水泥路面板底脫空注漿布孔方案設(shè)計及注漿壓力計算方法-圖文_第1頁
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第4l卷第6期2010年12月中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)、,01.41No.6Dec.2010水泥路面板底脫空注漿布孑L方案設(shè)計及注漿壓力計算方法趙健1,2鄒金鋒1,曾勝1一,羅恒1(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙,410075;2.長沙理工大學(xué)交通科學(xué)研究院,湖南長沙,410076)摘要:為了從理論上分析水泥混凝土路面板底脫空注漿加固的壓力控制及布孔方式,以劈裂注漿壓力及擴散半徑的理論公式為基礎(chǔ),假設(shè)漿液在上體裂縫中的流動符合達(dá)西定律,劈裂注漿形成的裂縫寬度為均勻裂縫寬度.推導(dǎo)出水泥混凝土路面板脫窄注漿時兩孔、三孔、四孔和五孔注漿布置方案在注漿加固的布孔方式下注漿壓力設(shè)計計算方法。研究結(jié)果表明:理論計算結(jié)果與實測結(jié)果較接近,證明了計算方法的合理性,理論分析的結(jié)果可為工程應(yīng)用提供可靠依據(jù)。關(guān)鍵詞:路面板;脫空注漿;布孔方式:注漿壓力中圖分類號:Tu443文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1672—7207(2010)06-2344--06DesignofholesarrangementandgroutingpressureforvoidroadpanelZHAOJianl一,ZOUJin.fen91,ZENGShen91一,LUOHen91(1.SchoolofCivilandArchitecturalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;2.InstituteofTrafficScience,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410076,China)Abstract:Inordertoanalyzethedesignofholesarrangementanditsgroutingpressureofvoidtreatmentbeneathcementconcretepavement,basedontheassumptionthatthegroutingflowinsoilcrackisinaccordancewithH.Darcylawandthelastformativecrackbreadthisevencrackbreadth,2,3,4and5designsofholesarrangementandgroutingpressureforvoidroadweregiven.Theseconclusionsareprovedtruebymakinguseofnumericalanalysesmethod.Thesetheoriesareusefulforengineeringapplication.Keywords:roadpanel;voidgrouting;designofholesarrangement;groutingpressure近年來,我國高速公路的建設(shè)速度很快,通車?yán)锍谭浅4?。其中大部分路面的質(zhì)鼉良好,但也有不少路段在建成通-乍后不久,短的幾個月,長的2-3a,就不得不進(jìn)行大面積維修,路面的早期損壞問題引起了人們的廣泛關(guān)注【l-91。到目前為止,人們對高等級公路路面、路基等病害的處理方法并不多,多數(shù)是沿用低等級公路的養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗、設(shè)備、方法,不能滿足高等級公路要求。采用灌漿處治快速施工是處治路面板病害的有效方法之一【10-14]。但是,目前人們對灌漿處治路基沉降病害的機理尚不清晰,注漿壓力設(shè)計計算方法、漿液擴散范圍、有效加固范圍、注漿終止條件、注漿工藝、注漿處治效果的檢測與評估等都處于經(jīng)驗階段。因此,深入開展路而板病害的注漿處治快速施工關(guān)鍵技術(shù)研究,具有重要的工程應(yīng)用價值和理論價值。在此,本文作者從路面板注漿加固的機理出發(fā),研究路面板脫空注漿加固的布孔方式、注漿壓力設(shè)計計算等理論問題,以期為路面板脫空注漿加固的設(shè)計計算及施工等維護(hù)提供理論依據(jù)。