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高填方路基沉降處治灌漿技術的工程實踐與認識

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高填方路基沉降處治灌漿技術的工程實踐與認識

發布日期:2016-03-09 00:00 來源:http://www.zammitflowers.com 點擊:

   摘 要:高填方路基沉降是公路工程質量通病之一。該文以國道108線廣元段高填方路基沉降這一病害處治為實例,介紹了高填方路基沉降處治的壓力灌漿設計、施工工藝和質量控制方法,對漿液的經濟性與可灌性、結石率及灌漿過程中的路面抬動等相關問題進行了討論。 
關鍵詞: 高填方路基    壓力灌漿   質量控制與檢驗 

    1 引言 
    高填方路基沉降是公路工程質量通病之一,它直接影響著高等級公路的質量或正常運營,威脅著高速運行車輛的安全,同時也給日常養護、維修工作帶來許多麻煩。到目前為止,對高等級公路路面、路基等病害的處理方法并不多,多數是沿用低等級公路的養護經驗、設備、方法,不能滿足高等級公路要求。為此,本文通過應用壓力灌漿工藝對國道108線廣元段高填方路基沉降這一病害處治為例,從而對壓力灌漿處治路基沉降探索出有效的科學處理方法。 
國道108線廣元段(沙溪壩—瓷窯鋪)全長43.85km,其中廣南段為高速公路,長30.35km,路基寬25m;廣元過境段為一級公路,長13.5km,路基寬17.5m。廣元段位處淺山重丘區域,路堤填筑高度一般在10m~20m。由于該段地質、地貌條件復雜,路基填料全取自就近的挖方路段。填料的巖性和粒徑差異較大,使得在路基填筑施工過程中,填方路堤壓實質量不易檢測和控制,以致在工程建設后期部分高填方路基密實度不足的問題逐漸顯露,表現為路基沉降變形,已鋪基層或路面出現1.5~20mm寬的縱橫向裂縫,且存在繼續發展的趨勢。 
針對高填方路基沉降這一病害,在進行技術與經濟論證及多方案比選后,決定采用壓力灌漿的方法,對調查后確認的填方密實度不足的病害路段進行處治,同時對全段橋臺填方區進行灌漿預處理,以確保通車后公路暢通和營運安全。 
廣元段高填方路基沉降的灌漿處治于2000年12月12日開始,至2001年3月底基本結束,為本工程項目的按期完成通車提供了保障。截止2002年7月底,該段路已通車一年,經壓力灌漿處治過的高填方路基基本穩定,未見明顯沉降。 
本文以國道108線廣元段高填方路基沉降病害處治為實例,討論了高填方路基沉降處治的壓力灌漿設計、施工工藝和質量控制方法,對漿液的經濟性與可灌性、結石率及灌漿過程中的路面抬動等相關問題,為類似工程的處治積累了寶貴的經驗。 
    2 路基填筑概述  
    據鉆孔取芯揭示,灌漿鉆孔所遇土體分為路面結構層和路基填方兩部份。路面結構層為基層、底基層和瀝青混凝土路面,厚0.6m,結構致密。路基填方土體為角礫碎石土,干燥,中密。碎石以開挖回填的粉砂質泥巖,頁巖和粉砂巖為主,強風化~中風化,石質強度低。碎石含量30~60%,粒徑一般為2~15cm;角礫含量20~30%,粒徑0.2~2cm;其余為塊石和粉質粘土。 
    廣南段高路堤中塊石含量偏高,土體顆粒間的孔隙大,灌漿施工中的注漿孔段單位吸漿量普遍較大,部分路段含有層厚0.2~0.45m的粉質粘土,可塑~硬塑狀;部分橋臺的填方中含有較多的砂卵石,成孔困難且灌漿量篇小。 
廣元過境段高路堤中粉質粘土的含量較大,橋臺填方中少見砂卵石。該段高填方路基斷面圖及路面結構橫斷面圖見圖1。 

