細砂路基病害注漿修復技術研究

摘 要：本文將結合以住的研究成果，通過室內外試驗和理論分析等研究方法，從材料、工藝、技術標準和效果評價等方面，對道路注漿加固技術展開研究。

關鍵詞：細砂路基病害 注漿處治 效果評價

1 前言

對于路基缺陷和破損的修復，以往經常采用翻挖、置換的養護技術，施工周期長、對結構擾動嚴重、對交通影響大，難以適應道路交通運行和城市環境的要求。近十多年來，注漿加固技術的應用逐步從巖土工程擴展到道路工程。從早期的水泥混凝土路面板底脫空注漿，到近年來的路基修復，注漿加固技術憑借其免翻挖、少擾動、少影響等優點，正發揮著越來越重要的作用。

2 細砂路基注漿理論

2.1漿液擴散理論

細砂路基的注漿加固具有充填、滲透、擠密劈裂等效應。漿液在壓力作用下充填和擠密路基，漿液首先劈入強度最低的部分細砂土體，然后隨壓力增大，再劈入另一部分強度較高的部分細砂土體，地層產生隆起抬高效應，最終充填至路基范圍內所有可注縫隙中[1][2]。在實際工程中，由于道路路基實際地質情況較為復雜，注漿往往是滲透、劈裂、壓密三種效應共同作用的結果，對具體某種頻度注漿工藝中只是某種效應起主導作用而已。

（1）滲透注漿是指在注漿壓力作用下，漿液克服各種阻力而滲入路基土體的孔隙和裂隙中，所用注漿壓力相對比較小，基本上不改變路基土體原有的結構和體積。

（2）壓密注漿是通過鉆孔將極稠的漿液注入路基土體中，在注漿處形成球形漿泡，漿體的擴散靠對周圍土體的壓縮來實現。

（3）劈裂注漿是當壓力達到一定程度，引起土體結構的破壞和擾動，使土層中原有的裂隙或孔隙、漿液的可注性和擴散范圍增大，從而獲得更多裂隙滲流的通道，使低透水土層的可注性和注漿量提高，從而達到增加路基強度，降低路基滲透性的目的。

2.2注漿理論

隨著注漿技術的出現和發展，注漿理論和工藝相繼產生。最著名的有球形擴散理論（即假設漿液在均勻、各向同性介質中流動時按球形擴散）和柱形擴散理論（即假設漿液在地層中呈柱形擴散）。

（1）球形擴散理論

1938 年，馬格（Magg）首次推導出牛頓型漿液在砂土中的滲透公式，后來各國學者又相繼尋出了一些理論公式。Maag公式計算假定：a.被灌砂土為均質的各向同性體；b.漿液為牛頓流體；c.采用填壓法灌漿，漿液從注漿管底端注入地層；d.漿液在地層中呈球形擴散。

在達西定律基礎上并結合邊界條件，漿液擴散半徑r1的最終表達式如式（2.3）：

（2.3）

式中：K為砂土的滲透系數（cm/s）；β為漿液粘度對水的粘度比；r1為漿液擴散半徑（cm）；h1為注漿壓力水頭（cm）；r0為注漿管半徑（cm）；t為注漿時間（s）；n為砂土的孔隙率。

Maag公式比較簡單，對粘度隨時間變化不大的漿液能給出滲入性的初步輪廓，到現在為止它仍然被廣泛使用。

（2）柱形擴散理論

該理論假設被注砂土為均質的各向同性體，漿液在地層中呈柱形擴散。漿液擴散半徑r1的表達式為（其中各字母的含義同上）：

（2.4）

漿液擴散形式取決于注漿方式：當由鉆桿端孔（如悶頭直口注漿管及袖閥管）注漿，注漿孔較深，這時相當于點源，漿液呈球面擴散；花管式分段注漿，漿液呈柱面擴散。

3 細砂路基注漿材料

目前，細砂路基中常用的注漿材料大致可分為水泥注漿材料、化學注漿材料、綠色注漿材料三大類[4]。

3.1水泥注漿材料

水泥注漿材料主要包括水泥漿、水泥黏土漿、水泥-水玻璃漿和超細水泥漿四類。由于細砂路基滲透系數較低，水泥漿、水泥黏土漿很難注入，所以注漿材料一般不用水泥漿和水泥黏土漿[5][6][7]。

（1）超細水泥漿

超細水泥顆粒的最大粒徑小于20μm，平均粒徑4μm左右，比表面積大，凝結體強度高、穩定性好，滲透能力強，是很好的注漿材料。但其成本高且儲存、運輸難度大，制約了其使用范圍。

（2）水泥-水玻璃漿

水泥-水玻璃漿液是以水泥和水玻璃為主劑，兩者按一定的比例采用雙液方式注入，必要時加入速凝劑或緩凝劑所組成的注漿材料，可分為水泥—水玻璃漿、超細水泥—水玻璃漿兩類。它克服了單液水泥漿的凝結時間長且不易控制、結石率低等缺點，提高了水泥注漿的效果，其中超細水泥-水玻璃漿可注性較好，具有較高的早期強度，可以考慮用作細砂路基的注漿材料。

3.2化學注漿材料

化學注漿材料應用較多的主要有水玻璃和有機高分子注漿材料兩類。

（1）水玻璃注漿材料

1）水玻璃漿

以水玻璃為主劑，加入膠凝劑，使其發生化學反應，生成大量的硅凝膠從而凝結硬化。水玻璃漿凝結時間不夠穩定，可控范圍較小，凝結體強度低，穩定性較差，主要用于臨時或半永久性工程中。

