高速公路粉砂土填料路基加寬技術的應用

趙基學

（甘肅省平涼高速公路處，甘肅 平涼 744000）

粉砂土填料路基的承載力較低，在高速公路車流量較大的情況下，很容易因為上部動、靜荷載的影響而出現路基沉降的情況，影響高速公路的使用壽命和行車安全。因此，高速公路進行加寬改造時，如果遇到粉砂土填料路基需要重點做好路基加固處理，這樣才能保證擴建后的新路面也能具備較強的承載力，切實提高高速公路的整體質量。目前來看，常用的粉砂土填料路基加固技術有錨桿注漿加固、高壓旋噴注漿加固等幾種。結合工程實際情況科學選用加固技術，對高速公路加寬改造后的質量效果有積極影響。

1 工程概況

某高速公路全長188.46km，采用雙向4 車道設計，路基寬度26.4m，中央分隔帶采用墻式護欄形式，設計車速110km/h。該高速公路于2007 年建成并投入使用，近年來由于車流量增加，經常出現道路擁堵情況，為提高通行效率決定將其擴建成雙向8 車道。從地質調查結果來看，路線所在地區的巖土結構自上而下分別為雜填土、黏土、粉砂、中砂、粗砂、礫石。其中黏土、砂土分布廣泛，地下水位深度介于18～30m 之間。結合道路加寬要求和地質勘察結果，本次擴建工程擬采用“兩側拼寬為主、局部分離”的方式進行擴建，需要將路基加寬至43.4m，加寬后高速公路的設計車速達到120km/h。另外，考慮到粉砂土的粘聚力和保水性差，承載力不高，因此在新舊路基分離式拼接的基礎上，還需要采用注漿加固技術提高路基承載力。

2 高速公路粉砂土填料路基加寬技術

2.1 開挖臺階

在既有路基邊緣處開挖臺階，其作用是提高新老路基結合面的抗剪強度，更有利于新老路基成為整體，減少因為路基沉降差異不同而導致路面開裂的問題。其中，路基臺階又可分為若干種形式，比較常用的有標準式、內傾式等，如圖1 所示。

圖1 開挖臺階基本形式

內傾式臺階可以保證新老路基的銜接效果更好，但是影響臺階面壓實效果；內挖式臺階可滿足拼接部位填土的壓實要求，但是開挖量較大。因此綜合考慮各方面因素后，本次工程中選擇標準式臺階。臺階寬度為30cm，高度為20cm，為避免臺階開挖作業中因為雨水沖刷或陽光暴曬導致砂土松散、坍塌，要求現場完成臺階開挖作業后立刻噴射一層M10 砂漿進行臨時保護。

2.2 新舊路基分離式拼接

所謂分離式拼接，是指在不破壞高速公路既有路基的前提下，在路基一側再填筑新的路基，然后使用定噴墻將兩者連接起來，如圖2 所示。

圖2 分離式拼接

采用分離式拼接方式進行高速公路路基加寬，其優勢在于布置自由，一方面能夠有效解決填砂路基開挖加寬時難以成型的問題，另一方面也可以降低新舊路基搭接處的沉降差，對提高新舊路基的整體性有積極幫助。使用分離式拼接加寬技術時，應注意把握以下技術要點：（1）在新舊路基中間垂直打入一根板樁，嵌入土體的深度大約在1.2～1.5m，其作用是將新擴寬路基的沉降隔離在板樁處，避免因為新路基沉降而對既有路基產生連帶影響；（2）新路基處理時，應設置擠實砂樁或石灰樁，用于縮小新路基的沉降幅度；（3）新路基的填料盡量選擇輕質填料，能夠減少因為填料自重帶來的沉降。

2.3 砂土路基超前注漿加固

粉砂土填料路基的保水性差、承載力低，為提高路基穩定性需要使用超前注漿加固方式，讓泥漿與粉砂土結合從而提高路基整體強度，有效解決路基沉降病害。在應用這一技術時，需要重點關注漿液選擇、材料配制、注漿參數設計等關鍵點。

2.3.1 確定注漿漿液

現階段常用的注漿漿材有多種，應用較廣的有水泥漿材和化學漿材兩大類。前者以單液水泥漿、黏土水泥漿、水泥-水玻璃漿等為主，后者主要包括水玻璃類、木質素類、環氧樹脂類、聚氨酯類等。本次工程中，將“漿液可灌性”作為選用漿材的核心指標。可灌性較好的情況下，采用靜壓注漿技術可以使漿液盡可能地擴大擴散半徑，從而在更大范圍內提高注漿加固效果。凈空比（R）是影響可灌性的重要指標，其計算公式為：

R=Dp/d

上式中Dp表示土體的有效孔隙尺寸，d 表示漿液的顆粒尺寸。理論上來說，只有R＞1，漿液才是可灌的。但是實際中，漿液中的顆粒尺寸是不均勻的，因此為防止孔隙堵塞而影響灌漿效果，要求R 的值應在2～3 左右。

2.3.2 制備注漿漿液

本次工程中選擇水玻璃漿液，配制漿液時將硫酸和醋酸作為溶劑制作水玻璃溶液。其中，漿液模數主要影響水玻璃溶液的膠凝時間，兩者呈反比關系，即模數越大，則膠凝時間越短，本次工程中確定水玻璃的模數為4.2，波美度(20℃) 為33-40，Na2O 含量為9.44%，SiO2含量為25.7%，固體含量為31.55%。水玻璃溶液中無機鹽的種類和濃度，也會對其膠凝時間產生顯著影響。選擇常用的4種無機鹽（AlCl3、CaCl2、MgCl2、FeCl3）,分別將其加入到等量的4 份水玻璃溶液中，觀察不同濃度下水玻璃溶液的膠凝時間，記錄數值并以無機鹽濃度為x 軸、以膠凝時間為y 軸，繪制不同無機鹽濃度下水玻璃溶液膠凝時間變化曲線，如圖3 所示。

