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高填方路基沉降处治灌浆技术的工程实践与认识

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    摘 要:高填方路基沉降是公路工程质量通病之一。该文以国道108线广元段高填方路基沉降这一病害处治为实例,介绍了高填方路基沉降处治的压力灌浆设计、施工工艺和质量控制方法,对浆液的经济性与可灌性、结石率及灌浆过程中的路面抬动等相关问题进行了讨论。
关键词: 高填方路基    压力灌浆 
质量控制与检验

1 引言

    高填方路基沉降是公路工程质量通病之一,它直接影响着高等级公路的质量或正常运营,威胁着高速运行车辆的安全,同时也给日常养护、维修工作带来许多麻烦。到目前为止,对高等级公路路面、路基等病害的处理方法并不多,多数是沿用低等级公路的养护经验、设备、方法,不能满足高等级公路要求。为此,本文通过应用压力灌浆工艺对国道108线广元段高填方路基沉降这一病害处治为例,从而对压力灌浆处治路基沉降探索出有效的科学处理方法。
国道108线广元段(沙溪坝—瓷窑铺)全长43.85km,其中广南段为高速公路,长30.35km,路基宽25m;广元过境段为一级公路,长13.5km,路基宽17.5m。广元段位处浅山重丘区域,路堤填筑高度一般在10m~20m。由于该段地质、地貌条件复杂,路基填料全取自就近的挖方路段。填料的岩性和粒径差异较大,使得在路基填筑施工过程中,填方路堤压实质量不易检测和控制,以致在工程建设后期部分高填方路基密实度不足的问题逐渐显露,表现为路基沉降变形,已铺基层或路面出现1.5~20mm宽的纵横向裂缝,且存在继续发展的趋势。
针对高填方路基沉降这一病害,在进行技术与经济论证及多方案比选后,决定采用压力灌浆的方法,对调查后确认的填方密实度不足的病害路段进行处治,同时对全段桥台填方区进行灌浆预处理,以确保通车后公路畅通和营运安全。
广元段高填方路基沉降的灌浆处治于2000年12月12日开始,至2001年3月底基本结束,为本工程项目的按期完成通车提供了保障。截止2002年7月底,该段路已通车一年,经压力灌浆处治过的高填方路基基本稳定,未见明显沉降。
本文以国道108线广元段高填方路基沉降病害处治为实例,讨论了高填方路基沉降处治的压力灌浆设计、施工工艺和质量控制方法,对浆液的经济性与可灌性、结石率及灌浆过程中的路面抬动等相关问题,为类似工程的处治积累了宝贵的经验。
2 路基填筑概述 
    据钻孔取芯揭示,灌浆钻孔所遇土体分为路面结构层和路基填方两部份。路面结构层为基层、底基层和沥青混凝土路面,厚0.6m,结构致密。路基填方土体为角砾碎石土,干燥,中密。碎石以开挖回填的粉砂质泥岩,页岩和粉砂岩为主,强风化~中风化,石质强度低。碎石含量30~60%,粒径一般为2~15cm;角砾含量20~30%,粒径0.2~2cm;其余为块石和粉质粘土。
    广南段高路堤中块石含量偏高,土体颗粒间的孔隙大,灌浆施工中的注浆孔段单位吸浆量普遍较大,部分路段含有层厚0.2~0.45m的粉质粘土,可塑~硬塑状;部分桥台的填方中含有较多的砂卵石,成孔困难且灌浆量篇小。
广元过境段高路堤中粉质粘土的含量较大,桥台填方中少见砂卵石。该段高填方路基断面图及路面结构横断面图见图1。
图1 高填方路基断面图及路面结构断面图