    圖1 高填方路基斷面圖及路面結構斷面圖 
    Fig1.The sketch map of the subgrad and pavement  


    3 壓力灌漿設計 
    3.1灌漿方案 
    根據國道108線廣元段高填方路基的土質情況,設計選用水泥粉煤灰漿液進行壓力灌注。灌漿類型為滲流型,利用滲流擴散到填方土體中的漿液的固結硬化,填充路基中較易連通的孔隙,并將原來松散的土?;蛄严赌z結成一個整體,增加土體抵抗變形的能力。 
灌漿處治范圍:路堤按病害路段的沉降變形破壞情況分全路幅或半路幅灌漿;橋臺填方預處治為搭板外15m路段長;不含路面結構層的灌漿孔深度為2.0~8.0m, 隨填方高度的增加而加深,邊排孔的深度大于中間孔。 
    3.2 灌漿孔布置 
    路基灌漿鉆孔沿公路走向成排布置,排間鉆孔交錯成梅花形,廣南段全路幅布孔8排(橋臺布孔10排),過境段全路幅布孔6排。布孔間距,由公路外側往內,第1、2排孔按排距×孔距=2m×2m布置。第3排孔與第2排孔的排距為3m。自第3排起往內,路堤按3m×3m、橋臺按2.5m×2.5m的間距布孔。  
    3.3 灌漿技術要求 
    灌漿孔為鉛垂孔,采用無水鉆進方式成孔,終孔直徑≮70mm。灌漿孔按由外向內的原則依次逐排由上至下的分段鉆灌。填方0~1.0M為第一灌段,灌漿壓力0.2Mpa;1.0m以下為第二灌段,灌漿壓力0.5Mpa。灌漿材料為水、325普通硅酸鹽水泥,粉煤灰作摻合料。要求漿液結石率≥80%,28d抗壓強度≥2Mpa,灌漿必需使用止漿塞。在規定的灌漿壓力條件下,當注入率≤1L/min時,持續灌注10min即可止漿,停止灌注。 
    3.4 灌漿現場試驗 
    在路堤和橋臺選點進行灌漿現場試驗。試驗項目包括動力觸探,面波測試,鉆孔取樣密實度測試,漿液灌注試驗。通過試驗尋找出適合不同處治路段的漿液配合比、施工工藝和質量檢測方法。  
    4 灌漿施工   
    4.1灌漿工藝流程 
    路基壓力灌漿施工先是按設計圖紙定孔放樣,然后開動鉆機進行成孔鉆進,經檢驗合格后開始漿液灌注,直至達到設計要求終止灌注。其工藝流程如圖2:

    圖2灌漿工藝流程圖 
    Fig2. grouting technological process 



    灌漿施工程序為:布設灌漿鉆孔→鉆機就位→成孔鉆進→終孔移機→檢驗孔深→安裝灌漿器→配制漿液→壓力灌漿→漿液變換→壓力灌漿→止漿并取出灌漿器→封孔。 
    4.2鉆孔 
    鉆灌漿孔使用GX-1型液壓鉆機,配Φ50mm外絲鉆桿,Φ91mm(Φ75mm)粗徑鉆具帶硬質合金鉆頭鉆進成孔,W-2.8/5空壓機送風洗孔排渣。按要求由外往內分序分段施工??咨?lt;4.0m,一次成孔;孔深≥4.0m,則分兩段鉆灌。 
    4.3灌漿 
    4.3.1漿液配合比 
    采用廣元寶輪牌325R型普通硅酸鹽水泥和工地附近的溝溪水配制漿液,摻合料粉煤灰取自廣元煤礦發電廠。根據處治路段填方土體的不同情況,將路堤土體分為普通類、超漏類和微滲類三種,分類確定主灌配合比: 
(1)普通類路堤土 
水∶水泥=1.5∶1 
水∶水泥∶粉煤灰(濕)=1∶1∶0.25;1∶1∶0.5;1∶1∶0.65 
(2)超漏類路堤土 
水∶水泥=1.5∶1 
水∶水泥∶粉煤灰(濕)=1∶1∶0.5;1∶1∶0.75;1.2∶1∶2 
(3)微滲類路堤土 
水∶水泥=1.5∶1;1∶1;0.8∶1 
    超漏類路堤土的鉆孔在堵漏后,再換普通類路堤土所用同一比級續灌至終孔。 
4.3.2 漿液灌注 
    灌漿前,先對灌漿管線與設備進行檢查,在確認運轉正常后,再制漿。漿液的拌制與灌注使用100/1.5型隔膜灌漿機。漿材和粉煤灰按配合比定量加入到灌漿機的攪拌桶內。每桶漿液攪拌時間不少于3min,然后經濾網放入儲漿桶,邊灌邊攪,連續作業。 
    本次壓力灌漿采用孔口封閉法,封閉孔口采用橡膠栓塞。灌漿施工中,設專人執守灌漿機和灌漿孔口,檢查漿液配合比,記錄灌漿數據和有關異常情況,控制泵壓在規定范圍內。 
    4.3.3 漿液變換 
    (1)采用1.5∶1的比級起灌,限量灌注水泥50kg。 
    (2)起灌后,改用水泥粉煤灰漿續灌,由稀到濃逐級變換。當遇到鉆孔漏失嚴重、吸漿量超常時,則加大漿液中的粉煤灰劑量;反之,當遇到鉆孔吸漿不足時,則減少漿液中的粉煤灰劑量,或直接采用純水泥漿灌注。 
    (3)當某一比級漿的灌漿量已達200L/m,且注入率大于30L/min時,應加濃一級。 
    (4)當注入率大于60L/min,且孔口壓力<0.1Mpa時,可越級變濃。 
    4.3.4 止漿 
    按路基灌漿技術要求,當注入率≤1L/min,第一段注漿壓力達到0.2Mpa、第二段壓力達到0.5Mpa,持續灌注10min,即可止漿,停止灌注。若因路面裂縫或邊坡漏冒漿,路面抬動而停灌的灌漿孔,進行間歇灌漿;竄漿孔用止漿器將其封閉后續灌。對在補灌過程中仍出現非正常情況,而穩定漿液面在路面結構層內的灌槳孔和路面抬動累計達4mm的灌漿孔不再進行補灌。 
    5  灌漿質量的控制與檢驗 
路基灌漿主要包括鉆灌漿孔和灌漿兩個工序,施工中按程序要求實施了工程質量的控制與檢驗,包括: 
    (1)檢查鉆孔孔位偏差、孔徑和灌段長度。 
    (2)按規定進行灌漿材料的抽樣送檢。 
    (3)堅持各個處治路段每天采取漿液試件樣,現場初測漿液結石率后,送樣測試結石率和抗壓強度。 
    (4)根據灌漿技術數據(注漿壓力、灌漿量、漿液配合比)綜合反映出的填方路段的孔隙情況,選擇確認適宜本段灌漿的配合比,對處治范圍進行合理的灌注。 
    (5)采用復灌法檢驗灌漿填充效果。復灌孔由監理工程師隨機確定;檢測孔比例:高填路堤為灌漿孔數的3%,橋臺為5%。復灌漿量小于鄰近孔平均灌漿量的30%即為合格,復灌壓力為0.5Mpa。 
檢測結果如下: 
    鉆孔成孔質量檢測合格率100%。 
    取漿液試塊送檢468組,漿液結石率為90.31%,28d抗壓強度14.3 Mpa。 
