高铁软土路基注浆加固试验研究

高铁软土路基注浆加固试验研究

温国春

中国铁路南昌局集团有限公司永安工务段  永安 366000

摘要：本文以高铁软土路基沉降现状为研究背景，通过自主设计研制了压力-流速可调的高压多孔注浆试验装置，开展了不同注浆压力下浆液在软土体中的加固试验研究。在实验的过程中发现注浆浆液与软土体耦合作用会形成三个部分的固体，通过对注浆前后的软土体以及混合体的强度以及对抗剪强度的变化进行量化分析，发现水泥土体混合体的抗剪强度对比未注浆软土体在一定程度上有所提升。

关键词：高铁；软土路基；试验装置；抗剪强度；垂直应力

Experimental study on grouting reinforcement of soft soil subgrade of high-speed railway

Wen Guochun

（Yongan Works Section, China Railway Nanchang Bureau Group Co., LTD, Yongan 366000, China）

Abstract: In this paper, the settlement of soft soil subgrade of high-speed rail is taken as the research background, and a high pressure porous grouting test device with adjustable pressure and flow rate is designed and developed independently. The reinforcement test of grout in soft soil under different grouting pressures is carried out. In the process of the experiment, it is found that the coupling between the grouting slurry and the soft soil will form three parts of solid. Through the quantitative analysis of the strength of the soft soil and the mixture before and after grouting and the change of shear strength, it is found that the shear strength of the cement soil mixture is improved to a certain extent compared with the soft soil without grouting.

Keywords: High-speed rail; soft soil roadbed; test equipment; shear strength; vertical stress

0引言

截至2021年12月，我国高速铁路营业里程达到４万公里[1]。无砟轨道对工后沉降的要求更为严格，但是由于软土地质条件等各方面原因，我国分软土路基高速铁路在投入运营后，地基、路基产生了不可控的工后沉降，严重影响了高速铁路的正常运营。针对上述路基病害，国内外也已经积累了较丰富的经验,其中注浆加固技术是目前在既有线路基病害整治过程中应用最为广泛的技术之一。

目前针对注浆加固技术的主要研究方法有数值模拟、现场试验与模型试验。在数值模拟方面，雷金山等[2]运用相关有限元软件探究了饱和砂土的振动注浆过程中孔隙水压的分布规律；秦鹏飞[3]利用离散元计算模型并通过PFC2D软件对注浆过程进行了模拟分析；卢海峰等[4]通过试验和数值模拟揭示了注浆之后注浆加固体普遍存在缺陷。现场试验方面，徐毅青等[5]在在实际工程研究中建立了加固后的黏土动弹性模量衰减的数学模型；白明洲等[6]利用岩溶注浆技术对路基损伤其进行修复，并通过现场试验对雷达损伤探测技术进行评价。相比于现场试验，室内试验更为便捷。董红娟等[7]通过X射线衍射分析与单轴压缩试验研究了破碎岩块的破碎程度、注浆浆液的参数和注浆的压力对注浆加固体的影响规律；李召峰[8]等通过在浆液中加入赤泥-高炉矿渣-钢渣等三元体系材料之后的注浆加固体进行了分析；Mario[9]通过对软土地基的原位试验和室内试验，量化了水泥浆液的注浆效率。

综上所述，如何能够合理制定注浆加固方案和施工工艺、设置注浆参数等，是目前亟待解决的关键技术问题。基于此，本文通过开展室内试验，研究软土体在不同注浆压力下注浆前后的强度变化特征。

1模型试验

本试验通过自主设计研制压力-流速可调的高压多孔注浆试验装置，开展了不同注浆压力下浆液在软土中的扩散规律模型试验，在此基础上，探究注浆加固体前后软土体强度的变化规律。

注浆箱体尺寸为1.2m×1.2m×1.2m，共计体积为1.728m³，四周和上下顶部均采用透明塑料玻璃板组成完整的注浆箱体如图1所示。

图1注浆箱体示意图 图2注浆管设计图

图2是注浆管的设计图，外径为60mm，内径为54mm。注浆管全长为1300mm，在距注浆管底部100mm处开四排孔，作为钢花管的射浆孔。每一排距离均为100mm，且在圆管上等分开出六个直径为16mm的注浆孔。

本次试验的经过为：首先在试验箱体中填土不少于1.7m³并层层压实，后进行注浆。本次试验采用的注浆材料为纯水泥浆液，采用水灰比0.6:1的水泥浆液进行试验。

2试验结果分析

本研究中，分别对注浆前、后软土体和混合体进行了直剪试验研究，图3为试验组正在进行直剪试验。

图3实验组正在进行直剪试验

本次对未注浆土体的剪切试验为保证直剪试验的准确性，进行了3次试验，对其数据取平均值，并每次试验加载了4组不同的垂直压力，将12组的试验数据记录，求出其平均值进行剪切应力的计算。