收稿日期:2010-03—10:修回日期:2010-05-25基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(5097803n通信作者:?。ǎ保梗福埃?,男,湖南漣源人,博上研究生。從事地摹與基礎(chǔ)研究:電話:0731.82309329;E-mail:zlmojian711514@126.伽萬方數(shù)據(jù)第6期趙健,等:水泥路面板底脫空注漿布孔方案設(shè)計及注漿壓力計算方法2345注漿壓力及擴散半徑根據(jù)文獻(xiàn)[15】,距注漿孔距離為,.處的注漿壓力為:P,:P。一掣.’In二(1)r。c一-二_=亍’一LlJ?!Sc式中:P,為半徑,處的注漿壓力;Pc為注漿孔內(nèi)壓力;∥為運動黏度;磊為初始裂縫寬度;Q為注漿量;,c為注漿孔的半徑。式(1)表明:在注漿過程中,足巨離注漿孔軸線為,的任意一點處的注漿壓力衰減與擴散半徑的對數(shù)、注漿量、漿液黏度系數(shù)和注漿壓力成正比,與裂縫寬度的3次方成反比。因此,裂縫的寬度愈小,壓力衰減得愈快。假設(shè)土體的劈裂注漿壓力為肋,則當(dāng)注漿壓力p印。時,可求得在注漿壓力仇作用下的最大擴散半徑RIm:‰%唧l嵴l㈤從式(2)可以看出:最大擴散半徑與裂縫的3次方的指數(shù)成正比,與黏滯系數(shù)倒數(shù)的指數(shù)成正比,與注漿孔半徑成正比。當(dāng)漿液擴散半徑達(dá)到最大值時,可以求得單一裂縫的注漿量Q墮為:Q單=面(Pc而-P0)"n.83(3)從式(3)可以看出:單一裂縫的注漿量與裂縫寬度的3次方成正比,與黏滯系數(shù)成反比。因此,利用式(2)和(3)可以求得一定注漿壓力下的最大擴散半徑和單一裂縫的注漿量。2多孑L注漿時布孔方案分析2.1矩形方案布孔相鄰注漿孔的相互交圈示意圖見圖1。下面討論圖l中按照矩形頂點布置4個注漿孔注漿時的相互影響問題。設(shè)4個注漿孔的注漿壓力均相等,對于外部邊界條件無任何限制,注漿孔中的漿液源為線性源。由式(4)并利用注漿壓力在土體中的疊加原理可知:某點肘的注漿壓力P兄為:p是:4p。一騭.In(,1.r2.r3._)(4)圖1相鄰注漿孔的相互交圈示意圖Fig.1Intercrossschematicdiagramofadjacentgroutinghole當(dāng)rl---r2---/-3=r4時,可由式(4)獲得注漿壓力最小值。此時,矩形布4LJl-好譬正方形,則最小值點的注漿壓力為:”4(風(fēng)一等?h刁④注漿時,若實現(xiàn)各注漿孔的影響半徑正好相接,則此半徑即為矩形布孔注漿時漿液擴散半徑的最優(yōu)值。此時,單孔注漿的漿液擴散半徑為:Rr=壓=一口2式中:母為注漿半徑設(shè)計值;口和b分別為矩形的長度和寬度。對于面積為4m×5m的矩形路面板,若注漿的擴散半徑為lm,則只需布置4個注漿孔即可。具體布置方法如圖2所示。圖2孔注漿時的布置方案圖Fig.2Layoutschemeofgroutinghole由于現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定路面板的抬升高度不能超過5mill,因此,假定混凝土板在注漿加固后的整體抬升萬方數(shù)據(jù)2346中南人學(xué)學(xué)撤(自然科學(xué)版)——第41卷高度為規(guī)范規(guī)定值5m/ll,則單孑L注漿需要的注漿量為:Q=o.25×0.005×4X5--0.025(m3);漿液裂縫寬度也為5mrrl;漿液黏度g=1.5×104kPa。同時,由于混凝土板已經(jīng)脫空,因此,不存在劈裂混凝土板與土體之間的劈裂注漿壓力,即p0=0。據(jù)此可求出注漿的孔口控制壓力為175.905kPa。因此,若為四孔布置注漿方案,則需要的注漿壓力為0.175MPa,注漿擴散半徑為1.25m,單孔注漿量為0.025n13,板體抬升高度不超過5mlTl。2.2三角形布孔方案按照三角形頂點布置3個注漿孔(如圖3所示),注漿設(shè)計半徑R。最小時的注漿壓力P。求解如下。圖3三角形布孔方案Fig.3Triangularlayoutschemeofthreeholes根據(jù)注漿壓力的疊加原理,Rt點的注漿壓力"3饑一等‘lIl¨訓(xùn)(7)在矩形注漿區(qū)域內(nèi),求式(7)的最小值,得注漿壓力最小值。根據(jù)求最值理論,當(dāng)rI=r2=r3時,式(7)可以獲得最小值,此時的布孔正好呈三角形。最小值點的注漿壓力為:取毋(風(fēng)一等‘h旬㈣同理,注漿時若實現(xiàn)各注漿孔的影響半徑正好相接,則此半徑即為三角形布孔注漿時漿液擴散半徑的最優(yōu)值。