高壓旋噴注漿技術在既有高速公路路基沉降處治中的應用

劉洋

（四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院，四川成都 610041）

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高壓旋噴注漿技術在既有高速公路路基沉降處治中的應用

劉洋

（四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院，四川成都 610041）

摘要：以一個具體工程項目為例，介紹了高壓旋噴注漿技術在四川地區(qū)既有高速公路路基沉降處理中的應用，說明了其施工工藝，重點對該技術中的水泥用量和成樁直徑進行了討論，為類似處治工程提供參考。

關鍵詞：公路；高壓旋噴注漿技術；路基沉降

高壓旋噴注漿技術是通過鉆桿的旋轉、提升，高壓水泥漿由水平方向的噴嘴噴出形成噴射流，切割土體并與土拌合形成水泥土豎向增強體。中國沿海諸省、長江三角洲、珠江三角洲地區(qū)高速公路發(fā)展較快，這些地區(qū)的地基土具有含水率高、壓縮性大、滲透性差、靈敏度高、強度低和厚度不均的特點，由此產生的高速公路工后沉降問題非常突出，高壓旋噴注漿作為處理路基沉降的一種方法得到大量應用。

與沿海地區(qū)不同，四川屬于多山地區(qū)，高速公路建設和運營過程中出現(xiàn)的軟基處理或路基沉降處治較少采用高壓旋噴注漿技術。原因在于四川地區(qū)地質結構千變萬化，路基沉降處治方法很多，每種處治方法適應的情況不一樣。該文以一具體工程項目為例，探討高壓旋噴注漿技術在四川地區(qū)既有高速公路路基沉降處治中的應用。

1　工程概況

四川北部某高速公路2010年5月通車，其巴中西互通A匝道AK0+283—473填方路基段自通車后多次產生沉降變形和路面開裂。2013年6月調查時，路基沉降仍在繼續(xù)，急需處治。經過地質勘察，其平面和典型地質斷面如圖1、圖2所示。

該路段右側為槽形地帶，AK0+315處為沖溝排水通道，但路基填筑中未布設涵洞等排水措施形成攔水結構，導致水體主要以下滲為主，沖溝溝口坡洪積塊石儲水量極為豐富?，F(xiàn)場鉆孔顯示，路基內部地下水位線位于路面以下4～10 m，黏土層頂面以上0.2～4.5 m，地下水位線高出填筑體底面1～4.5 m，此處松散層水體多橫穿路基往下游排泄，極大軟化了路基下原黏土層；同時右側排水溝多段毀壞，地表水體部分下滲至填筑界面，導致路基填筑體底面下黏土層軟化，承載力降低，形成軟弱地基，致使路基產生下沉，路面產生裂縫。

圖1　某高速公路AK0+283—473填方路基段平面示意圖（單位：m）

圖2　某高速公路AK0+283—473填方路基段典型地質斷面（單位：m）

2　處治方案比選

選用3種方案進行比選：方案一以旋噴樁為主。旋噴樁施工時A匝道需半幅封閉，對高速公路干擾較大；旋噴樁施工設備較小，但施工工藝較成熟，施工工期有保證。就其處治效果來說，旋噴樁對填筑土體和黏土層進行預加固后，可使地基承載力提高，并可有效抵抗地下水的軟化，有利于地表排水系統(tǒng)的恢復和完善，也可防止水體下滲。方案二以頂推涵管為主。針對水體排泄不暢的主要原因，在AK0 +315處由路基左側往右側頂推涵管，使地面水體排出；頂推涵管等均在高速公路以外施工，對高速公路干擾較小。但頂推涵管需用專門設備，施工工藝較復雜。由于涵管上、下土層厚度和巖性不均，涵管自身穩(wěn)定性難以保證，若涵管破壞，則水體仍會滲入路基中，處治效果難以達到。方案三以CFG樁為主。CFG樁施工時A匝道需半幅封閉，對高速公路干擾較大。因土中含塊碎石較多，振動沉管CFG樁施工難度大，螺旋鉆CFG樁更無法實施。由于施工可實施性差，處治效果難保證。

綜合考慮各方面的影響，處治方案一雖處治費用較高，但處治效果較好；方案二雖處治費用最低，但處治效果難以保證；方案三處治費用與方案一相當，但受巖性影響，施工可實施性差。故推薦采用方案一進行處治。