2）改性水玻璃漿

又稱酸性水玻璃，是根據地層酸堿度用強酸將堿性的水玻璃改為酸性，其凝膠時間可以從幾秒到數小時可任意調整，材料來源廣泛，價格較便宜，且無毒無污染，粘度低，凝膠砂層后固砂體強度并不高，一般在0.1～0.6MPa，因而不適用與高層建筑物基礎加固、封堵高壓力地下水或作為受力結構的加固等，但是對于細砂路基的加固修復，還是比較理想的。

（2）有機高分子注漿材料

有機高分子注漿主要包括丙烯酰胺類、聚氨酯類、木質素類、環氧樹脂類、不飽和酯類等。有機高分子注漿材料滲透性能好，強度力學性能優，但其價格昂貴，不適合應用于細砂路基加固。

3.3綠色注漿材料

綠色注漿材料利用的工業廢渣主要有粉煤灰、冶煉渣以及脫硫廢渣三類。目前，我國粉煤灰、冶煉渣、脫硫廢渣等工業廢渣排放量大，資源化高附加值利用率低，對環境造成了極大的污染。已有研究表明，這些工業廢渣能被堿激發，其固體顆粒較普通水泥顆粒細小，且顆粒級配分布也更合理，可以作為原材料替代部分膠凝材料，配制注漿材料。這種注漿材料不僅節約了資源，而且減少了工業廢渣對環境的污染，故被稱為綠色注漿材料。

綜合考慮材料的性能和價格，在細砂路基中宜選用的注漿材料主要有超細水泥漿、改性水玻璃漿、超細水泥—水玻璃雙漿液和綠色注漿材料。

4 細砂路基注漿工藝

4.1 施工技術類型

按照注漿加固作用原理的不同，從施工工藝的角度上考慮，目前存在的注漿工藝大體可分為三類：靜壓注漿、高壓噴射注漿和振動注漿。當前在道路路基注漿加固工程中的注漿工藝主要為靜壓注漿技術，其方法主要是采用靜壓注漿設備將漿液壓入有裂隙的路基當中，通過填充既有的孔隙和空洞來增強路基的強度和整體性。靜壓注漿技術漿液擴散范圍大，對砂礫石、砂卵石地層注漿效果好，注漿固結體強度較高，利于膠結碎裂結構物，注漿漿液能全部進入結構層中，漿液利用率高，因此細砂路基注漿一般采用靜壓注漿技術。

4.2施工流程

注漿施工的主要步驟包括孔位放樣、固定鉆機、成孔、下鋼管并封閉孔口、配制漿液、分序壓力注漿、止漿和養護等方面。

5 注漿效果評價方法

當前我國還沒有統一的道路注漿施工規程和技術評價標準，工程實踐中主要通過鉆孔取樣法和物探法來評價道路的注漿效果。

（1）鉆孔取樣法

開挖取樣法是在注漿28d后對注漿處漿液細砂固結體進行鉆孔取土，通過觀察注漿加固的效果并測試固結體的力學參數指標（CBR、回彈模量），從而對注漿效果進行有效評定。但鉆孔取樣法對路基破壞性大，一般在檢測手段有限時采用，這里不再詳述。

（2）FWD彎沉檢測法（物探法的一種）

目前瀝青路面設計及養護指標中最重要的參照值為路表彎沉值，所以常通過彎沉指標來對道路路基注漿加固的效果予以體現和評價。本文推薦利用注漿前后FWD（落錘式彎沉儀）彎沉檢測結果的對比對注漿加固的效果進行分析與評價，具體要求如下：

①注漿完成28d后的路表彎沉應小于設計值；

②利用彎沉盆參數反算得到的道路整體反應模量比注漿前提高25%以上；

③若②中的模量計算較困難，可用彎沉降低率（（原彎沉-注漿后彎沉）/原彎沉）進行評價，彎沉降低率應大于30%。

6 結論

1）漿液在壓力作用下充填和擠密路基，伴隨著滲透、劈裂、壓密三種效應的共同作用，對細砂路基進行加固。根據注漿工藝的不同，形成了兩種不同的注漿擴散理論：球形擴散和柱形擴散。

2）細砂路基注漿一般采用靜壓注漿技術，其施工流程包括孔位放樣、成孔、下管、配制漿液、注漿、止漿和養護等方面。

3）根據我國瀝青路面以彎沉值為主要設計指標的現狀，提出采用彎沉指標對細砂路基的注漿效果進行評價的方法，并對具體的指標要求做出詳盡說明。

參考文獻

[1]朱梅生.軟土地基[M].北京：鐵道出版社，1989.

[2]蔡勝華.注漿法[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]方貽立.高等級公路橋頭跳車病害綜合防治技術研究.長安大學碩士研究生論文.2001，12.

[4]許茜，王彥明，范延勇等.注漿材料的發展及其應用[J].21世紀建筑材料，2010， 2（1）：58～62.

[5]陳耕野等. 新世紀巖土加固技術的展望.探礦工程（巖土鉆掘工程）. 2002年增刊.

[6]杜嘉鴻，張崇瑞，何修仁，熊厚金. 地下建筑注漿工程簡明手冊. 北京：科學出版社， 1998：132-137