根據(jù)海倫公式:S=√s(J—a)?(s一6)?(S—c)以及正弦定律可求得三角形外接圓的半徑R,為:足=÷口(9)J此即為單孑L注漿的漿液擴散半徑。其中:S為三角形的面積:一a+b+c)/2:Rt.為注漿半徑設(shè)計值;a,b和c為j角形的邊長。對于面積為4m×5m的矩形路面板,若注漿的擴散半徑為1.25m,則只需布置3個注漿孔即可。具體布置方法如圖4所示。圖4三孔注漿時的布置方案圖Fig.4Layoutschemeofthreegroutingholes同樣,假定混凝土板在注漿加固后的整體抬升為5mill,則漿液裂縫寬度也為5m/n;漿液黏度/z=1.5×104kPa;同時,由于混凝土板已經(jīng)脫空,因此,不存在劈裂混凝土板與土體之問的劈裂注漿壓力,即po=0kPa。至于單孔注漿量,由于注漿孔1和注漿孔2的漿液擴散半徑相同,因此,應(yīng)該注入相同的注漿量;而對于注漿孔3,其漿液擴散半徑是注漿孔l和注漿孔2的1.15倍,因此,其注漿量也應(yīng)該是注漿孔l或注漿孔2的1.15倍。這樣,注漿孔l和注漿孔2的注漿量為0.032m3,注漿孔3的注漿量為0.036m3。據(jù)此可知:注漿孔1和注漿孔2的孔口注漿控制壓力為225.158kPa,注漿孔3的擴孔注漿控制壓力為261.086kPa。因此,若采用3孔布置注漿方案,則注漿孔l和注漿孔2需要的注漿壓力為0.225MPa,注漿擴散半徑為1.25m,單孔注漿量為0.032m3:注漿孔3需要的注漿壓力為0.26MPa,注漿擴散半徑為1.44m,單孔注漿量為0.036m3;板體抬升高度不超過5咖。為了驗證三孔注漿布置方案的可靠性,取湖南省某高速公路路面板脫空注漿實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證,注漿壓力與時間的關(guān)系如圖5所示。萬方數(shù)據(jù)第6期趙健,等:水泥路面板底脫空注漿布孔方案設(shè)計及注漿壓力計算方法2347時間/min圖5三孔注漿時的注漿壓力與時間的關(guān)系Fig.5Relationshipbetweengroutingpressureandtimeofthreegroutingholes從圖5可以看出:注漿壓力隨著注漿時間的延長呈折線增大,并超出設(shè)計計算值,其原因是:實驗中記錄的是注漿機的孔口壓力,而本文理論計算值則是漿液與路面板和土體接觸的壓力。因此,實驗結(jié)果較理論計算結(jié)果偏大屬于正?,F(xiàn)象。此外,這也是注漿管的管阻造成的。在注漿過程中,注漿壓力隨注漿時間的增加不是單調(diào)增加,而呈波浪型上升,其主要是水泥混凝土板下材料與受力狀況的不均勻性造成的。而本文是基于板底材料和其他狀況均勻的條件卜推導(dǎo)的,所以,理論值與實際值存在差異。在實際注漿過程中,當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計壓力并穩(wěn)定3~5min時,則可以停止注漿。因為人多數(shù)路面板的破裂均呈現(xiàn)出如圖6所示的破裂形式,所以,在路面板脫空補強中,應(yīng)充分考慮采用三孔注漿布置方式。2.3兩孑L注漿布孔方案2個孔灃漿孔的相互交圈示意圖如圖7所示。下面討論圖7中按照矩形頂點布置2個注漿孔注漿時的相互影響問題。設(shè)2個注漿孔的注漿壓力相等,對于外部邊界條件無任何限制,注漿孔中的漿液源為線性源。由式(6)并利用注漿壓力在土體中的疊加原理可戔1:I-某點M的注漿壓力P。為:p耳=2p。一掣.1n(,1.,2)(10)氕’D6在矩形注漿區(qū)域內(nèi),由式00)求得的最小值即為注漿壓力最小值。根據(jù)求最值理論,當(dāng)n=,2時,由式(10)可以獲得最小值。此時,矩形布孔正好呈正方形,則Li:QQ墮.1(a)破裂實況;(b)破裂示意圖圖6路面板破裂的常見形式Fig.6Commonruptureformofpavement’Scementboard圖72個孔注漿孔的相互交圈示意圖Fig.7Intercrossschematicdiagramoftwogroutingholes最小值點的注漿壓力為:妒2(驢等?h口]Ⅲ,注漿時若實現(xiàn)各注漿孔的影響半徑正好相接,則此半徑即為矩形布孔注漿時漿液擴散半徑的最優(yōu)值。此時,單孔注漿的漿液擴散半徑為:Rr=。五=÷口(12)Z對于面積為4mX5m的矩形路面板,若注漿的擴散半徑為1.25m,則只需布置2個注漿孔即可。具到引州』萬方數(shù)據(jù)中南丈學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第41卷體布置方案見圖8。圖8兩.tL,Li.