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內(nèi)外動態(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,對黃土路基基床進(jìn)行改良和病害整治是必須的,國內(nèi)外都對此開展了大量研究。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。針對既有建筑物所出現(xiàn)的這種事故,要對路基進(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,截斷水源;其次必須對已經(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軟弱路基進(jìn)行預(yù)先處治。但是對于鐵路路基修筑之后,特別是道路通車數(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,對路基下的軟弱路基進(jìn)行處治是非常困難的,尤其是對于車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,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,工程地質(zhì)條件千變?nèi)f化,而且機(jī)具、材料等條件也會因地區(qū)不同而有較大差別。因此,對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壓力,就可以認(rèn)為路基的濕陷性全部消除。對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Ⅰ級濕陷性黃土一般不需要路基處理。對于Ⅱ級處理厚度為1.0～1.5m,如處理厚度小于1.0m時,濕陷性仍要危及構(gòu)筑物或線路安全。對于Ⅲ級濕陷性黃土,處理厚度為1.0～2.0m,Ⅳ級應(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,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年下半年開始,在和有關(guān)部門配合下,開始采用劈裂壓漿法對軟弱路基路段進(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,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枝狀或板狀凝固體,而且使凝固體周圍一定范圍內(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)動的三個階段

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嚴(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.被動土壓力階段。通過前兩階段的作用,土體得到初步加固,土中的軟弱面、孔隙及裂隙都被填充滿,此時漿液在較高壓力作用下,克服土的被動土壓力,擠密土體使其固結(jié),同時漿脈周圍的土體也被壓密,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)周圍布設(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:

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,且每個球狀體應(yīng)相以交連,但地層的間隙、土質(zhì)不可能是各項均勻,同性的漿液可能沿土層界面滲透,故在布置鉆孔間距時,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。實際布置時,在沉陷相對較大路段應(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。通過近一年的觀察,加固效果明顯。除個別路段出現(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論是在經(jīng)濟(jì)還是技術(shù)上都是一種切實可行、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15萬元。

3.2 劈裂壓漿法在施工中不需要中斷行車,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)營收入。

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

工程實踐證明,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:中國計劃出版社1991.

[2]張登良,加固土原理.北京:人民交通出版社,1999.

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

[4]錢鴻縉,濕陷性黃土路基.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1987.