    復灌檢驗415孔,合格404孔,復灌合格率97.3%。 
    試塊檢測和復灌檢驗按分項工程分路段進行評定,也達合格要求。 
    6 路基灌漿的認識與探討 
    6.1 漿液的經濟性與可灌性 
    漿液的經濟性主要由制漿材料和灌注方法決定。制漿材料包括主劑(原材料)、溶劑(水或其它溶劑)和外加劑。漿液即是由制漿材料經攪拌混合后制成的可以固化的液體。工程施工中漿液分為溶液型和懸濁液型兩大類。從總體上講,溶液型漿液粘度低、可灌性好,但漿材與灌注成本較高;懸濁液型漿液因有固體顆粒懸浮在液體中,故易產生離析沉降并難以進入小于其顆粒直徑的土體裂縫和孔隙中,但漿材與灌注成本低。 
    路基壓力灌漿目的是用漿液充填路基填方土體中塊(顆)粒間的孔隙并將其固結起來,以提高土體密度、增加土體強度及抗變形能力。因而水泥為漿液首選主劑。水泥漿液的經濟性則由水泥、水及外加劑的相互比例即漿液配合比來決定。在漿液的流動性和結石率恒定時,配制單位體積漿液的材料費用就是漿液的經濟指標。材料費用高,經濟指標低,材料成本低,則經濟指標高。顯而易見,要提高水泥漿液的經濟指標,要么降低漿液中的水泥標號并減少加量,要么增加外摻料的用量。隨之而來的是水泥漿液性能的不同變化: 
    水泥標號降低,漿液結石的抗壓強度降低; 
    減少水泥加量,等于加大了漿液的水灰比,漿液的結石率和抗壓強度同時降低; 
增加外摻料的用量,隨著粘度和漿液中固體顆粒的含量增加,漿液的可灌性降低,制漿量和結石率增加,抗壓強度呈“∩”形變化。 
    鑒于此次廣元段路基壓力灌漿具有工程量大、時間短的特點,灌漿處治選擇粉煤灰為外摻料配制水泥粉煤灰漿,經試驗后擬定了配合比,并針對漿液結石強度的試驗數據與設計要求結石強度相比有較大富余的情況,將水泥標號由原設計的425#降為325#,使漿液的經濟性得以提高,可灌性得到保證。 
    6.2 漿液結石率 
    結石率(β)是漿液固結后結石體積(V1)與漿液體積(V2)之比的百分數,表達式為:β= V1/ V2×100% 。結石率是漿液技術性能的一個重要指標。漿液的結石率愈高,其固化結石的縮空率愈小,灌漿效果愈好??梢哉f高結石率的漿液是保證灌漿質量的必備條件。 
    廣元段高填方路基灌漿要求漿液的結石率≥80%。施工中為保證灌漿效果,對每一個處治路段都按規定每天取一組主灌配合比的漿液,進行結石率的現場檢測,并將檢測結果記錄在表格上。根據中心試驗室對含監理抽樣在內的468組漿液試塊(試塊盒尺寸為7.01cm×7.01cm×7.01cm)的檢測資料,主灌漿液結石率的最小值為80%,結石率的算術平均值為90.3%,均滿足設計要求。 
    漿液結石率主要受水灰比的影響,水灰比愈大,結石率愈低。在漿液中適當加大粉煤灰用量(如由30%的加量提高到50%的加量——粉煤灰未烘干),漿液結石率的變化不大。漿液結石率還與氣溫有關,同樣是水∶水泥∶粉煤灰=1∶1∶0.5的配合比,在氣溫30℃時的結石率要比在氣溫5℃時的結石率高出5%~8%。 
    需特別指出的是,由于填方土體顆粒的吸水和穩壓灌漿的壓力作用,灌注到填方路基中的漿液與裝在試樣盒中的漿液,兩者的結石率和結石強度有一定的差異,前者的狀況優于后者。灌漿結束后,因排除堵管和修復受損路面對部份壓力灌漿的路段進行了局部開挖,在開挖斷面上見到的漿液結石成塊狀星落棋布的填塞在填方路基的土體中,漿塊與土體顆粒完全接觸,并沒見漿液凝固造成的縮空現象。也就是說,抽樣檢測結石率為80%以上的漿液,在填方土體中成根脈狀擴散以后,其結石率幾可達到100%。 
    6.3 關于路基壓力灌漿中存在的幾個問題 
    在廣元段路基壓力灌漿施工中,存在的問題主要有:路面抬動、漿液竄冒、場地污染等。 
6.3.1 路面抬動 
    填方路基灌漿,通常自孔深0.6m至終孔孔深均視為吸漿孔段。其中孔深4.0m以內的孔段為淺表層,這部份孔段由于上覆土壓力小,僅0.08Mpa(0.021×4=0.08Mpa),灌漿施工中即使在0.1~0.2Mpa的壓力下也容易引起路面抬動。 
