高壓旋噴樁處理路基病害成樁控制技術(shù)現(xiàn)場評價(jià)試驗(yàn)研究

宋新龍，周 波，魏鱺鋆

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

隨著西部大開發(fā)、“一帶一路”倡議的不斷深入，我國西部地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，與此同時一大批服役設(shè)施，如蘭新鐵路等面臨著線路優(yōu)化和基礎(chǔ)加固，經(jīng)優(yōu)化改造，已達(dá)到繼續(xù)使用的性能要求。受當(dāng)時建設(shè)水平和經(jīng)濟(jì)條件的制約，以及長期服役下路基基礎(chǔ)災(zāi)變的綜合影響，大量路基病害現(xiàn)象不斷暴露，因而針對鐵路、公路等地基基礎(chǔ)的病害處理技術(shù)和理論研究層出不窮。其中，學(xué)者們[1-7]基于旋噴樁技術(shù)開展了廣泛研究，如張萬濤等[1]結(jié)合某鐵路路基病害整治工程，介紹了旋噴樁技術(shù)在既有路基下沉病害整治中的相關(guān)問題，并闡述了旋噴樁加固機(jī)理。陳學(xué)喜等[2]以寶中鐵路路基下沉病害治理工程為背景， 對斜向高壓旋噴樁治理既有鐵路路基下沉病害的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探索，研究了樁體的布設(shè)形式、間距、加固深度等參數(shù)的取值。呂若冰[3]結(jié)合沿海高速公路鹽連段軟基工程實(shí)例，介紹了高壓旋噴樁法處治既有高速公路軟基的加固機(jī)理等，并基于PLAXIS有限元軟件建立數(shù)值模型與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析。趙朝陽[4]結(jié)合石太客專段洪水浸泡運(yùn)營路基，采用在邊坡上斜向利用高壓旋噴樁加固路基技術(shù)，介紹了高壓旋噴樁傾向有效加固路堤本體和基床濕陷性黃土的工藝和要求，為同類工程提供了借鑒。顧紅偉等[6]在考慮不破壞既有公路路面和路基結(jié)構(gòu)層的條件下，對已通車高速公路的軟基進(jìn)行了加固處理，并對逐年加鋪瀝青和高壓旋噴樁處治軟基兩種不同處治思路的處治效果和處治費(fèi)用進(jìn)行了對比分析和綜合評價(jià)。與此同時，李曉鄂等[8]根據(jù)南水北調(diào)穿黃工程地質(zhì)條件進(jìn)行的高壓噴射注漿材料及固結(jié)體性能研究為在實(shí)際施工中設(shè)計(jì)施工參數(shù)提供了一定依據(jù)。同期，何潤芝等[9]基于外摻劑開展的水泥土固化機(jī)理的研究成果(與單純水泥土固結(jié)體相比，外加劑等量取代水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的20%可提高水泥土抗壓強(qiáng)度40%以上，并能提高水泥土抗?jié)B性能)和胡建林等[10]開展的水泥土入摻玄武巖纖維研究結(jié)果(玄武巖纖維對水泥土抗壓抗拉強(qiáng)度均有所提升)有助于提高路基病害處理效果。關(guān)于路基處理的相關(guān)研究其他方法及情況[11-15]不再贅述。綜上所述，目前針對豎向或大角度傾向的旋噴樁處理路基病害研究較多，而實(shí)際情況下往往受狹窄環(huán)境及不影響路面上方交通正常運(yùn)行的條件下，需進(jìn)行水平或小傾角注漿加固，而目前針對這方面的研究鮮少。本文結(jié)合精伊霍鐵路病害路基的加固處理工況，開展現(xiàn)場注漿試驗(yàn)研究，根據(jù)成樁形態(tài)質(zhì)量綜合指標(biāo)確定合理的水平或小傾角注漿關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，以期為既有服役線路路基病害的治理加固技術(shù)及理論研究提供參考和借鑒。

