋长度所对应的岩土体位移场的分布情况，确定纺织袋的长度；

步骤3：依据步骤1中确定的地层物理参数以及步骤2中确定的纺织袋的长度，建立有限元分析模型；分析不同注浆压力下的岩土体最大水平位移，确定特定地层条件下的注浆压力；

步骤4：依据步骤1中确定的地层物理参数、依据步骤3中确定的注浆压力以及步骤2中确定的纺织袋的长度，建立有限元分析模型；分析不同钻孔间距下的岩土体最大水平位移，确定合理的钻孔间距；

步骤5：依据步骤1-4获得的钻孔间距和钻孔深度进行钻孔；将加工好的包覆有纺织袋的注浆管下放入钻孔中，下放过程中应注意纺织袋的完整性，避免因刮破等原因造成漏浆跑浆；

步骤6施加水平应力：通过纺织袋注浆管同时向多个纺织袋中注入双液浆，撑起纺织袋，纺织袋撑起工序应同时进行，在纺织袋周围形成预加地应力，地层被挤压后密实度增加；

步骤7注浆加固：地层施加预应力被挤密压实后，在地层注浆管内进行注浆加固，形成注浆加固区。

下面以某一地层结构为例，进行说明。

1.以某地铁车站为例，结合该车站的地勘资料及室内试验，确定地层的物理参数包括粘聚力、泊松比、弹性模量等，以此为依据建立有限元分析模型；如图1所示；其中地层的物理参数如下：

表1力学参数表

且依据该地层结构，确定钻孔直径选择108mm，钻孔的深度14m，纺织袋深度7-10m。

2.依据步骤1确定的参数，分析不同注浆纺织袋长度所对应的岩土体位移场、的分布情况。本发明分别取纺织袋的长度分别选取2m、2.5m、3m、4m。分别计算同一钻孔相同注浆压力及注浆量条件下的岩土体位移变化。

以此为依据建立有限元分析模型，计算分析不同纺织袋长度下的岩土体的位移场变化。计算结果见表2.

表2最大水平位移计算结果

岩土体水平位移越大，表明土体挤压效果越好，计算表明：岩土体最大水平位移随纺织袋长度增加不断增大，但当纺织袋长度为4m时，增大的幅度有所减低，因此在该类地层条件下，选用3m纺织袋长度即可。

3.注浆压力

注浆压力大小决定纺织袋的膨胀体积大小，不同注浆压力对地层加固效果有重要作用。根据所选地层参数、纺织袋长度等参数建立有限元分析模型，分析不同注浆压力下的岩土体最大水平位移，确定特定地层条件下的注浆压力。模型分别选取注浆终压1MPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa进行计算分析。计算结果见表3所示：

表3最大水平位移计算结果

计算结果表明：在一定注浆压力范围内，压力越大，岩土体产生的水平位移越大，但当压力达到一定数值后再增加，水平位移会降低。这是考虑土体物理力学参数空间分布不均匀性的结果。沿垂直方向，土体的位移变化曲线在纺织袋长度范围内近似呈抛物线形。在纺织袋中部位置附近，土体所产生的位移变化最大，且位移量向上下两侧迅速减小。在纺织袋上下两端的位置，位移变化趋势逐渐变得缓和。距离注浆纺织袋越近，土体位移变化受纺织袋扩张的影响更大，但影响范围也越集中。即，在纺织袋中心这一水平位置上所产生的土体位移更大，但位移曲线向上下两侧的衰减速率也越快。注浆压力在一定范围内时，岩土体压密过程缓慢进行，可保证其充分压密，但注浆压力过大会破坏岩土体的力学性能，土体原有的力学平衡被打破，产生塑性破坏，因此针对此类地层，设定注浆压力为2MPa。

(3)钻孔间距

钻孔间距也是影响加固效果的重要因素。间距过小导致纺织袋不能完全膨胀，相互挤压造成破坏，间距过大会影响纺织袋地层挤密效果，因此需要设计合理的钻孔间距，保证纺织袋完全膨胀的前提下达到挤密地层的效果。同样采用有限元分析软件，分析不同钻孔间距条件下的最大水平位移来确定合理的钻孔间距，计算钻孔间距分别取2m、2.5m、3m、3.5m。计算结果见表4。

表4最大水平位移计算结果

计算结果表明：钻孔间距为3m时岩土体的水平位移最大，此时地层挤密效果最好，间距过小会导致纺织袋无法完全膨胀，影响土体挤压效果，间距过大，浆液极易对土体产生劈裂作用，进而向地表流出。因此此类地层设计钻孔间距为3m。

对挤土效应进行分析，预加应力控制注浆对岩土体力学性质改善作用可分为如下几个方面：

1)纺织袋注浆过程中，水泥浆液在注浆压力的作用下隔着布袋挤开土体，当布袋完全打开后，形成一条自下而上的水泥桩，可起到类似复合地基中桩体的作用；

2)在纺织袋与岩土体的交界面处，通过侧向摩擦力与咬合力将部分荷载转移给纺织袋水泥柱承担。土体被水泥浆液挤开时，产生超孔隙水压力，随着超孔隙水的排出，布袋接触面的土体逐渐密实，两者之间的摩擦力亦逐渐增大；