    廣元段路基壓力灌漿,使用百分表制作簡易抬動監測儀用于監測灌漿孔口附近的路面抬動情況,控制抬動量不超過5mm。大量的監測數據表明,產生初始抬動時的灌漿壓力最小不到0.1Mpa,最大可達0.5Mpa。抬動一旦發生后,當灌漿壓力達到或超過初始抬動壓力時,連續灌注就會使抬動量逐漸甚至迅速遞增。 
    據對9個橋臺的灌漿抬動統計資料,在828個灌漿孔中,就有546個鉆孔曾經出現程度不同(0.2~5.0mm)的抬動現象,抬動鉆孔數占總孔數的比例高達65.9%,由此可見抬動的普遍性。 
灌漿過程中漿液在壓力作用下總是較多的流向阻力較小的孔隙和裂縫,當某一區域漿液作用于土體的上推力聚合起來大于其上覆土體壓力和土體抗變形能力時,這一區域路面抬動變形的發生就不可避免。產生抬動變形之處就是某一時刻在一定灌漿壓力下以灌漿鉆孔為主干的根脈狀灌漿體系的擴展之處,或稱為路面抗抬動變形的薄弱處。導致這些薄弱處產生即引起抬動變形的原因主要有:填方土體沉降產生層狀縫隙或較大面積的懸空和在灌漿壓力作用下止漿栓塞上的反作用力造成的應力集中等??刂坡访嫣?,做好監測工作可以說是被動控制,還應從力的平衡原理出發考慮采用諸如縮小布孔間距以降低注漿壓力、分層鉆灌以提高表層土體的抗變形能力、低壓小流量灌漿、增加止漿栓塞的膠塞數量和孔口反壓等措施,在技術與經濟可行的條件下,盡可能的降低路面抬動。 
    6.3.2  漿液竄冒 
    漿液竄冒大多是因灌漿壓力不平衡和土體中的孔隙裂縫與外界竄通造成的。為防止和減少路堤邊坡竄冒漿發生,廣元段路基灌漿采用了加密加深邊排孔的措施,對防止內排孔在灌漿過程中出現的邊坡竄冒漿起到了一定的作用,但同時也增加了邊排孔竄冒漿的可能性。據對前述9個橋臺的漿液竄冒統計資料,竄冒漿鉆孔占9個橋臺灌漿孔總數的40%以上,而其中半數以上為邊坡處竄冒漿。 
    填方路段灌漿過程中的漿液竄冒是不可避免的。當竄冒漿發生時,常用的辦法就是間歇灌漿、減壓灌漿、加大漿液中摻合料的加量,對竄冒漿處予以封堵等。從確保路基灌漿的每一單元的處治效果考慮,對竄冒漿鉆孔是否達到正常止漿條件要求進行核查是完全有必要的;同時,還應采取分序分段鉆灌、延長內外排灌漿鉆孔的施工間隔時間等措施。
    6.3.3  場地污染 
    路基壓力灌漿的污染主要是指發生竄冒漿后溢流于路面、邊坡和排水溝等處的漿液所留下的痕跡和漿塊,對于鋪筑了瀝青的路面還有施工機械用油滴漏造成的腐蝕。 
    廣元段路基壓力灌漿施工,在防止污染、維護路容路貌方面做了大量而又細致的工作,包括在灌漿孔口攤鋪粉煤灰、及時沖洗溢流在路面的漿液、鉆機配用電動機、機械滴油處墊灰土、集中清理竄冒漿形成的漿斑和結石等,并把處治路段的外觀形象作為驗收檢查的條款之一,因而總體上講較好的處理了灌漿污染問題,也為此付出了相應的代價。 
    7  結語 
    (1)在對填方路基實施壓力灌漿后,漿液填充了路基土體中的孔洞與孔隙,使路基土體的密實度提高、孔隙率降低,同時由于漿液對土體中散狀塊石、土粒的固結作用,使土體的抗變形能力提高,病害路段的不均勻沉降得到有效控制。 
    (2)填土結構松散,填料巖性與粒徑變化較大、填料級配不合理是導致填方土體密實度不足,引發路基沉降、路面出現裂縫等病害的主要原因。 
    (3)經灌漿試驗后確定的布孔間距(2m×2m或3m×3m),灌漿壓力(0.2~0.5Mpa),漿液結石率(≥80%)、抗壓強度(>2Mpa)等灌漿技術參數適合本段路基的客觀地質條件。 
    (4)路基灌漿的漿液配合比應根據處治路段的填料巖性和粒徑選擇確定,并根據鉆孔的吸漿情況及時予以調整。 
    (5)維護路容路貌是路基壓力灌漿的一項重要工作,尤其要重視抓好路面抬動、漿液竄冒、路面污染等項工作。

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