地聚物注漿在道路基層加固補(bǔ)強(qiáng)工程中的應(yīng)用與評(píng)價(jià)

狄升貫，問鵬輝

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 天津市 300051； 2.天津市基礎(chǔ)設(shè)施耐久性企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津市 300051；3.長安大學(xué) 西安市 710064)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷增長，道路交通量逐年增大，重載、超載現(xiàn)象發(fā)生較為普遍，這就導(dǎo)致部分公路在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)發(fā)生諸如車轍、脫空、松散、沉陷等病害，嚴(yán)重影響著道路服務(wù)水平及駕駛員行車體驗(yàn)。在進(jìn)行道路病害處治時(shí)，常用的處治維修方式包括瀝青罩面、注漿加固、開挖重建等方式，其中注漿加固由于其具有處治效果優(yōu)良、工藝簡單、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前在道路工程中的應(yīng)用也越來越廣泛[1-3]。同時(shí)在注漿材料選擇時(shí)人們?cè)絹碓絻A向于采用性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保的材料。地聚物作為一種新型注漿材料，其主要是由偏高嶺土、粉煤灰、礦渣等富硅鋁源物質(zhì)在堿性溶液的激發(fā)下生成的，最早被應(yīng)用于巖土工程、礦井加固等領(lǐng)域，由于其處治效果良好，同時(shí)成本低廉、生產(chǎn)能耗低，近年來逐漸受到道路工作者的青睞，被逐漸應(yīng)用到道路基層加固補(bǔ)強(qiáng)工程中[4-7]。

1 工程概況

所選高速公路試驗(yàn)段全長350 m，路基寬33 m，雙向六車道，設(shè)計(jì)速度120 km/h，于2009年開始通車使用。經(jīng)過十余年的通車運(yùn)行，該路段路面在車輛荷載及外界環(huán)境的作用下出現(xiàn)了多種病害，對(duì)行車過程中駕駛員的舒適性及行車安全性造成一定影響。試驗(yàn)段在使用期內(nèi)未進(jìn)行過整體罩面處理，存在局部塊狀修補(bǔ)，部分裂縫進(jìn)行了灌縫處理。表1為所選試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)層。

表1 試驗(yàn)段路面分層結(jié)構(gòu)

2 原有路面狀況評(píng)價(jià)

2.1 路面損壞狀況評(píng)價(jià)

為確定試驗(yàn)路段損壞狀況，采用人工調(diào)查方式對(duì)路段存在病害進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示試驗(yàn)段病害主要包括橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂、沉陷、松散和修補(bǔ)等。其中橫向裂縫存在較為普遍，部分裂縫已進(jìn)行灌縫處理，且部分灌縫已出現(xiàn)破損，路段中存在的縱向裂縫主要出現(xiàn)在輪跡帶處，較為嚴(yán)重的地方已出現(xiàn)龜裂，同時(shí)伴有唧泥現(xiàn)象。按照《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20-2007)的相關(guān)規(guī)定對(duì)試驗(yàn)路段的病害類型及嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)定分級(jí)，同時(shí)對(duì)病害位置及程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

調(diào)查完成后參照《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20-2007)對(duì)路段調(diào)查病害進(jìn)行分類，基于調(diào)查結(jié)果計(jì)算得到路面破損率DR為6.63%，進(jìn)一步算得調(diào)查路段PCI值為67.3，路面損壞狀況評(píng)定為次。

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)評(píng)價(jià)

考慮到該高速公路交通量逐年增大，重載車輛比重不斷提升，超載、超限運(yùn)輸情況時(shí)有發(fā)生，而此類交通荷載對(duì)道路的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損害較為嚴(yán)重，因此進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)路段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，檢測(cè)采用落錘式彎沉儀檢測(cè)注漿試驗(yàn)路段動(dòng)態(tài)彎沉，試驗(yàn)段上的檢測(cè)點(diǎn)主要布置在行車道雙側(cè)輪跡帶上，檢測(cè)點(diǎn)間隔5m，檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)路段K38+950～K38+600檢測(cè)動(dòng)態(tài)彎沉變化值

根據(jù)設(shè)計(jì)資料可知，該高速公路原設(shè)計(jì)年限內(nèi)單車道累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載通行次數(shù)為812萬次，允許彎沉值為37(0.01mm)，進(jìn)一步計(jì)算得到試驗(yàn)路段設(shè)計(jì)彎沉值ld為25(0.01mm)。規(guī)范中采用路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)(PSSI)對(duì)道路承載能力及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體計(jì)算過程如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：SSI—路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)；

l0—實(shí)測(cè)代表彎沉(mm)；

a0、a1—模型參數(shù)，分別取值為15.71和-5.19。

綜合路面損壞狀況調(diào)查結(jié)果及彎沉檢測(cè)結(jié)果來看，行車道上彎沉較大的檢測(cè)點(diǎn)附近均存在不同程度病害，部分檢測(cè)位置已經(jīng)進(jìn)行修補(bǔ)處理。根據(jù)落錘式彎沉儀檢測(cè)的路面動(dòng)態(tài)彎沉數(shù)據(jù)，按《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60—2008)中的相關(guān)規(guī)定計(jì)算得到路面代表彎沉值Lr。計(jì)算得到的該試驗(yàn)路段的FWD動(dòng)態(tài)代表彎沉值Lr為56.65(0.01mm)，PSSI值為38.6，該試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定等級(jí)為“差”。

