高速公路路基壓密注漿加固效果研究

□文/張朝清 劉炤偉

唐津高速公路K61+068～K94+000段已投入使用逾10 a，路面層出現(xiàn)大量開(kāi)裂、車轍等現(xiàn)象，主要原因是路基填料含水量過(guò)高，強(qiáng)度達(dá)不到要求，導(dǎo)致出現(xiàn)路面病害。本文采用多種手段和方法的綜合試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)來(lái)評(píng)價(jià)分析壓密注漿法對(duì)唐津高速公路路基的加固效果以及驗(yàn)證壓密注漿技術(shù)在天津地區(qū)舊路基加固中的適用性。

壓密注漿機(jī)理

壓密注漿[1]是用極稠的漿液通過(guò)鉆孔強(qiáng)行擠向土體。由于弱透水性土體的孔隙是不進(jìn)漿的，因此不可能產(chǎn)生傳統(tǒng)的充填型灌漿，而是在注漿點(diǎn)集中區(qū)域形成近似球形的漿泡，通過(guò)漿泡擠壓鄰近的土體，使土體壓密并使觸探阻力或標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)增加。

緊靠漿泡處的土體將遭受嚴(yán)重的破壞和剪切并形成塑性變形區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)土體密度可能因擾動(dòng)而減??；離漿泡較遠(yuǎn)的土體則基本上僅發(fā)生彈性變形，因而土的密度有明顯增加。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，緊靠漿泡處的土密度并不增加，但離漿泡0.3～1.8 m處有擠密作用，在此范圍內(nèi)，距漿泡愈遠(yuǎn)，則擠密愈少。若土體為非飽和土，則擠密效果更加明顯。

此外，壓密注漿中的漿液總是擠向不均地基中的薄弱土區(qū)，從而使土體的變形性質(zhì)均一化，形成一種新結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性良好的“人造石”。

土工試驗(yàn)法研究壓密注漿效果

為驗(yàn)證壓密注漿效果，在唐津高速公路選取了10處注漿場(chǎng)地進(jìn)行鉆探及原位測(cè)試。具體工作為在注漿加固范圍內(nèi)布置鉆探孔2孔，原位測(cè)試孔1孔。注漿孔間距2 m，鉆孔布置于距離注漿孔0.5 m及兩注漿孔中間處。同時(shí)在注漿區(qū)外側(cè)沿道路方向距離25 m處另布置鉆探孔1孔，原位測(cè)試孔1孔。通過(guò)對(duì)這兩部分試驗(yàn)及原位數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證壓密注漿對(duì)路基填土物理力學(xué)性質(zhì)的影響。

鉆孔深度為5 m，穿過(guò)上部路面結(jié)構(gòu)層和下部路基土。路面結(jié)構(gòu)層由瀝青路面、水穩(wěn)層及灰土層組成，厚度為0.90～1.65 m。路基土為素填土層，主要由灰褐色粘土層組成，基本為可塑—硬塑狀態(tài)，中—高壓縮性，鉆孔未穿透該層。

對(duì)于所取土樣進(jìn)行常規(guī)物理性試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)以及剪切試驗(yàn)等。根據(jù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步分析，選取孔隙比e、液性指數(shù)I L、壓縮模量Es、回彈模量Ee對(duì)壓密注漿效果進(jìn)行對(duì)比研究。表1和表2列出了試驗(yàn)段1的對(duì)比結(jié)果。

表1 試驗(yàn)段1數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 試驗(yàn)段1回彈模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)表1和表2分析可知，注漿前加固范圍內(nèi)路基土多處于可塑狀態(tài)，中偏高壓縮性，孔隙比較大，作為路基土其工程性質(zhì)較差。注漿后，在注漿壓密孔范圍內(nèi)，各試驗(yàn)段注漿壓密后路基土的孔隙比平均減小10%～15%，液性指數(shù)減小約50%左右；壓縮模量平均增加約40%，各級(jí)不同壓力下加固區(qū)土的回彈模量增加趨勢(shì)顯著，但增加幅度變異較大，由20%～190%不等，這是由于土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)受取樣擾動(dòng)、試驗(yàn)過(guò)程擾動(dòng)等人為因素的影響，使其數(shù)據(jù)離散性較大。

壓密注漿使土中孔隙體積降低，即土體被壓密；而液性指數(shù)降低，壓縮模量以及回彈模量升高，這充分證明了壓密后土體強(qiáng)度增強(qiáng)。這些均是對(duì)壓密注漿機(jī)理的驗(yàn)證與說(shuō)明，同時(shí)也說(shuō)明了本次壓密注漿處理津唐高速公路路基取得了預(yù)期的效果。