漿時的布置方案圖Fig.8Layoutschemeoftwogroutingholes假定混凝土板在注漿加固后的整體抬升高度為5蚴,則可知單孔注漿需要的注漿量為:Q-:O.5×0.005×4x5--0.05(m3);漿液裂縫寬度也為5mm;漿液黏度/t=1.5X104kPa;同時,由于混凝土板已經(jīng)脫空,因此,不存在劈裂混凝土板與土體之間的劈裂注漿壓力,即po=0kPa。據(jù)此可求出注漿的孔ISl控制壓力為351.809kPa。因此,若為兩孔布置注漿方案,則需要的注漿壓力為O.35MPa,注漿擴散半徑為1.25m,單孔注漿量為0.05m3,板體抬升高度不超過5mm。為了驗證兩孔注漿布置方案的可靠性,仍取湖南省某高速公路路面板脫空注漿實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證,注漿壓力與時間的關(guān)系如圖9所示。時間/rain圖9兩孔注漿時的注漿壓力與時間的關(guān)系Fig.9Relationshipbetweengroutingpressureandtimeoftwogroutingholes從圖9可以看出:‘注漿壓力隨著時間的延長呈折線增大,實測值中除了管阻等外部阻力外,其余均與理論值較接近。2.4規(guī)范規(guī)定的路面板布孔方式在現(xiàn)有規(guī)范中,路面板脫空注漿的布孔方式如圖10所示(以路面板尺寸4m×5m為例說明)。圖lO中,每塊板均布置5個注漿孔,分別為注漿孔1、注漿孔2、注漿孔3、注漿孔4和注漿孔5。注漿孔半徑均為1.25m。注漿順序為:注漿孔l_注漿孔3一注漿孔2-÷注漿孔4一注漿孔5。采用本文理論,對現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的注漿孔布置方式進(jìn)行注漿壓力和注漿量設(shè)計。具體過程如下:由于假定混凝土板在注漿加固后的整體抬升高度為規(guī)范規(guī)定值5mm,則可知單孔注漿需要的注漿量為:Q=O.2×0.005×4×5=o.020(m3);漿液裂縫寬度為5mm;漿液黏度艫1.5×104kPa。同時,由于混凝土板已經(jīng)脫空,因此,不存在劈裂混凝土板與土體之間的劈裂注漿壓力,即po=OkPa。據(jù)此可求出注漿的孔口控制壓力為140.724kPa。因此,若為五孔布置注漿方案,則需要的注漿壓力為0.14MPa,注漿擴散半徑為1.25m,單孔注漿量為0.02m3,板體抬升高度不超過5mill。然而,在工程實踐中,注漿的控制壓力往往超過0.14MPa,多采用0.5MPa的注漿壓力進(jìn)行控制。其原因為:注漿孔1--4注漿之后,注漿孔5所需要注漿的區(qū)域有限,而且在輪到注漿孔5進(jìn)行注漿時,路面板在注漿孔1.--4的注漿作用下,漿液和路面板之間形成了較強勁的咬合力,使注漿孔5在最后的注漿中必須采用較大的注漿壓力才能完成其應(yīng)該填充的區(qū)域。從圖10還可以看出:當(dāng)注漿孔l ̄4注漿填充之后,其所剩區(qū)域處于路面板的中間部位,從板的受力特點可知,該區(qū)域應(yīng)該是板受力最小的地方。因此,考慮萬方數(shù)據(jù)第6期趙健,等:水泥路面板底脫窄注漿布孔方案設(shè)計及注漿壓力計算方法in2349withvoid到注漿施工過程中漿液充填的不可控制性,注漿孔5充填的區(qū)域或許早已在前4個注漿孔的注漿過程中被填滿。因此,注漿孔5的注漿施工可以省略?!荆贰浚悖澹恚澹睿簦悖铮睿悖颍澹簦澹穑幔觯澹恚澹睿簦螅欤幔猓酰睿洌澹颍睿澹幔簦瑁郏剩荩剩铮酰颍睿幔欤铮妫常矗欤常矗担裕铮睿纾椋椋眨睿椋觯澹颍螅椋簦海危幔簦酰颍幔欤樱悖椋澹睿悖?,2007,35(2)唐伯明.剛性路面板底脫空狀況的評定與分析【J】.中國公路學(xué)報,1992,5(1):40.3結(jié)論(1)獲得了路面板脫空注漿過程中兩孔、三孔、四孔和五孔注漿布置方案的理論設(shè)計計算方法。(2)獲得了路面板脫空注漿加固的注漿壓力設(shè)計計算方法。采用該設(shè)計計算方法所得結(jié)果與實際注漿狀態(tài)下所得結(jié)果較吻合,具有一定的工程應(yīng)用價值。(3)現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的五孔注漿布孔方案還存在一定的局限性,建議多采用三孔及兩孔布置方案進(jìn)行路面板的脫空注漿補強加固。參考文獻(xiàn):【9TTANGBo-ming.Evaluationandanalysisforundervoidri#dpavementscondition[J].TheJournalofChinaHighway,1992,5(1):40.