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，路面層出現大量開裂、車轍等現象，主要原因是路基填料含水量過高，強度達不到要求，導致出現路面病害。本文采用多種手段和方法的綜合試驗檢測技術來評價分析壓密注漿法對唐津高速公路路基的加固效果以及驗證壓密注漿技術在天津地區舊路基加固中的適用性。

壓密注漿機理

壓密注漿[1]是用極稠的漿液通過鉆孔強行擠向土體。由于弱透水性土體的孔隙是不進漿的，因此不可能產生傳統的充填型灌漿，而是在注漿點集中區域形成近似球形的漿泡，通過漿泡擠壓鄰近的土體，使土體壓密并使觸探阻力或標準貫入擊數增加。

緊靠漿泡處的土體將遭受嚴重的破壞和剪切并形成塑性變形區，在此區域內土體密度可能因擾動而減小；離漿泡較遠的土體則基本上僅發生彈性變形，因而土的密度有明顯增加。觀測發現，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，距漿泡愈遠，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，從而使土體的變形性質均一化，形成一種新結構、高強度、化學穩定性良好的“人造石”。

土工試驗法研究壓密注漿效果

為驗證壓密注漿效果，在唐津高速公路選取了10處注漿場地進行鉆探及原位測試。具體工作為在注漿加固范圍內布置鉆探孔2孔，原位測試孔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。同時在注漿區外側沿道路方向距離25 m處另布置鉆探孔1孔，原位測試孔1孔。通過對這兩部分試驗及原位數據的對比，驗證壓密注漿對路基填土物理力學性質的影響。

鉆孔深度為5 m，穿過上部路面結構層和下部路基土。路面結構層由瀝青路面、水穩層及灰土層組成，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，中—高壓縮性，鉆孔未穿透該層。

對于所取土樣進行常規物理性試驗、壓縮試驗、回彈模量試驗以及剪切試驗等。根據對試驗數據的初步分析，選取孔隙比e、液性指數I L、壓縮模量Es、回彈模量Ee對壓密注漿效果進行對比研究。表1和表2列出了試驗段1的對比結果。

表1 試驗段1數據對比

表2 試驗段1回彈模量試驗數據對比

通過表1和表2分析可知，注漿前加固范圍內路基土多處于可塑狀態，中偏高壓縮性，孔隙比較大，作為路基土其工程性質較差。注漿后，在注漿壓密孔范圍內，各試驗段注漿壓密后路基土的孔隙比平均減小10%～15%，液性指數減小約50%左右；壓縮模量平均增加約40%，各級不同壓力下加固區土的回彈模量增加趨勢顯著，但增加幅度變異較大，由20%～190%不等，這是由于土工試驗數據受取樣擾動、試驗過程擾動等人為因素的影響，使其數據離散性較大。

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度增強。這些均是對壓密注漿機理的驗證與說明，同時也說明了本次壓密注漿處理津唐高速公路路基取得了預期的效果。

原位測試方法研究壓密注漿效果

進行現場標準貫入試驗和輕型動力觸探試驗，以檢驗壓密注漿加固前后地基土強度的變化情況。為檢驗壓密效果，在加固區與非加固區各布置原位測試孔一個，試驗段1～3采用標準貫入試驗法驗證，試驗段4～10采用輕型圓錐動力觸探法驗證。

通過對原位試驗數據的整理，以各試驗段為單位，繪圖對加固區以及非加固區數據進行對比分析，確定地基土強度的變化和壓密注漿的效果。見圖1和圖2。

圖1 試驗段1原位試驗成果

圖2 試驗段5原位試驗成果

試驗段～3壓密后地基土的標貫擊數比相同深度未壓密地基土擊數平均提高1～2擊，這說明本次路基土壓密注漿工作取得了一定的效果。但本次標準貫入試驗效果不甚明顯，這是由于標準貫入試驗貫入錘較沉且以粘性土為主的路基填土工程性質較為一般。

試驗段4～10壓密后地基土的擊數比相同深度未壓密地基土擊數最大提高20擊，平均提高6.53擊。由輕型圓錐動力觸探法可知，經注漿壓密后的地基土其強度明顯提高，這一結果與土工試驗方法驗證結果比較一致。從驗證的效果來看，輕型圓錐動力觸探法要明顯好于標準貫入試驗法。