1 路基病害工況及治理方法

精伊霍線從蘭新鐵路西段的精河站引出，沿天山北麓西行，跨尼勒克河，穿越北天山進(jìn)入伊犁河谷，經(jīng)過尼勒克縣、伊寧縣、伊寧市等縣市，最終到達(dá)邊境口岸霍爾果斯市，沿線共設(shè)21個車站，于2009年12月竣工并運(yùn)行。精伊霍鐵路是新疆第一條電氣化鐵路[16]，是連接中亞地區(qū)又一條交通大動脈，對新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源運(yùn)輸、國防建設(shè)都有著十分重要的作用。除了對新疆伊犁經(jīng)濟(jì)具有巨大推動作用外，同時開辟了新疆鐵路向西開放的國際運(yùn)輸通道，讓新疆成為唯一擁有雙口岸優(yōu)勢的地區(qū)。然而在后期運(yùn)行中因地質(zhì)、水文[17]、列車振動荷載等影響精伊霍線路基沉降變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響著鐵路的安全運(yùn)行。

根據(jù)病害發(fā)生的部位可將路基沉降變形病害分為路基本體沉降和路基基底沉降兩部分。其中，路基本體沉降主要由于路基填料不符合要求，壓實(shí)度不滿足規(guī)范要求，在提速條件下，動載增加后造成路基本體沉降；路基基底沉降主要由于既有鐵路在施工時未對原有軟弱基底進(jìn)行加固處理，在外來水作用及列車動載耦合作用下，路基基底發(fā)生沉降變形。根據(jù)調(diào)研及分析判斷，課題組與相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)形成了病害治理的基本思路：運(yùn)用高壓旋噴技術(shù)強(qiáng)化路基內(nèi)軟弱或松散土體，并盡量防止雨水進(jìn)入路基土體，以解決因雨水的不斷滲入軟化路基土體而造成沉降變形等問題。

由于高壓旋噴技術(shù)是利用高能量的轉(zhuǎn)動漿液切割土體，在一定范圍攪拌土體，使水泥漿與軟弱或松散土體拌合，從而改變原較軟弱或較松散的土體為較高強(qiáng)度的混合強(qiáng)化水泥土土體，因而對于精伊霍鐵路路基的沉降變形，設(shè)想采用高壓旋噴技術(shù)進(jìn)行治理。其中設(shè)想的治理方法與地基處理[18]或基坑護(hù)壁的旋噴樁原理、方法基本相同，只是在工藝上進(jìn)行改進(jìn)，使能進(jìn)行水平、甚至小角度仰斜成孔。它可以在要求強(qiáng)化的部位進(jìn)行旋噴，即有目的的強(qiáng)化某些軟弱部位或某些松散巖土體層位。經(jīng)強(qiáng)化的土體強(qiáng)度可望達(dá)到2 MPa～3 MPa，且具有較高的抗變形能力(較高的變形模量)和防滲能力。具體而言就是在路堤基面以下一定部位形成連續(xù)(旋噴體可以部分重疊)的強(qiáng)化土體，具體厚度根據(jù)需要確定。以此在路基上部形成具有排水效能的類似于目前客運(yùn)專線或高速鐵路基床的強(qiáng)化層。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

介于上述設(shè)想未有可直接借鑒參考的工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，在方法、工藝及相應(yīng)設(shè)備方面需要通過進(jìn)一步研究予以解決。本文依據(jù)規(guī)范[19]調(diào)查，結(jié)合蘭新線及精伊霍鐵路路基沉降變形病害的情況和特點(diǎn)，進(jìn)行先行的現(xiàn)場試驗(yàn)，形成一套治理該類路基病害的技術(shù)措施，并應(yīng)用于該線的路基病害治理。其中現(xiàn)場試驗(yàn)主要目的是確定成樁俯角、注漿壓力、水灰比、提升速度等成樁技術(shù)參數(shù)對成樁體的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)(注漿量、樁長、水平樁徑、垂直樁徑、空腔及空腔正矢、裂紋條數(shù)及最大張開度、圓柱狀成樁質(zhì)量)影響特征，以此確定更合理的施工控制指標(biāo)，指導(dǎo)大面積路基病害治理施工。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)鉆機(jī)采用無錫某廠的高壓旋噴鉆機(jī)XP-20，高壓注漿泵采用天津某公司XPB-90D，以及20 kW發(fā)電機(jī)、水泥漿制漿桶和空氣壓力機(jī)各一臺。