3 基層注漿施工

根據(jù)試驗(yàn)段原有路面使用狀況及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果可知，試驗(yàn)路段整體路況較差，服務(wù)水平下降嚴(yán)重，路表中龜裂、唧泥等病害較為嚴(yán)重，道路基層中存在脫空、松散等病害，故選用注漿方式對(duì)道路進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。

3.1 注漿準(zhǔn)備

在對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行注漿加固之前，要確定好注漿材料、注漿深度、注漿壓力及注漿孔位布置等技術(shù)參數(shù)，注漿材料選用自主研發(fā)的高爐礦渣基地聚物注漿材料，注漿材料為預(yù)混干料，有利于降低現(xiàn)場(chǎng)施工操作難度，所用注漿材料的部分技術(shù)指標(biāo)如表2所示。道路基層注漿加固剖面圖如圖2所示。

表2 注漿模擬試驗(yàn)用地聚物凈漿配比及各項(xiàng)性能

圖2 面層與基層層間注漿加固剖面示意圖

3.2 注漿施工流程

本次試驗(yàn)路段注漿主要針對(duì)道路基層脫空病害進(jìn)行處治，注漿包括注漿前路況檢測(cè)、注漿及注漿效果檢查評(píng)價(jià)。其基本施工工序?yàn)椋翰伎住@孔→清孔→埋管→管口周圍密封→漿液配制→試注→面層注漿(基層注漿)→冒漿孔封堵→拔管→養(yǎng)護(hù)→開放交通→彎沉檢測(cè)→不合格點(diǎn)補(bǔ)注→補(bǔ)漿點(diǎn)檢測(cè)→交工，具體如圖3所示。

圖3 地聚物注漿加固施工工序

3.3 注漿過程特殊狀況防治

在地聚物注漿過程中，由于操作不當(dāng)?shù)仍驎?huì)發(fā)生諸如竄漿、冒漿、路面抬動(dòng)等特殊狀況，一經(jīng)發(fā)生應(yīng)及時(shí)采取處治措施，避免對(duì)注漿加固路面造成破壞。竄漿的主要原因是注漿孔布置過密，且路面基層存在脫空面積較大，出現(xiàn)時(shí)可適當(dāng)調(diào)整后續(xù)試驗(yàn)路段的注漿孔布設(shè)距離，注漿時(shí)可采取間隔注漿孔進(jìn)行注漿的方式。冒漿是由于注漿壓力過大引起的，發(fā)生時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低注漿壓力，同時(shí)提高漿液濃度，控制單位吸漿量，必要時(shí)采取間歇注漿法，即發(fā)現(xiàn)冒漿后停止注漿，間歇15 min左右繼續(xù)注漿。路面抬動(dòng)主要是由于注漿過程中注漿壓力控制不當(dāng)引起的，發(fā)生時(shí)應(yīng)調(diào)整布孔間距以降低注漿壓力，同時(shí)可降低注漿機(jī)壓力進(jìn)行小流量注漿，必要時(shí)采取分層鉆孔，提高表層土體的抗變形能力。

4 注漿效果評(píng)價(jià)

4.1 注漿路段彎沉檢測(cè)

在注漿完成開放交通之前，對(duì)注漿路段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)而確定注漿效果。評(píng)價(jià)時(shí)采用落錘式彎沉儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)彎沉復(fù)測(cè)，主要檢測(cè)點(diǎn)與注漿前保持一致。檢測(cè)完成后對(duì)比分析注漿前后動(dòng)態(tài)彎沉值，對(duì)比如圖4、圖5所示。

圖4 左側(cè)輪跡帶動(dòng)態(tài)彎沉值

圖5 右側(cè)輪跡帶動(dòng)態(tài)彎沉值

根據(jù)對(duì)比結(jié)果可知，注漿后檢測(cè)點(diǎn)位處的動(dòng)態(tài)彎沉值均有所降低，且降幅較為明顯，路面整體結(jié)構(gòu)狀況變好，承載能力提升；采用地聚物注漿材料注漿加固后道路表面各檢測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)彎沉值分布比較均勻，對(duì)于動(dòng)態(tài)彎沉值較大的檢測(cè)點(diǎn)，在注漿后其路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)更為明顯。試驗(yàn)行車道左側(cè)輪跡帶檢測(cè)彎沉值平均降幅為52.24%，最大彎沉降幅可達(dá)68.97%，注漿前后彎沉比最大為3.2；右側(cè)輪跡帶檢測(cè)彎沉值平均降幅為47.86%，最大彎沉降幅可達(dá)64.7%，注漿前后彎沉比最大為2.83。整個(gè)試驗(yàn)段注漿后實(shí)測(cè)彎沉代表值為24.90(0.01mm)，計(jì)算得到注漿后路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)(PSSI)為92.10，注漿后路面強(qiáng)度評(píng)定為優(yōu)，即采取地聚物注漿能夠有效恢復(fù)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)道路基層脫空病害進(jìn)行了較好的處治。進(jìn)一步通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析注漿前后行車道左右兩側(cè)輪跡帶的動(dòng)態(tài)彎沉變化，具體如圖6、圖7所示。