圖3 無機鹽濃度對硫酸水玻璃溶液膠凝時間的影響

結合圖3 可知，從整體上來看，隨著無機鹽濃度的增加，水玻璃溶液的膠凝時間逐漸變短。其中，AlCl3、CaCl2、MgCl2三種無機鹽在達到15000mg/L 時，膠凝時間不足100min，因為膠凝時間太短無法滿足灌漿施工所需的必備時間。相比之下，加入了FeCl3的水玻璃溶液，在濃度達到15000mg/L 時膠凝時間仍然有140min，可以滿足現場灌漿施工需要，因此本工程中制備水玻璃漿液時，選擇添加FeCl3來提高其膠凝效果，最終的漿液配合比如表1 所示。

表1 灌漿漿液配合比

在此基礎上制作了漿液樣品并進行了固體強度實驗。使用上述漿液制作4×4×10 的長方體，進行抗壓強度測試。結果表明，樣品7d 抗壓強度達到0.25MPa，28d 抗壓強度達到0.94MPa，可以滿足高速公路路基加固需求。

2.4 現場注漿施工

經試樣檢測確定符合施工要求后，批量制備水玻璃漿液用于現場注漿加固施工。在開挖臺階的基部以垂直于坡面的方式向內鉆孔，注漿孔的半徑為30mm，孔間距為1.8m，有效注漿厚度為2.4m。在坡面標記出各個孔位點，然后進行復核，確認無誤后使用鉆機進行鉆孔。成孔之后檢查有無孔壁坍塌、開裂等問題，確定符合成孔要求后，使用工具將孔內碎石、泥土等清理干凈。本次工程采用壓力注漿方式，將準備好的漿液導入注漿機中，設定注漿壓力為0.8MPa。將注漿管插入鉆孔內，啟動設備將水玻璃漿液緩慢注入到鉆孔中。在壓力作用下，漿液會沿著鉆孔向四周滲透、擴散。同時，現場施工人員密切關注邊坡情況，當邊坡有冒氣現象，或者漿砌片石孔洞處有漿液滲出后，即可中止注漿，然后關閉注漿管口的止漿閥，將設備移動至下一個孔口，按照同樣的方式繼續操作，直到路基坡面上所有孔全部注漿完畢。

3 粉砂土填料路基注漿加固效果分析

完成新舊路基拼接處理和注漿加固處理后，還應開展現場試驗檢驗路基加寬后的質量狀況。一方面是判斷現場施工是否滿足設計方案中的要求，另一方面如果發現質量問題也能及時改正處理，消除質量隱患。在注漿結束7d 后，施工人員將加固處表面漿砌片石剝離，然后從新舊路基加固區鉆孔取樣，并對獲取樣品展開分析判斷施工效果。試驗中，采取鉆機定點鉆入取樣的方式，分別從4 個方向上采集不同深度的巖土樣品，取樣點的布置如圖4 所示。

圖4 單孔注漿取樣點的布置圖

將獲取的樣品帶入到實驗室展開分析，記錄各個取樣點的有效加固深度，然后以該點位與注漿孔之間距離作為x 軸，以有效加固深度作為y 軸，繪制二維坐標圖，如圖5 所示。

圖5 不同方向加固有效深度分布圖

結合圖5 可知，高速公路路基邊坡注漿加固時，漿液以鉆孔為中心向四周擴散時，表現出不均勻性。具體來說，不同注漿點在水平方向上的擴散距離大體一致，但是在垂直方向上存在明顯差異，向上擴散的距離明顯小于向下擴散的距離。分析其原因，一方面是粉砂土填料路基的壓實度高與邊坡，孔隙率較低，因此漿液更容易橫向擴散。另一方面，底部巖層硬度較大，而上部巖土較為松散，因此向上擴散阻力較小，擴散范圍較大。綜合試驗數據來看，本次工程中使用水玻璃漿液進行粉砂土填料路基加固，注漿擴散深度在0.8～1.2m 之間，擴散半徑在1.6～2.0m之間，路基加固效果理想。

結束語

為了更好滿足交通運輸需求，需要對修建時間較早、車流量較大的高速公路進行加寬改造。使用粉砂土填料路基的高速公路，在進行路基加寬改造時應重點關注新舊路基結合處理的裂縫控制，保證路面的整體完好。從施工經驗來看，對這類既有高速公路進行加寬改造時，應采取開挖臺階的方式提高新舊路基結合面的抗剪強度，使新舊材料的結合強度得到進一步提升，避免新舊路基因為沉降不一致而出現開裂的情況。同時，對于粉砂土填料路基，考慮到這種材料具有保水性差、承載力低等特點，加寬施工中還要采取注漿加固技術予以處理。使用水玻璃溶液作為漿材，采用壓力注漿方式使其擴散到粉砂土填料路基中，漿材與路基填料混合并凝固后，能夠顯著提高路基的承載力，避免了因為車流量過大或者是地下水滲透導致路基沉降、路面開裂的常見質量問題，使加寬后的高速公路具有更強的穩定性，對延長使用壽命、減少后期維護成本也有積極幫助。