高速鐵路黃土路基注漿擴散范圍模型試驗研究

孫軼軒 于佳琪 令狐勇生 何海宏 程素明

1.中交水運規劃設計院有限公司， 北京 100101； 2.西南交通大學 土木工程學院， 成都 610031；3.中國鐵路太原局集團有限公司 工務處， 太原 030013； 4.大秦鐵路股份有限公司 太原高鐵工務段， 太原 030031；5.中鐵三局集團有限公司 成都分公司， 成都 610031

中國黃土分布面積約為64 萬km2，占國土面積的6%左右。在黃土地區修筑高速鐵路路基時，往往是由多孔、結構松散、不具層理、垂直節理發育等特征的黃土在經過多種改良方式處理之后進行填筑。這也導致在運營后地基、路基產生了不可控的工后沉降，嚴重影響了高速鐵路的正常運營［1］。注漿加固技術作為處理路基沉降問題的有效手段已經被廣泛研究與應用［2-4］。張駿等［5］通過實際工程對軟土路基的注漿效果展開研究，并對注漿材料的參數進行了設計。徐炳輝等［6］運用有限元模擬軟件對路基的加固效果進行研究。李杰［7］對運營階段的高速鐵路無砟軌道路基的注漿抬升技術展開了研究，分析了高聚物注漿材料的工程性能。郭樂等［8］通過不同的注漿方式對長江三角地區運營高速鐵路路基的抬升規律展開研究。趙威［9］對淺覆蓋型巖溶路基的注漿策略進行了優化，并對整治結果進行了評價，有效減少了由于盲目注漿所帶來的浪費。張志超等［10］通過袖閥管注漿技術對咸陽西貨場專用線開展了整治與加固，研究得到的施工參數可為后續工程提供指導。

綜上，現有的注漿加固技術主要適用于軟土地區，而對濕陷性黃土區路基注漿的研究較少，滿足不了實際工程的需求。太原鐵路局管段內存在大量的濕陷性黃土路基，路基沉降現象明顯?；诖?，本文依托大西高速鐵路典型黃土路基工點，通過室內試驗研究漿液在黃土中的擴散特征，并對注漿加固前后的力學特征進行研究，為黃土路基注漿抬升技術的研究提供參考。

1 工程概況

大西高速鐵路是京昆高速鐵路的重要組成部分，北端由大同市出發，經朔州等市跨越黃河進入到陜西省西安市，全線線路橫跨山西南北，總長度為853 km，軌道形式為無砟軌道［11］。沿線地勢自東北向西南逐漸降低，河谷縱橫，主要地貌形態有黃土臺地、丘陵、盆地、沖洪積平原等［12］。大西高速鐵路穿越了大量的黃土地區，包括地質災害頻發的汾渭盆地，是一條繼鄭西高速鐵路之后又一條典型的黃土地區高速鐵路。

造成大西高速鐵路軌面沉降及高低不平順的主要原因是黃土地基產生的不均勻沉降、路堤填筑后的不均勻沉降、開裂與翻漿冒泥等病害。對于上述的黃土路基沉降等病害，采用注漿技術進行加固處理可以解決控制軌面沉降及高低不平順等問題。

2 注漿抬升技術

與其他路基病害整治方法相比，運用注漿加固技術時不會對路基造成破壞，土方施工工作量較小，在列車運營期間也可以施工，并且工程費用相對較低，施工速度相對較快。運用注漿技術對高鐵路基起到的作用主要有以下四點：①滲入、劈裂和壓密作用；②骨架作用；③防滲堵漏作用；④土質改性作用。

常用的鐵路路基注漿技術有鋼花管注漿加固技術、袖閥管注漿加固技術、注漿加固抬升一體化技術等。

袖閥管是一種單向閉合的注漿設備，漿液只能向管外流，而不能再返回管內［13］。在注漿時，注漿泵首先對漿液進行加壓，漿液在受到壓力作用后會通過連通管進入注漿管。當注漿壓力增大到一定程度時，漿液便會產生初始的劈裂流動。此時由于吃漿量大于供漿量，因此導致壓力恢復到平衡狀態。在此之后，由于持續壓力的作用被漿液劈裂的裂縫不斷向外延伸，逐漸在土體中形成條脈片狀固結體，以此達到加固地層的目的。

鋼花管注漿加固技術是將注漿鋼花管通過鉆孔打入路基內部，然后對漿液施加一定的壓力，讓其能夠通過預設在鋼花管上的小孔較均勻地進入地層［14］。注入的漿液能夠以填充、滲透和擠密等方式排出土體裂隙中的水分和空氣，起到滲入、劈裂和壓密作用。這就類似于加筋土的作用，可以增強原有路基在多種荷載作用下的穩定性能與土體強度。此外，工藝較為簡單，實施起來比較方便。

注漿加固抬升一體化技術是同時運用多種技術，包含對土體的加固、填充、擠密等步驟。當填充的漿液達到一定程度時土體被漿液填充密實，此時若繼續施加壓力則漿液的進入模式變為以擠密為主。同時，由于擠密效果的影響對土體產生了抬升作用力，當該抬升作用力逐漸增大到一定程度時，既有線路會被抬升起來。

太原鐵路局管段內存在大量的黃土路基，其濕陷性黃土力學性能極為復雜，注漿所需的關鍵技術參數往往基于設計、施工人員的現場經驗獲得。本文基于鋼花管注漿加固技術開展室內模型試驗，研究漿液在黃土內部的擴散特征。

3 注漿模型試驗

在對原狀黃土進行含水率測試、篩分試驗與直剪試驗的基礎上，通過自行設計研制的注漿設備開展室內注漿試驗，分析漿液在黃土路基中的擴散機制，揭示注漿前后不同類型黃土注漿體強度變化特征。