原位測(cè)試方法研究壓密注漿效果

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，以檢驗(yàn)壓密注漿加固前后地基土強(qiáng)度的變化情況。為檢驗(yàn)壓密效果，在加固區(qū)與非加固區(qū)各布置原位測(cè)試孔一個(gè)，試驗(yàn)段1～3采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法驗(yàn)證，試驗(yàn)段4～10采用輕型圓錐動(dòng)力觸探法驗(yàn)證。

通過(guò)對(duì)原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，以各試驗(yàn)段為單位，繪圖對(duì)加固區(qū)以及非加固區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定地基土強(qiáng)度的變化和壓密注漿的效果。見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 試驗(yàn)段1原位試驗(yàn)成果

圖2 試驗(yàn)段5原位試驗(yàn)成果

試驗(yàn)段～3壓密后地基土的標(biāo)貫擊數(shù)比相同深度未壓密地基土擊數(shù)平均提高1～2擊，這說(shuō)明本次路基土壓密注漿工作取得了一定的效果。但本次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)效果不甚明顯，這是由于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)貫入錘較沉且以粘性土為主的路基填土工程性質(zhì)較為一般。

試驗(yàn)段4～10壓密后地基土的擊數(shù)比相同深度未壓密地基土擊數(shù)最大提高20擊，平均提高6.53擊。由輕型圓錐動(dòng)力觸探法可知，經(jīng)注漿壓密后的地基土其強(qiáng)度明顯提高，這一結(jié)果與土工試驗(yàn)方法驗(yàn)證結(jié)果比較一致。從驗(yàn)證的效果來(lái)看，輕型圓錐動(dòng)力觸探法要明顯好于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法。

物探法驗(yàn)證壓密注漿效果

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在不同介質(zhì)的交界面處就會(huì)發(fā)生發(fā)射，即在介電常數(shù)發(fā)生變化的地方會(huì)發(fā)生反射，反映到地質(zhì)雷達(dá)剖面圖上就會(huì)形成圖像顏色的變化[2]。

測(cè)試路段經(jīng)過(guò)壓密注漿處理，0.5 m以上部分電磁波反射強(qiáng)烈，分層反映明顯，說(shuō)明路面瀝青層、水泥穩(wěn)定層、灰土墊層的介電常數(shù)差異較大；在1 m深度左右（壓密注漿起始位置），電磁波反射比較強(qiáng)烈，有較明顯的分層反映；在3 m深度左右（壓密注漿終止位置），不太明顯且不完全連續(xù)的分層反映，這兩個(gè)深度之間土層是壓密注漿處理范圍；測(cè)試路段未進(jìn)行壓密注漿處理，在0.5 m以上部分電磁波反射強(qiáng)烈，在1 m深度左右也有相對(duì)較弱的反射，分層反映不太明顯；1～4 m之間土層沒(méi)有明顯變化，基本沒(méi)有分層反映；這是因?yàn)榻?jīng)壓密注漿處理后的素填土層與灰土層的物性差異變得更大，即介電常數(shù)差異大。同時(shí)，處理過(guò)的路段土層密實(shí)性也比較好。

瑞雷面波測(cè)試法

瑞雷面波法主要利用在分層介質(zhì)中瑞雷面波速度的頻散特性及傳播速度與介質(zhì)密度的相關(guān)性。在地面通過(guò)錘擊產(chǎn)生不同頻率f的瑞雷面波，得到不同深度范圍波速Vr，從而得到頻散曲線。由于波速與介質(zhì)密度之間存在相關(guān)性，通過(guò)頻散曲線，可看出不同深度土層的密實(shí)情況[3]。圖3為頻散曲線。

圖3 頻散曲線

圖3a為經(jīng)過(guò)壓密注漿處理，1～3 m主要是經(jīng)過(guò)壓密注漿處理的素填土層，最大波速250 m/s，最小波速243 m/s，波速成遞減趨勢(shì)且變化緩慢；圖3b為未進(jìn)行壓密注漿處理，1～4 m范圍主要是未進(jìn)行壓密注漿處理的素填土，最大波速236 m/s，最小波速208 m/s，波速成遞減趨勢(shì)，變化較快。經(jīng)過(guò)處理段的土層面波波速平均值要比未處理段的土層面波波速平均大，相對(duì)密實(shí)，有一定的處理效果。