3)挤密作用。布袋内水泥浆液挤压土体时，布袋周围土体受到较大的水平推挤力并产生超孔隙水压力，布袋周围土体逐渐密实，从而减少土体的含水量，提高土体强度。

通过对纺织袋进行注浆，会使纺织袋周围的土体变得密实，其应力场发生明显的变化。沿水平方向的土体应力大幅度提高，从而提高了土体的抗劈裂强度，从而将浆液扩散限定在纺织袋以下的区域内，防止浆液扩散至地表。

在纺织袋的约束作用下，浆液可全部被限制在设计范围内，避免串浆、冒浆、跑浆现象，因此具有较高的施工效率。纺织袋注浆过程中，在注浆压力的作用下浆液逐渐将纺织袋填充使纺织袋体积产生膨胀，同时挤压周围岩土体。因此，在纺织袋膨胀过程中岩土体发生一定的侧向变形，同时地表产生一定程度的隆起。由于岩土体被压缩，其密实程度提高，原有的地应力场也产生了相应的变化。从力学特性的角度来看，可以将岩土体视为散体结构，因此在法向应力增加的情况下，岩土体的抗剪强度会得到大幅度的提高，从而能够承受更大的压力，防止注浆过程中地表隆起，以及跑浆串浆的发生。

(4)现场施工，具体的如图1所示：

成孔：依据计算结果布置钻孔，间距3m，开孔直径Φ108mm，钻孔深度如图1所示。确定钻孔布置、钻孔参数(钻孔深度、钻孔直径)、注浆终压为2MPa。

制作：制作纺织袋2，长度为3m。

施加水平应力：注浆管3与纺织袋一并固定于钻孔内，将双液浆经纺织袋注浆管6注入纺织袋2中，撑起纺织袋2，纺织袋2撑起工序应同时进行，在纺织袋周围形成预加地应力，地层被挤压后密实度增加，形成了挤密区4。

注浆加固：地层施加预应力被挤密压实后，在注浆管3内进行注浆加固，形成注浆加固区5。

与现有技术相比，本发明的优势体现在：

1)地基承载力大幅提高。纺织袋膨胀后自身有较高的强度，同时其挤密作用可使地基土抗剪强度明显提高，因此，可大幅提高地基承载力。

2)施工质量易保证、施工效率高。预加应力控制注浆中浆液扩散范围易控制，基本不会发生冒浆、串浆等现象，在减少浆液损失的同时还可提高施工效率。

3)适应性强。根据已有的工程实例，纺织袋注浆技术可应用于淤泥质土、黏性土、粉砂土和人工填土等多种土性的地基加固处理，还可针对地层分布情况进行特定深度范围内的分段注浆加固处理。

4)适用范围广。由于注浆材料密闭在纺织袋内，可以凝固形成规则且强度较高的桩体，可应用于地下空洞填补、防水止漏和地基加固等多个类型地基处理工程，尤其适用于地基加固处理。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种地层预加应力超前开挖稳定性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据地层结构，结合地勘资料及室内试验，确定地层的物理参数以及确定钻孔深度和半径；

步骤2：依据步骤1中确定的地层物理参数，建立有限元分析模型；分析不同注浆纺织袋长度所对应的岩土体位移场的分布情况，确定纺织袋的长度；

步骤3：依据步骤1中确定的地层物理参数以及步骤2中确定的纺织袋的长度，建立有限元分析模型；分析不同注浆压力下的岩土体最大水平位移，确定特定地层条件下的注浆压力；

步骤4：依据步骤1中确定的地层物理参数、依据步骤3中确定的注浆压力以及步骤2中确定的纺织袋的长度，建立有限元分析模型；分析不同钻孔间距下的岩土体最大水平位移，确定合理的钻孔间距；

步骤5：依据步骤1-4获得的钻孔间距和钻孔深度进行钻孔；将加工好的包覆有纺织袋的注浆管下放入钻孔中；

步骤6施加水平应力：通过纺织袋注浆管同时向多个纺织袋中注入双液浆，撑起纺织袋，纺织袋撑起工序应同时进行，在纺织袋周围形成预加地应力，地层被挤压后密实度增加，形成挤密区；

步骤7注浆加固：地层施加预应力被挤密压实后，在地层注浆管内进行注浆加固，形成注浆加固区。

2.如权利要求1所述的一种地层预加应力超前开挖稳定性控制方法，其特征在于，步骤1中所述的钻孔深度小于待加固地层50cm左右。

3.如权利要求1所述的一种地层预加应力超前开挖稳定性控制方法，其特征在于，步骤1中所述的钻孔半径结合经验值和钻机的型号进行确认。

4.如权利要求1所述的一种地层预加应力超前开挖稳定性控制方法，其特征在于，所述的步骤5中，纺织袋在下放过程中应注意纺织袋的完整性，避免因刮破等原因造成漏浆跑浆。

5.如权利要求1所述的一种地层预加应力超前开挖稳定性控制方法，其特征在于，所述的注浆加固层位于挤密区的方向。

6.如权利要求1所述的一种地层预加应力超前开挖稳定性控制方法，其特征在于，不同的地层结构对应的纺织袋的长度、注浆压力和钻孔间距不同。

7.如权利要求1所述的一种地层预加应力超前开挖稳定性控制方法，其特征在于，位于纺织袋下方的注浆管段上设有出浆孔。