劈裂壓漿法在加固黃土鐵路路基基床工程中的應(yīng)用

李杰

（中鐵大橋局第六工程有限公司，湖北 谷城 441702）

1 濕陷性黃土路基防治的基本方法

1.1 整治黃土路基病害的國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)

為了提高用濕陷性黃土修筑的鐵路路基工作性能,提高其抗變形能力,提高基床表層土體穩(wěn)定性,對(duì)黃土路基基床進(jìn)行改良和病害整治是必須的,國(guó)內(nèi)外都對(duì)此開(kāi)展了大量研究。由于黃土的濕陷性,使得路基產(chǎn)生了差異沉降,建筑物遭到了破壞。針對(duì)既有建筑物所出現(xiàn)的這種事故,要對(duì)路基進(jìn)行處理,必須分兩步進(jìn)行。首先應(yīng)找出使路基土濕陷的水源,截?cái)嗨?其次必須對(duì)已經(jīng)濕陷的路基進(jìn)行加固。采用經(jīng)濟(jì)、可靠的加固手段,使路基土的濕陷變形停止、承載力滿足上部結(jié)構(gòu)荷重的要求。

軟弱路基的處治方法許多,如:"換土、碎石樁、旋噴樁、灰砂樁以及加入土工格柵等。這些方法主要用于結(jié)構(gòu)物以及公路、鐵路路基在修建之前對(duì)軟弱路基進(jìn)行預(yù)先處治。但是對(duì)于鐵路路基修筑之后,特別是道路通車(chē)數(shù)年之后,發(fā)現(xiàn)因軟弱路基的原因使路基下沉、線路幾何尺寸難以維持,在這種狀態(tài)下,對(duì)路基下的軟弱路基進(jìn)行處治是非常困難的,尤其是對(duì)于車(chē)流密度很大的鐵路干線,采取通常的處理方法處治,需要中斷行車(chē),而且要大范圍破壞道床結(jié)構(gòu),是不可行的。

1.2 劈裂壓漿法加固黃土路基基床基本原理

由于路基長(zhǎng),工程地質(zhì)條件千變?nèi)f化,而且機(jī)具、材料等條件也會(huì)因地區(qū)不同而有較大差別。因此,對(duì)每一具體線段都要進(jìn)行細(xì)致分析,從路基條件、處理要求(包括處理達(dá)到的各項(xiàng)指標(biāo)、處理范圍)、工程費(fèi)用、材料、機(jī)具等諸多方面進(jìn)行考慮,以確定合適的路基處理方法。鐵路的路基處理不同于其它建筑物地基的處理,鐵路路基處理主要是全部或部分消除其濕陷性。

對(duì)非自重濕陷性黃土路基,如基礎(chǔ)下路基處理厚度達(dá)到壓縮層下限,或達(dá)到飽和的自重壓力與附加壓力之和等于或小于該土層的濕陷起始?jí)毫?就可以認(rèn)為路基的濕陷性全部消除。對(duì)自重濕陷性黃土路基,由于路基的濕陷量和濕陷變形與自重濕陷性土層的厚度、浸水面積有關(guān),而與壓縮層厚度無(wú)關(guān),所以必須處理基礎(chǔ)地面以下的全部自重濕陷性黃土層。

在非自重濕陷性黃土路基上,對(duì)Ⅰ級(jí)濕陷性黃土一般不需要路基處理。對(duì)于Ⅱ級(jí)處理厚度為1.0～1.5m,如處理厚度小于1.0m時(shí),濕陷性仍要危及構(gòu)筑物或線路安全。對(duì)于Ⅲ級(jí)濕陷性黃土,處理厚度為1.0～2.0m,Ⅳ級(jí)應(yīng)為2.0～3.0m。此外,應(yīng)根據(jù)土層的濕陷性系數(shù)的分布情況,濕陷性黃土層的厚度等具體情況,適當(dāng)增加或減少處理厚度。

2 劈裂壓漿法加固黃土路基基床的工程應(yīng)用

2.1 工程概況

該鐵路于2002年建成通車(chē),在2003年秋季由于該區(qū)域連降大雨致使出現(xiàn)多處路基下沉。從2005年下半年開(kāi)始,在和有關(guān)部門(mén)配合下,開(kāi)始采用劈裂壓漿法對(duì)軟弱路基路段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)施工。前后從K1427～K1666區(qū)間范圍內(nèi),對(duì)橋頭、隧道洞口、單線、雙線等多處路段進(jìn)行了壓漿補(bǔ)強(qiáng)工作。

2.2 劈裂壓漿的機(jī)理

劈裂壓漿是利用水力劈裂原理和路基土中小主應(yīng)力的分布規(guī)律,在一定的壓漿壓力作用下,將漿液用高壓泵壓入到地層當(dāng)中,以克服地層的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度,使其沿垂直于小主應(yīng)力的平面上發(fā)生劈裂,地層中的固有裂縫擴(kuò)展變寬變長(zhǎng),然后漿液充填到了地層的所有裂縫當(dāng)中,在路基中形成了許多樹(shù)枝狀或板狀凝固體,而且使凝固體周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的土體,由于漿液高壓力的作用被擠密,從而形成了復(fù)合路基,使路基土的承載力提高、壓縮性降低、濕陷性大幅度減小。