【8】曾勝,王光明,張起森.基于FWD荷載分布系數(shù)直解路面結(jié)構(gòu)層模量[J】.公路交通科技,2003,20(4):6-9.ZENGSheng,WANGGuang—ming,structureZHANGCoPa,'seQi—sgn.CalculatingmodulusofpavementdirectlyusingFWDloaddistributioncoefficient[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,2003,20(4):6-9.曹東偉,胡長順.水泥混凝土路面板底脫空判別方法研究【J】.西安公路交通大學(xué)學(xué)報,1998,18(3):4-8.CAODong-wei,HUChang-shun.ResearchconcreteondeterminingwhetherthecavitybeneathcementJournalofxi’anslabsoccurred[J].HighwayUniversity,1998,l8(3):4-8.【10】呂惠卿,張湘?zhèn)?,成思源.水泥混凝i二路面力學(xué)性能研究綜彭永恒,張肖寧,羅躍綱.基于頻率下降率的剛性路面脫空白適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別研究【J】.公路,2004,2(2):50-53。PENGon述【J】I重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005,28(6):60-63.LOHui-qing,ZHANGXiang-wei,CHENGSi-yuan.StudymechanicalpropertiesofonYong-heng,ZHANGXiao-ning,LUOYue-gang.Study011cementconcretepavements[J].Journalself-adaptiveneuralnetworkidentifyingofvoidonrigidofChongqingUniversity:Natural60-63.ScienceEdition,2005,28(6):pavementbasedfrequencydrawdownratio[J].Highway,2004,2(2):50-53.張寧,錢振東,黃衛(wèi).水泥混凝I:路面板下地基脫空狀況的評定與分析[J】.公路交通科技,2004,2l(1):4-7.ZHANG【ll】HuangYH.Pavementanalysisanddesign[M].EnglewoodCliffs:Prentice-Hall,1993.【12】AmericanAssociationofStateHighwayandOfficials.GuidefordesignofpavementTransportationNing.QIANZhan-dong,HUANGWei,Voiddetectionpavement[J].JournalofHighwayandTransportationDevelopment,2004,21(1):4—7.structures[C]//AmerieanunderPCCAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials.WashingtonDC,lResearchand986.邊加敏,郝秀民.農(nóng)村水泥砼路面裂縫成因及預(yù)防研究綜述【J】.重慶交通學(xué)院學(xué)報,2006(1):35—37.BIANJia-min,HAOXiu—rain.Outlineofresearchinthereasonoftheruralcementconcrete【13】陳鐘祥,劉慈群.雙重孔隙介質(zhì)中二相驅(qū)替理論[J】.力學(xué)學(xué)報,1980,12(2):152-165.CHENZhong-xiang,LIUCi—qun.Theoryoffluidinadisplacementpavementfissureandtheprevent們.mediumwithdoubleporosity[-q.ActaMechanicSinica,JournalofChongqingJiaotongUniversity,2006(1):35~37.1980,12(2):152—165.(14】孫斌章,凌賢長,凌晨.滲透注漿漿液擴散與注漿壓力分布數(shù)值模擬【J】.水力學(xué)報,2007,37(11)

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