3　旋噴樁的布設和施工工藝的選擇

旋噴樁的布設如圖3所示。旋噴樁縱向間距2.0 m，排距2.0 m，處治范圍為路面以下0.9 m至基巖面區(qū)域內的填筑土層和黏土層。

旋噴樁主要工藝參數(shù)：1）設備。發(fā)電機組動率≥120 k W，高壓注漿泵壓力表值≥40 MPa。2）旋噴樁設計樁徑為40 cm，采用雙管法。3）水灰比為1∶1，采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥，水泥用量380 kg/m，適當添加水玻璃或氯化鈣等早強、速凝劑。旋噴樁樁體7 d后抗壓強度應不小于1.5 MPa，28 d后抗壓強度應不小于5 MPa。施工前，需根據(jù)設計樁體強度要求做現(xiàn)場試驗，以確定施工水灰比、提升速度和轉速。4）漿液壓力≥20 MPa，噴漿量＞60 L/min，噴嘴直徑2.0～2.5 mm，噴嘴2個。5）注漿管直徑42～50 mm，提升速度10～20 cm/min，旋轉速度5～15 r/min。開噴時，噴桿需下到孔底后進行試噴，當各參數(shù)達到設計要求且孔口返漿濃度大于進漿濃度時方可提升噴桿。由于路基填料為砂泥巖片塊石，旋噴樁施工需采用先鉆進成孔，再利用注漿管噴漿的方式。

圖3　旋噴樁布置示意圖（單位：m）

4　關鍵技術問題討論

4.1關于水泥用量的討論

旋噴樁水泥用量依據(jù)試樁結果而定。該工程選用3組參數(shù)進行6次試樁，試驗結果如表1所示。

（1）樁徑及均勻性。挖開樁頭進行樁徑及外觀檢測。結果顯示：1#～4#樁有效樁徑不能完全滿足該工程高壓旋噴樁孔徑要求；5#、6#樁有效樁徑可滿足要求，旋噴樁體中土體顆粒與水泥漿液混合均勻，在土層中形成具有一定強度的固結體，對改善地基承載力起到一定作用。

（2）鉆芯取樣進行抗壓強度試驗，根據(jù)試驗結果，1#、2#樁7 d抗壓強度為1.1 MPa，3#、4#樁7 d抗壓強度為1.4 MPa，5#、6#樁7 d抗壓強度為1.7MPa。該工程要求樁的7 d抗壓強度不小于1.5 MPa，1#～4#樁不滿足要求，5#、6#樁滿足要求。

（3）水泥滲入量。根據(jù)表1所示試驗樁施工參數(shù)，高壓旋噴樁在施工壓力一定的情況下，提升速度與樁體每米水泥用量成反比，提升速度快，水泥滲入量降低；提升速度慢，水泥滲入量增加。1#、2#樁平均提升速度20 cm/min，水泥滲入量平均值為260 kg/m，其有效樁徑和7 d抗壓強度不能完全滿足設計要求；3#、4#樁平均提升速度16.3 cm/min，水泥滲入量平均值為330 kg/m，其有效樁徑和7 d抗壓強度亦不能滿足設計要求；5#、6#樁平均提升速度14.5 cm/min，水泥滲入量平均值為398 kg/m，其有效樁徑和7 d抗壓強度可滿足設計要求。

不同工程的水泥用量不同，設計時沒有現(xiàn)成的量可以參照，故試樁非常重要。對于該工程，在保證設計對高壓旋噴樁孔徑、無側向抗壓及單樁承載力要求的情況下，建議旋噴壓力取22～25 MPa、平均提升速度為14.5 cm/min、水灰比取1∶1、旋轉速度取5～15 r/min、水泥滲入量取398 kg/m。

表1　試驗樁施工參數(shù)

4.2關于成樁直徑的討論

根據(jù)圓形斷面自由紊動射流理論，文獻［3］給出了預測旋噴樁半徑R的計算公式：

式中：D0為鉆桿直徑（m）；a為引進參數(shù)（s/m）；Q為水泥漿流量（m3/s）；M為噴嘴個數(shù)；d0為噴嘴直徑（m）；qu為土體抵抗力（k Pa）；patm為標準大氣壓值（k Pa）。

文獻［7］指出對于黏性土，qu可采用土體的無側限抗壓強度；對于無黏性土，可采用下式計算：

式中：tf為抗剪強度（k Pa）；σ′為有效應力（k Pa）；φ′為有效摩擦角。

文獻［7］～［10］給出了a與黏粒含量之間明顯的線性關系，對于三重管法：

式中：Mc為黏粒（粒徑小于5μm）含量（%）。

旋噴樁半徑R計算參數(shù)及結果如表2所示。

表2　旋噴樁半徑R計算參數(shù)及結果

從表2可以看出：計算結果與實測結果相近，在前期設計時可參考式（1）對一些參數(shù)進行估算。

5　結論

（1）高壓旋噴注漿技術施工設備較小，施工工藝較成熟，施工工期有保證。旋噴樁對填筑土體和黏土層進行預加固后，可使地基承載力提高，并可有效抵抗地下水的軟化。對于路堤含較多塊石的該工程依舊適用，且施工完成后至今未出現(xiàn)路基沉降，說明處治效果達到了設計要求。

（2）不同工程水泥用量不同，設計時沒有現(xiàn)成的量可以參照，因此試樁非常重要。該工程旋噴樁水泥用量依據(jù)試樁結果確定。

（3）基于圓形斷面自由紊動射流理論的旋噴樁半徑R預測公式的計算結果與實測結果相近，在前期設計時可參考該公式對一些參數(shù)進行估算。

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中圖分類號：U416.1

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0113-03

收稿日期：2016-01-19