物探法驗證壓密注漿效果

地質雷達探測法

地質雷達發射的電磁波在不同介質的交界面處就會發生發射，即在介電常數發生變化的地方會發生反射，反映到地質雷達剖面圖上就會形成圖像顏色的變化[2]。

測試路段經過壓密注漿處理，0.5 m以上部分電磁波反射強烈，分層反映明顯，說明路面瀝青層、水泥穩定層、灰土墊層的介電常數差異較大；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的分層反映，這兩個深度之間土層是壓密注漿處理范圍；測試路段未進行壓密注漿處理，在0.5 m以上部分電磁波反射強烈，在1 m深度左右也有相對較弱的反射，分層反映不太明顯；1～4 m之間土層沒有明顯變化，基本沒有分層反映；這是因為經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，即介電常數差異大。同時，處理過的路段土層密實性也比較好。

瑞雷面波測試法

瑞雷面波法主要利用在分層介質中瑞雷面波速度的頻散特性及傳播速度與介質密度的相關性。在地面通過錘擊產生不同頻率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。由于波速與介質密度之間存在相關性，通過頻散曲線，可看出不同深度土層的密實情況[3]。圖3為頻散曲線。

圖3 頻散曲線

圖3a為經過壓密注漿處理，1～3 m主要是經過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，波速成遞減趨勢且變化緩慢；圖3b為未進行壓密注漿處理，1～4 m范圍主要是未進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，變化較快。經過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，相對密實，有一定的處理效果。

壓密注漿微觀結構研究

土的微觀結構指組成土的基本單元（單粒）或結構單元（集粒）的大小、形狀、表面特征、比例關系，各結構單元體和孔隙在空間的排列狀況及其結構聯結特征等，土的微觀結構是決定其工程性質的本質因素。通過研究路基注漿前后土體微觀結構類型、微觀結構參數的變化，揭示注漿前后土體性質發生變化的內在機理，可以進一步從微觀角度驗證壓密注漿法對提高路基強度的效果[4]。

通過掃描電子顯微鏡（SEM）試驗獲取的微觀照片見圖4。

圖4 SEM掃描照片

經過壓密注漿后土體基本單元體排列更為緊密，形成一定的膠結聯結，呈團粒-絮凝結構，顆粒數目明顯增多，而且細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。有些鉆孔經過壓密注漿后，生成了水化硅酸鈣，構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，提高了土體強度。未經壓密注漿的原狀樣基本單元體呈絮凝結構的片狀，單元體之間架空，排列緊密程度較差，呈邊—面、邊—邊接觸形式，接觸點數目較少，為接觸聯結，構成十分松散的骨架，孔隙發育且孔隙尺寸較大，粒狀顆粒較少。

通過定量分析壓密注漿前后樣品結構單元體和孔隙的等效直徑發現[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作用，小顆粒不斷團聚成大顆粒，而由于土體的壓密作用，一個大孔隙被壓縮成許多小孔隙。注漿后孔隙面積比減少，相應地，顆粒的含量增加，充分說明了注漿后土體的結構變得更為致密。注漿后土體被擠密，其中一部分孔隙被漿液填充，路基強度得到了整體的提高。

壓密注漿后土體所表現出來的各種工程地質特性都是其內在成分和微觀結構改變所致，通過一系列的微觀結構測試，測試結果很好地證明了壓密注漿對提高路基強度的良好效果。

路面彎沉試驗驗證壓密注漿效果

國內外普遍采用回彈彎沉值來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。通常所說的回彈彎沉值是指標準后軸載雙輪組輪隙中心處的最大回彈彎沉值。在路表測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褟V泛使用且有很多的經驗及研究成果，不僅用于路面結構的設計中，施工控制及施工驗收中（竣工驗收彎沉值）；同時還用在舊路補強設計中，是公路工程的一個基本參數，所以正確測試具有重要的意義。

為檢驗本次注漿加固試驗對道路路基穩定性及強度的補強效果，對注漿前后路面進行了路面彎沉試驗，見圖5。

圖5 彎沉試驗成果

由圖5可知，壓密注漿以后路面彎沉試驗成果明顯降低。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。

結語

通過壓密注漿，道路路基填土孔隙比降低，而強度提高，道路承載能力明顯提高。檢測試驗驗證了壓密注漿技術在天津地區舊路基加固中的適用性。

[1]《巖土注漿理論與工程實例》協作組.巖土注漿理論與工程實例[M].北京：科學出版社，2001.

[2]羅 斌.探地雷達在路基路面異常體病害探測中的應用[J].公路工程，2007，6（32）：154-156.

[3]張金清，梁 青.軟弱夾層瑞雷面波頻散曲線特征[J].工程地球物理學報，2005，3（2）：208-215.

[4]施 斌，姜洪濤.粘性土的微觀結構分析技術研究[J].巖石力學與工程學報，2001，6（20）：864-870.

[5]張敏江，閻 婧，初紅霞.結構性軟土微觀結構定量化參數的研[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2005，5（21）：455-459.