2.3 試驗(yàn)場地

為了使試驗(yàn)達(dá)到驗(yàn)證設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工的目的，試驗(yàn)段位置的選取以地基強(qiáng)度較低、路基填土較高、淤泥較深、施工比較便利的地段為原則。最終本次試驗(yàn)選取蘭新線K1918—K1919段廢棄黃土路基作為試驗(yàn)段。

2.4 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)為達(dá)到上述目的，重點(diǎn)研究水平或者小角度仰斜孔的成樁工藝及效果。在保證鉆孔深250 cm以及送風(fēng)壓力0.7 MPa的條件下(其中送風(fēng)壓力在試驗(yàn)前進(jìn)行了技術(shù)確定)，分別控制注漿壓力、鉆孔俯角(三個俯角：0°、5°、10°)以及注漿提升速度(15 cm/min、20 cm/min、25 cm/min、30 cm/min)進(jìn)而設(shè)計(jì)了12根高壓旋噴樁作對比，其具體成樁技術(shù)參數(shù)如表1所示，其中5#—8#高壓旋噴樁主要探究注漿壓力對成樁質(zhì)量的影響，而9#—12#高壓旋噴樁主要確定注漿管提升速度對成樁質(zhì)量的影響。各試驗(yàn)樁在現(xiàn)場通過二重管法施工成型，并在成樁過程中對各試驗(yàn)樁注漿量(根據(jù)公式(1))進(jìn)行了跟蹤統(tǒng)計(jì)。各旋噴樁養(yǎng)護(hù)完成后對其形態(tài)參數(shù)(樁長、水平樁徑、垂直樁徑、空腔及空腔正矢、裂紋條數(shù)及最大張開度)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本次試驗(yàn)注漿水泥水灰比為1∶0.7。

(1)

式中：Q為注漿量，m3；h為噴射長度，即孔深，m；q為單位時間噴漿量，m3/min；β為損失系數(shù)，取0.1～0.2；v為提升速度，cm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表2為本次試驗(yàn)結(jié)果，本文將分別從注漿壓力、俯角、提升速度三個關(guān)鍵技術(shù)控制指標(biāo)方面對高壓旋噴樁成樁效果進(jìn)行評價(jià)說明。

表1 1#—12#高壓旋噴樁成樁技術(shù)參數(shù)

表2 1#—12#高壓旋噴樁成樁各項(xiàng)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)結(jié)果

3.1 注漿壓力影響結(jié)果及分析

從表2可以看出，注漿壓力對成樁效果的影響比較突出：

(1) 對于注漿量而言，注漿壓力增大，其余控制參數(shù)與不變情況下(對比組：1#和2#；3#和4#；5#—8#)注漿量同步增多，特別是當(dāng)提升速度較低時，注漿量增加量更大，表明注漿壓力增大注漿體的噴射流體在有限時間內(nèi)可壓縮增加。

(2) 注漿壓力對旋噴樁的樁長影響特征較為復(fù)雜，如圖1(a)所示首先在注漿壓力較低時(例如5#樁注漿壓力15 MPa)，旋噴樁樁長隨著注漿壓力的提高而增大，而當(dāng)注漿壓力一旦到達(dá)20 MPa左右時，樁長出現(xiàn)下降，且增加或下降的大小基本與注漿壓力增加幅值保持著比例關(guān)系，說明注漿壓力是影響樁長的一項(xiàng)重要技術(shù)參數(shù)。

圖1旋噴樁樁長、樁徑隨注漿壓力變化關(guān)系曲線

(3) 注漿壓力對樁徑(包括水平樁徑和垂直樁徑)的影響不是很明顯，但是值得注意的是，注漿壓力的提升整體上有助于樁截面尺寸的增大，不妨以水平樁徑、垂直直徑以及二者之和的平均值觀察來看，5#—8#樁的樁徑如圖1(b)所示，可以看出垂直樁徑隨注漿壓力增大而減小，而水平樁徑與注漿壓力為正相關(guān)，且二者之和平均樁徑基本在40 cm左右，相較1#—4#樁樁徑的離散化而言成樁效果更加可靠，當(dāng)然1#—4#樁變化的提升速度對其耦合影響不可忽視，但與此同時恰恰說明綜合性旋噴作業(yè)控制指標(biāo)參數(shù)對成樁質(zhì)量保證的重要意義。