漿在土體中運(yùn)動(dòng)的三個(gè)階段

a.鼓泡壓密階段。漿液進(jìn)入土體形成漿泡并向外擴(kuò)張,使?jié){泡土體中引起復(fù)雜的徑向和切向應(yīng)力系統(tǒng),緊靠漿泡處的土體遭受?chē)?yán)重的破壞和剪切,并形成塑性變形區(qū),使土體擠密。

b.劈裂階段。漿液在壓漿壓力作用下,先后克服地層的初應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度,使其沿垂直于小主應(yīng)力的平面上發(fā)生劈裂,漿液由此切人,擠密土體,并與土體發(fā)生物理和化學(xué)作用,形成作為骨格的漿脈。

c.被動(dòng)土壓力階段。通過(guò)前兩階段的作用,土體得到初步加固,土中的軟弱面、孔隙及裂隙都被填充滿,此時(shí)漿液在較高壓力作用下,克服土的被動(dòng)土壓力,擠密土體使其固結(jié),同時(shí)漿脈周?chē)耐馏w也被壓密,形成了以漿脈網(wǎng)絡(luò)為骨架的復(fù)合固結(jié)土體。

劈裂壓漿施工前,先是在基礎(chǔ)的外側(cè)周?chē)荚O(shè)灰土樁作為帷幕,然后在灰土樁的內(nèi)側(cè)靠近基礎(chǔ)一邊布設(shè)壓漿孔。灰土樁的作用有三個(gè):

a.起帷幕作用,防止劈裂壓漿的漿液外竄,使?jié){液能夠進(jìn)入到基礎(chǔ)底。

b.與劈裂壓漿的漿液一起,形成一道防滲墻,阻止基礎(chǔ)以外的水入浸路基。

c.分擔(dān)部分路基的附加應(yīng)力,提高路基承載力。

劈裂壓漿的漿液由水泥、黃土、粉煤灰和水所組成,將其按一定的比例配制成漿液,然后用高壓泵將其壓入到基礎(chǔ)底下,完成劈裂壓漿的全過(guò)程,在基礎(chǔ)底下形成復(fù)合路基,提高路基的承載力,降低壓縮性,大大地降低黃土的濕陷性。

從理論上推斷,壓漿后土體應(yīng)為一球狀,且每個(gè)球狀體應(yīng)相以交連,但地層的間隙、土質(zhì)不可能是各項(xiàng)均勻,同性的漿液可能沿土層界面滲透,故在布置鉆孔間距時(shí),要綜合考慮土質(zhì)、孔隙、壓力等因素。

路基劈裂壓漿補(bǔ)強(qiáng)處理,多采用單排布孔。孔距3～5m。實(shí)際布置時(shí),在沉陷相對(duì)較大路段應(yīng)適當(dāng)減小孔距,在曲線路段應(yīng)適當(dāng)減小孔距。此外,還應(yīng)考慮路基斷面形式、路基土的密室度等因素的影響。

3 結(jié)論

在對(duì)路基下沉病害的整治中,總共完成路基補(bǔ)強(qiáng)7000米,橋頭沉陷治理16處。通過(guò)近一年的觀察,加固效果明顯。除個(gè)別路段出現(xiàn)了少量下沉外,補(bǔ)強(qiáng)處理后的路基穩(wěn)定,壓漿法加固濕陷性黃土路基無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)還是技術(shù)上都是一種切實(shí)可行、高效、經(jīng)濟(jì)的方案。今后應(yīng)擴(kuò)大壓漿法路基補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)用范圍,以確保鐵路線的安全暢通。

3.1 從直接施工成本看,辟裂壓漿法每米工程造價(jià)要比基床換填低至少150元,這就意味著每公里的投資可減少15萬(wàn)元。

3.2 劈裂壓漿法在施工中不需要中斷行車(chē),在目前鐵路運(yùn)能十分緊張的情況下,可以不影響鐵路的運(yùn)營(yíng)收入。

3.3 壓漿法所壓入路基基床的灌漿材料是不會(huì)隨時(shí)間的推移而改變,因此治理效果具有永久性。

工程實(shí)踐證明,用劈裂壓漿方法處理濕陷性黃土路基,可以明顯地提高路基承載力,降低壓縮性,使?jié)裣菪渣S土的濕陷性大大減少。劈裂壓漿作為一種路基補(bǔ)強(qiáng)的施工方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部頒布.濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范.CBJ 25-90.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社1991.

[2]張登良,加固土原理.北京:人民交通出版社,1999.

[3]葉書(shū)麟,(同濟(jì)大學(xué))地基處理.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[4]錢(qián)鴻縉,濕陷性黃土路基.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1987.