壓密注漿微觀結(jié)構(gòu)研究

土的微觀結(jié)構(gòu)指組成土的基本單元（單粒）或結(jié)構(gòu)單元（集粒）的大小、形狀、表面特征、比例關(guān)系，各結(jié)構(gòu)單元體和孔隙在空間的排列狀況及其結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)特征等，土的微觀結(jié)構(gòu)是決定其工程性質(zhì)的本質(zhì)因素。通過(guò)研究路基注漿前后土體微觀結(jié)構(gòu)類型、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，揭示注漿前后土體性質(zhì)發(fā)生變化的內(nèi)在機(jī)理，可以進(jìn)一步從微觀角度驗(yàn)證壓密注漿法對(duì)提高路基強(qiáng)度的效果[4]。

通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）試驗(yàn)獲取的微觀照片見(jiàn)圖4。

圖4 SEM掃描照片

經(jīng)過(guò)壓密注漿后土體基本單元體排列更為緊密，形成一定的膠結(jié)聯(lián)結(jié)，呈團(tuán)粒-絮凝結(jié)構(gòu)，顆粒數(shù)目明顯增多，而且細(xì)小顆粒比例大大增加，孔隙面積減少顯著減少且孔隙尺寸較小。有些鉆孔經(jīng)過(guò)壓密注漿后，生成了水化硅酸鈣，構(gòu)成了土顆粒間和顆粒表面的充填物和包裹物，使得土體孔隙明顯減少，土顆粒間排列更為致密，提高了土體強(qiáng)度。未經(jīng)壓密注漿的原狀樣基本單元體呈絮凝結(jié)構(gòu)的片狀，單元體之間架空，排列緊密程度較差，呈邊—面、邊—邊接觸形式，接觸點(diǎn)數(shù)目較少，為接觸聯(lián)結(jié)，構(gòu)成十分松散的骨架，孔隙發(fā)育且孔隙尺寸較大，粒狀顆粒較少。

通過(guò)定量分析壓密注漿前后樣品結(jié)構(gòu)單元體和孔隙的等效直徑發(fā)現(xiàn)[5]，壓密注漿后顆粒的平均尺寸增大，孔隙的平均尺寸減小。主要由于水泥漿液的膠結(jié)作用，小顆粒不斷團(tuán)聚成大顆粒，而由于土體的壓密作用，一個(gè)大孔隙被壓縮成許多小孔隙。注漿后孔隙面積比減少，相應(yīng)地，顆粒的含量增加，充分說(shuō)明了注漿后土體的結(jié)構(gòu)變得更為致密。注漿后土體被擠密，其中一部分孔隙被漿液填充，路基強(qiáng)度得到了整體的提高。

壓密注漿后土體所表現(xiàn)出來(lái)的各種工程地質(zhì)特性都是其內(nèi)在成分和微觀結(jié)構(gòu)改變所致，通過(guò)一系列的微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果很好地證明了壓密注漿對(duì)提高路基強(qiáng)度的良好效果。

路面彎沉試驗(yàn)驗(yàn)證壓密注漿效果

國(guó)內(nèi)外普遍采用回彈彎沉值來(lái)表示路基路面的承載能力，回彈彎沉值越大，承載能力越小，反之則越大。通常所說(shuō)的回彈彎沉值是指標(biāo)準(zhǔn)后軸載雙輪組輪隙中心處的最大回彈彎沉值。在路表測(cè)試的回彈彎沉值可以反映路基、路面的綜合承載能力?；貜棌澇林翟谖覈?guó)已廣泛使用且有很多的經(jīng)驗(yàn)及研究成果，不僅用于路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，施工控制及施工驗(yàn)收中（竣工驗(yàn)收彎沉值）；同時(shí)還用在舊路補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，是公路工程的一個(gè)基本參數(shù)，所以正確測(cè)試具有重要的意義。

為檢驗(yàn)本次注漿加固試驗(yàn)對(duì)道路路基穩(wěn)定性及強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)效果，對(duì)注漿前后路面進(jìn)行了路面彎沉試驗(yàn)，見(jiàn)圖5。

圖5 彎沉試驗(yàn)成果

由圖5可知，壓密注漿以后路面彎沉試驗(yàn)成果明顯降低。最大降幅只有48.86 mm，最小降幅8.53 mm。由此可知，壓密注漿后的道路承載能力明顯提高。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)壓密注漿，道路路基填土孔隙比降低，而強(qiáng)度提高，道路承載能力明顯提高。檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證了壓密注漿技術(shù)在天津地區(qū)舊路基加固中的適用性。

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