直剪试验中，剪切位移Δ𝐿的计算应该按照下式进行：

式中，为剪切位移，单位为mm；n为手轮的转数；R为测力计读数，0.01mm；20为每转一圈，发生0.2mm 的剪切位移。

而其剪切应力𝜏可以按照下式来对其进行计算：

式中，C为量力环系数，单位为N/0.01mm，在本试验中，量力环系数为10N/0.01mm；R为测力计的读数；为试样断面积；10为单位换算。

根据以上两式计算出剪切位移和剪切力数据，并绘制出4组加载试验下的剪切力（kPa）-剪切位移（mm/0.01mm）之间的关系曲线以及作出图，如图4所示。

（a）                   （b）

图4 （a）剪切位移-剪切力关系图（b）未注浆土体关系图

图5直线纵坐标截距为内聚力c，其直线的倾角为内摩擦角𝜑。y=1.0114x+73.284，可以得出，未注浆土体的内聚力c=73.3kPa，内摩擦角𝜑=45.35°

在试验的过程中，发现注浆浆液在土体中的运动会与土体耦合作用形成产生明显的分界线，从而形成三个部分的固体。第一部分是混凝土，第二部分是土体，还有一部分，便是土体和水泥浆液相互渗透所形成的水泥浆液和土体混合体，其在水泥浆液凝固之后也会增强土体强度。如图5所示，便是水泥浆液在土体中经过土体之间的孔隙渗透形成的混合体。

图5从试验箱中挖出的凝固后的混合体

与上文未注浆土体抗剪强度研究步骤相同，得到水泥和土混合体剪切位移-剪切力关系图、图，如图6所示。

（a）                   （b）

图6 （a）剪切位移-剪切力关系图（b）水泥和土混合体关系图

从其拟合出的直线方程可知，水泥和土体混合体抗剪强度指标为：。

图7未注浆土体和混合土样图

从图7可以看出，水泥进入到试验土体中之后，其抗剪强度有着明显的提升。且在垂直压力越大的时候，抗剪强度增加得越明显。经过计算，垂直应力为50kPa时，强度提升约21.622%，垂直应力为100kPa时，强度提升约45.161%，垂直应力为150kPa时，强度提升约33.981%，垂直应力为200kPa时，强度提升约19.178%。可以得出，混合土样相比于未注浆土体的有着明显的提升，且在不同垂直压力的作用下，其提升的强度有着不同程度的显著提高。

3.结论

（1）注浆浆液在土体中的运动会与土体耦合作用形成产生明显的分界线，从而形成三个部分的固体；

（2）注浆过程中，浆液会和土体形成耦合作用，浆液在土体的孔隙中流动，形成水泥土体混合体，其抗剪强度对比注浆前的软土体在一定程度上有所提升。

参考文献

[1]中华人民共和国交通运输部.2021年铁道统计公报.[R].2021.12

[2]雷金山,阳军生,杨秀竹.饱和砂土振动注浆的有限元模拟[J].振动与冲击,2010,29(09):235-237+254.

[3]秦鹏飞.不良地质体注浆细观力学模拟研究[J].煤炭学报,2020,45(07):2646-2654.

[4]卢海峰,曹爱德,刘泉声,张晗,吴月秀,魏志超.含内缺陷注浆固结体力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2020,39(08):1560-1571.

[5]徐毅青,唐益群,任兴伟,王元东,叶桂明.地铁振动荷载作用下隧道周围加固软黏土动弹性模量试验[J].工程力学,2012,29(07):250-255+269.

[6]白明洲,谢晋水,张爱军,许兆义,王鹏程,王成亮.高速铁路路基工程岩溶注浆效果无损检测评估方法研究[J].铁道学报,2012,34(07):89-95.

[7]董红娟,张金山,姚贺瑜,辛亚军,董帅.不同参数大尺度注浆体试件力学特性与失稳机制[J].中国矿业大学学报,2021,50(01):79-89.

[8]李召峰,刘超,王川,张健,王衍升,高益凡.赤泥-高炉矿渣-钢渣三元体系注浆材料试验研究[J].工程科学与技术,2021,53(01):203-211.

[9]Mario Vicente Riccio Filho. Site investigation and performance of radial deep consolidation grouting in soft soil[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Ground Improvement,2018.