3.1 注漿試驗設備

注漿試驗設備見圖1。注漿箱體尺寸為1.2 m ×1.2 m × 1.2 m，四周和頂底部均采用透明塑料玻璃板組成完整的注漿箱體，并在其頂面上開一個直徑60 mm的圓孔，以備后續插入注漿孔，還需保證箱體的頂面可拆卸，以用于填土、卸土。

圖1 注漿試驗設備

3.2 試驗步驟

在試驗開始前，首先需要對本次試驗所選用的黃土的顆粒級配進行測取，根據試驗結果得出不均勻系數Cu= 6.45，曲率系數Cc= 1.28。Cu＞ 5、1 ＜Cc＜ 3 說明此次所選用的黃土為級配良好的土體。試驗模型箱的容積為1.728 m3，填筑的土體大致需要1.7 m3。采用分層填筑，每一層厚30 cm，并通過人工夯實的方式進行分層壓實，以防止土體過于松散導致漿液的擴散與實際相差較大，影響最終結果，如圖2（a）所示。注漿管在一開始就固定在模型箱的中間，待填土完成之后，須將注漿管進行固定，防止在注漿壓力較大的情況下左右晃動，如圖2（b）所示。

圖2 黃土體的填筑過程

3.3 試驗工況

試驗采用的注漿材料為純水泥漿液，水灰比0.6∶1?？紤]到模型箱的尺寸，每次注漿量都相同，每次總流量為0.1 m3。

為研究不同注漿壓力漿液在土體內部的擴散半徑，試驗分為5組，注漿壓力分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 MPa。

4 試驗結果分析

4.1 擴散半徑

本次試驗所使用的注漿管為1 排6 孔模式，即單排孔漿液劈裂模式［15］。根據試驗結果得到5種注漿壓力下的劈裂范圍，見圖3。

圖3 不同注漿壓力下漿液在土體中的劈裂支脈

由圖3可知：當注漿壓力較小時，漿液的擴散范圍也比較小，并且未出現劈裂現象；當注漿壓力增加到0.3 MPa 時，擴散末端已出現了劈裂現象；注漿壓力達到0.5 MPa時，劈裂長度明顯增加。

不同注漿壓力下漿液擴散范圍見表1?？芍簼{液在黃土體中的擴散范圍隨著注漿壓力的增加而逐漸增大。

表1 漿液擴散范圍

4.2 注漿前后強度

水泥漿液滲入黃土體后，土體抗剪強度隨之提升。對漿液與黃土混合體的抗剪強度進行測試，以研究注漿后強度的提升效果。

通過直剪試驗可以快速地獲取與混合體相關的強度。本次共進行了4 次加載試驗，砝碼質量分別為1.275、2.550、3.825、6.375 kg，即垂直應力分別為50、100、150、250 kPa。

4.2.1 未注漿黃土強度

填筑完成后，對未注漿黃土體進行了直剪試驗，結果見圖4?？芍弘S著垂直應力的增大，土體抗剪強度逐漸增加。在垂直應力為50、100、150、250 kPa 時，未注漿土體最大抗剪強度分別為159.236、215.853、311.394、371.55 kPa。

圖4 未注漿黃土體剪切位移-抗剪強度關系

由圖4 得到未注漿黃土體最大抗剪強度（τmax）與垂直應力（σ）的關系，見圖5?？芍何醋{黃土體的黏聚力為115.762 kPa，內摩擦角為47.26°。

圖5 未注漿土體τmax - σ關系

4.2.2 注漿后混合體強度

注漿完成后，對漿液與黃土混合體進行直剪試驗，得到混合體剪切位移-抗剪強度關系，見圖6?？芍弘S著垂直應力的增大，土體的抗剪強度逐漸增加。在垂直應力為50、100、150、250 kPa時，混合體的最大抗剪強度分別為237.084、290.163、406.936、467.091 kPa。

圖6 混合體剪切位移-剪切力關系

由圖6 得到混合體最大抗剪強度（τmax）與垂直應力（σ）的關系，見圖7?？傻茫夯旌象w的黏聚力為186.837 kPa，內摩擦角為49.93°。

圖7 混合體τmax - σ關系

對原狀黃土和混合體的強度進行對比分析，可以發現原狀黃土的強度明顯提升。

1）垂直應力為50 kPa 時，土體抗剪強度提升值為237.084 - 159.236 = 77.848 kPa，強度提升約49%。

2）垂直應力為100 kPa 時，土體抗剪強度提升值為290.163 - 215.853 = 74.31 kPa，強度提升約34%。

3）垂直應力為150 kPa 時，土體抗剪強度提升值為406.936-311.394 = 95.542 kPa，強度提升約31%。

4）垂直應力為250 kPa 時，土體抗剪強度提升值為467.091-371.55 = 95.541 kPa，強度提升約26%。

5 結論

本文對目前常用的三種注漿技術展開了研究，采用鋼花管注漿技術開展室內模型試驗，分析了漿液在黃土體中的擴散規律，并對注漿后土體強度的提升展開了研究。主要結論如下：

1）漿液在黃土體中的擴散范圍隨著注漿壓力的增大而逐漸增大。

2）當注漿壓力較小時未出現劈裂現象，當注漿壓力增加到0.3 MPa 時出現了劈裂現象，且劈裂范圍隨著注漿壓力的增大而增大。

3）原狀黃土體的黏聚力為115.762 kPa，內摩擦角為47.26°，而注漿后土體黏聚力為186.837 kPa，內摩擦角為49.93°，且在50～250 kPa 垂直應力的作用下抗剪強度至少提升了25%以上，注漿后強度提升效果明顯。