(4) 受成樁施工各類因素影響，如圖2所示，本次試驗(yàn)旋噴樁均存在一定的空腔，作者對空腔的正矢進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，可以看出注漿壓力對其影響特征因注漿壓力的大小而異，在注漿壓力較小時，注漿壓力增加正矢量增加(如：1#和2#；5#—7#)，但當(dāng)注漿壓力增加到24 MPa以后，空腔正矢量出現(xiàn)下降。裂紋條數(shù)及其最大張開度基本同空腔正矢變化規(guī)律，不再贅述。

圖2旋噴樁成樁后空腔情況

3.2 俯角影響結(jié)果及分析

由2#、7#及10#旋噴樁各項(xiàng)成樁結(jié)果可以看出：

(1) 隨著所鉆樁孔的俯角增大，注漿量減少，說明在水平向的注漿情況下，因注漿體自重作用在橫向及豎向同步發(fā)生滲流的程度較俯斜注漿量大，因而在水平向高壓旋噴樁的應(yīng)用中建議提高注漿設(shè)計(jì)量，防止注漿液在鉆孔周圍土體的自重性滲流損失。

(2) 關(guān)于俯角對成樁截面及樁長形態(tài)影響應(yīng)該綜合分析，從表2可以看出俯角由7#樁的0°(水平注漿)增加到2#樁的5°時，其樁長由220 cm縮減至165 cm，即樁長減少，但是水平樁徑和垂直樁徑卻同步增大。結(jié)合10#樁來看，其樁長增加，但水平樁徑和垂直樁徑均減小，說明在水平注漿時雖然注漿量增多，但是樁體的長度和截面大小得以保證，而當(dāng)俯角增大，受滲流情況的差異化影響，成樁效果(樁長及樁徑質(zhì)量保證)可靠度降低，建議增加二次補(bǔ)漿作業(yè)。

(3) 俯角增大成樁后樁體裂紋條數(shù)由0°對應(yīng)的6條、5°對應(yīng)的4條降低到10°對應(yīng)的2條，與此同時裂紋的最大張開度也經(jīng)歷了20 mm、20 mm和15 mm的減小過程，表明俯角增大有利于樁體的完整性，減少和抑制裂紋的生成與發(fā)展。

3.3 提升速度影響結(jié)果及分析

從表2中的2#和4#、9#—12#對比的變化情況可以看出，注漿時提升速度對成樁效果的影響比較突出：

(1) 如圖3(a)所示，9#—12#樁隨著注漿(管)提升速度的增加，注漿量連續(xù)減少，特別是對比9#樁和12#樁可以可以看出，在12#樁注漿速度提升1倍條件下，其注漿量相比9#樁降低一倍，所以在其他施工控制參數(shù)不變情況下，基本可以認(rèn)為注漿量與提升速度保持線性變化關(guān)系如式(2)，其中R2=0.902。

V=-0.0172v+0.797 (2)

圖3旋噴樁注漿量、樁徑隨提升速度變化關(guān)系曲線

(2) 從1#和3#、9#—12#各樁的樁長對比來看，注漿提升速度對樁長影響不大，各樁長基本保持穩(wěn)定。

(3) 從圖3(b)可以看出，注漿的提升速度對旋噴樁樁徑影響比較明顯，無論從水平樁徑、垂直樁徑或者平均直徑而言，樁徑均隨提升速度的提高而減小，其中平均樁徑隨提升速度的變化關(guān)系可由式(3)表達(dá)，R2=0.8151，表明提升速度提高以后，在其余注漿條件不變情況下，孔周土體被旋噴切削的范圍減少，經(jīng)注漿液凝固固化的復(fù)合土體同等較少，進(jìn)而旋噴處理的加固范圍縮小，處理路基病害的效果將會下降，因而保證合適的注漿提升速度對于路基病害處理而言具有重要意義。