圖6 左側(cè)輪跡帶注漿前后彎沉對(duì)比

圖7 右側(cè)輪跡帶注漿前后彎沉對(duì)比

由圖6、圖7可知：

注漿后試驗(yàn)路段雙側(cè)輪跡帶動(dòng)態(tài)彎沉值顯著降低，注漿后雙側(cè)輪跡帶處檢測(cè)動(dòng)態(tài)彎沉平均值小于注漿前所檢測(cè)彎沉值的一半，注漿前左側(cè)輪跡帶檢測(cè)動(dòng)態(tài)彎沉值范圍為7～72(0.01mm)，右側(cè)輪跡帶所測(cè)動(dòng)態(tài)彎沉值范圍為6～72(0.01mm)，兩側(cè)輪跡帶檢測(cè)彎沉值波動(dòng)較大；注漿后左側(cè)輪跡帶檢測(cè)動(dòng)態(tài)彎沉值范圍為4～29(0.01mm)，右側(cè)輪跡帶所測(cè)動(dòng)態(tài)彎沉值范圍為4～30(0.01mm)。對(duì)比兩側(cè)輪跡帶注漿前后檢測(cè)彎沉值發(fā)現(xiàn)，采取地聚物注漿材料對(duì)道路基層脫空部位進(jìn)行注漿加固后路表彎沉值離散性變小，路面整體結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相比注漿之前恢復(fù)較好。

4.2 注漿效果復(fù)核

采用探地雷達(dá)進(jìn)行注漿效果復(fù)核時(shí)，在每個(gè)車道檢測(cè)三條縱向線，測(cè)線布置位置處于左右側(cè)輪跡帶，每隔10m布置一條橫向測(cè)線，橫向測(cè)線與路中線垂直，檢測(cè)后分析道路結(jié)構(gòu)層的變化情況。部分檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

(a)左側(cè)輪跡帶

(b)右側(cè)輪跡帶圖8 探地雷達(dá)復(fù)核檢測(cè)結(jié)果

由圖8可知，在地聚物注漿材料進(jìn)行基層脫空注漿加固后，道路結(jié)構(gòu)得以修復(fù)，基本無較強(qiáng)反射面，面層與基層以及基層與底基層之間界限較為分明，脫空部位被地聚物漿體填充擠密，只有極個(gè)別斷面處雷達(dá)檢測(cè)波形圖出現(xiàn)小幅波動(dòng)，面層與基層之間出現(xiàn)些許不平整，這可能是由于地聚物注漿材料在填充不規(guī)則脫空之后與原脫空部位松散集料結(jié)合形成不規(guī)則整體引起的。地聚物自身優(yōu)良的流動(dòng)性使其能在脫空部位充分流動(dòng)，有效結(jié)合基層內(nèi)部松散材料且形成強(qiáng)度，使得加固路段各結(jié)構(gòu)層間的脫空及松散能被有效處治修復(fù)，同時(shí)地聚物注漿材料本身膨脹率小且原料粒徑較小，能夠有效填充道路路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部細(xì)微裂縫，避免結(jié)構(gòu)層中裂縫等病害的進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)論

基于原有路面狀況評(píng)價(jià)結(jié)果，采用地聚物對(duì)道路基層病害進(jìn)行注漿處治，明確了地聚物注漿加固流程及技術(shù)控制要點(diǎn)，最終通過彎沉檢測(cè)及探地雷達(dá)綜合評(píng)價(jià)了地聚物注漿加固效果。注漿加固結(jié)果表明：在采用地聚物注漿材料進(jìn)行基層加固補(bǔ)強(qiáng)時(shí)整體施工較為便捷，開放交通速度快，能夠較好處治脫空松散等病害，注漿漿液能夠較好膠結(jié)結(jié)構(gòu)層松散集料并填充脫空部位，顯著降低路表彎沉，有效恢復(fù)道路承載能力及服務(wù)水平?？紤]到采用注漿前后彎沉值具有較強(qiáng)相關(guān)性，故在進(jìn)行注漿加固時(shí)應(yīng)選取合適的注漿加固時(shí)機(jī)，同時(shí)施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制施工參數(shù)，謹(jǐn)防特殊狀況發(fā)生，以確保獲得良好的加固效果。