R=-0.72v+54.2

(3)

(4) 受注漿提升速度的影響，(對于9#—12#樁而言)所成樁基空腔正矢以及裂紋條數(shù)均隨提升速度的提升而降低，同時為了探討各成樁參數(shù)間的相互影響，如圖4所示為9#—12#樁空腔正矢和裂紋條數(shù)隨各樁平均樁徑的變化曲線，可以看出，旋噴樁橫截面尺寸的增大必然引起空腔正矢的增大及裂紋條數(shù)的增多，其中空腔正矢和平均樁徑的關(guān)系如式(4)，R2=0.9916，二者為嚴(yán)格意義的正相關(guān)(即平均樁徑越大，空腔正矢越大)。因而在旋噴樁施工中除應(yīng)滿足基本截面成樁參數(shù)之外，應(yīng)該考慮樁體內(nèi)部的空腔及裂紋生成發(fā)展情況，進(jìn)而確定更加合適的施工技術(shù)參數(shù)。值得注意的是1#和3#樁在提升速度增加以后，空腔正矢及裂紋條數(shù)出現(xiàn)增加，對于此現(xiàn)象的解釋應(yīng)該側(cè)重綜合成樁參數(shù)的分析，因?yàn)橛啥叩某蓸稑堕L基本等同情況下而3#樁的樁基出現(xiàn)增大，說明3#樁空腔正矢和裂紋條數(shù)的增加主要因?yàn)闃稄皆龃蠛笞{量在樁周土體填充不足從而形成較大空腔。但是與此同時引起筆者注意的是，9#—12#樁的空腔正矢及裂紋條數(shù)相較1#—4#旋噴樁而言明顯大幅度降低或減少，作者認(rèn)為注漿的俯角應(yīng)該是造成這一現(xiàn)象的主要原因，因而水平或者小俯角注漿技術(shù)應(yīng)該合理設(shè)計(jì)和注意施工控制技術(shù)參數(shù)，保證成樁質(zhì)量。

D=0.4009R-8.6994 (4)

圖4旋噴樁空腔正矢、裂紋條數(shù)隨平均樁徑變化關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

(1) 注漿壓力對旋噴樁的樁長影響特征較為復(fù)雜，在注漿壓力較低時樁長隨著注漿壓力的提高而增大，而當(dāng)注漿壓力超過20 MPa，樁長呈現(xiàn)下降，樁長增加或下降的大小基本與注漿壓力增加幅值保持著比例關(guān)系；注漿壓力的提升整體上有助于樁截面尺寸的增大。注漿壓力對空腔正矢的影響特征因注漿壓力的大小而異。

(2) 隨著所鉆樁孔的俯角增大，注漿量減少，認(rèn)為在水平向注漿情況下注漿體因自重作用發(fā)生橫向及豎向同步滲流；樁長隨俯角的增加而減少，但是水平樁徑和垂直樁徑卻同步增大，因此建議設(shè)計(jì)和施工時盡量形成5°～10°的小俯角注漿，并在俯角作業(yè)時通過二次補(bǔ)漿作業(yè)方法保證樁長及樁徑質(zhì)量，在水平向注漿時應(yīng)提高注漿設(shè)計(jì)量或漿液濃度。

(3) 注漿量與提升速度基本保持線性變化關(guān)系，注漿量隨著注漿提升速度的增加連續(xù)減少；旋噴樁平均樁徑隨注漿提升速度的增加而減小，表明提升速度提高，處理路基病害的效果將會下降；樁基空腔正矢以及裂紋條數(shù)均隨提升速度的提升而降低；旋噴樁橫截面尺寸的增大必然引起空腔正矢的增大及裂紋條數(shù)的增多。在旋噴樁施工中除應(yīng)滿足基本截面成樁參數(shù)之外，應(yīng)該考慮樁體內(nèi)部的空腔及裂紋生成發(fā)展情況確定合適的施工技術(shù)參數(shù)，建議在旋噴樁處理路基病害過程中提升速度取20 cm/min較為合適。