Fig1.The sketch map of the subgrad and pavement 
3 压力灌浆设计
3.1灌浆方案
    根据国道108线广元段高填方路基的土质情况,设计选用水泥粉煤灰浆液进行压力灌注。灌浆类型为渗流型,利用渗流扩散到填方土体中的浆液的固结硬化,填充路基中较易连通的孔隙,并将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体,增加土体抵抗变形的能力。
灌浆处治范围:路堤按病害路段的沉降变形破坏情况分全路幅或半路幅灌浆;桥台填方预处治为搭板外15m路段长;不含路面结构层的灌浆孔深度为2.0~8.0m, 随填方高度的增加而加深,边排孔的深度大于中间孔。
3.2 灌浆孔布置
    路基灌浆钻孔沿公路走向成排布置,排间钻孔交错成梅花形,广南段全路幅布孔8排(桥台布孔10排),过境段全路幅布孔6排。布孔间距,由公路外侧往内,第1、2排孔按排距×孔距=2m×2m布置。第3排孔与第2排孔的排距为3m。自第3排起往内,路堤按3m×3m、桥台按2.5m×2.5m的间距布孔。 
3.3 灌浆技术要求
    灌浆孔为铅垂孔,采用无水钻进方式成孔,终孔直径≮70mm。灌浆孔按由外向内的原则依次逐排由上至下的分段钻灌。填方0~1.0M为第一灌段,灌浆压力0.2Mpa;1.0m以下为第二灌段,灌浆压力0.5Mpa。灌浆材料为水、325普通硅酸盐水泥,粉煤灰作掺合料。要求浆液结石率≥80%,28d抗压强度≥2Mpa,灌浆必需使用止浆塞。在规定的灌浆压力条件下,当注入率≤1L/min时,持续灌注10min即可止浆,停止灌注。
3.4 灌浆现场试验
    在路堤和桥台选点进行灌浆现场试验。试验项目包括动力触探,面波测试,钻孔取样密实度测试,浆液灌注试验。通过试验寻找出适合不同处治路段的浆液配合比、施工工艺和质量检测方法。 
4 灌浆施工

4.1灌浆工艺流程
    路基压力灌浆施工先是按设计图纸定孔放样,然后开动钻机进行成孔钻进,经检验合格后开始浆液灌注,直至达到设计要求终止灌注。其工艺流程如图2:






图2灌浆工艺流程图 

    灌浆施工程序为:布设灌浆钻孔→钻机就位→成孔钻进→终孔移机→检验孔深→安装灌浆器→配制浆液→压力灌浆→浆液变换→压力灌浆→止浆并取出灌浆器→封孔。
4.2钻孔
    钻灌浆孔使用GX-1型液压钻机,配Φ50mm外丝钻杆,Φ91mm(Φ75mm)粗径钻具带硬质合金钻头钻进成孔,W-2.8/5空压机送风洗孔排渣。按要求由外往内分序分段施工。孔深<4.0m,一次成孔;孔深≥4.0m,则分两段钻灌。
4.3灌浆
4.3.1浆液配合比
    采用广元宝轮牌325R型普通硅酸盐水泥和工地附近的沟溪水配制浆液,掺合料粉煤灰取自广元煤矿发电厂。根据处治路段填方土体的不同情况,将路堤土体分为普通类、超漏类和微渗类三种,分类确定主灌配合比:
(1)普通类路堤土
水∶水泥=1.5∶1
水∶水泥∶粉煤灰(湿)=1∶1∶0.25;1∶1∶0.5;1∶1∶0.65
(2)超漏类路堤土
水∶水泥=1.5∶1
水∶水泥∶粉煤灰(湿)=1∶1∶0.5;1∶1∶0.75;1.2∶1∶2
(3)微渗类路堤土
水∶水泥=1.5∶1;1∶1;0.8∶1
超漏类路堤土的钻孔在堵漏后,再换普通类路堤土所用同一比级续灌至终孔。
4.3.2浆液灌注
    灌浆前,先对灌浆管线与设备进行检查,在确认运转正常后,再制浆。浆液的拌制与灌注使用100/1.5型隔膜灌浆机。浆材和粉煤灰按配合比定量加入到灌浆机的搅拌桶内。每桶浆液搅拌时间不少于3min,然后经滤网放入储浆桶,边灌边搅,连续作业。
本次压力灌浆采用孔口封闭法,封闭孔口采用橡胶栓塞。灌浆施工中,设专人执守灌浆机和灌浆孔口,检查浆液配合比,记录灌浆数据和有关异常情况,控制泵压在规定范围内。
4.3.3浆液变换
(1)采用1.5∶1的比级起灌,限量灌注水泥50kg。
(2)起灌后,改用水泥粉煤灰浆续灌,由稀到浓逐级变换。当遇到钻孔漏失严重、吸浆量超常时,则加大浆液中的粉煤灰剂量;反之,当遇到钻孔吸浆不足时,则减少浆液中的粉煤灰剂量,或直接采用纯水泥浆灌注。
(3)当某一比级浆的灌浆量已达200L/m,且注入率大于30L/min时,应加浓一级。
(4)当注入率大于60L/min,且孔口压力<0.1Mpa时,可越级变浓。
4.3.4止浆
按路基灌浆技术要求,当注入率≤1L/min,第一段注浆压力达到0.2Mpa、第二段压力达到0.5Mpa,持续灌注10min,即可止浆,停止灌注。若因路面裂缝或边坡漏冒浆,路面抬动而停灌的灌浆孔,进行间歇灌浆;窜浆孔用止浆器将其封闭后续灌。对在补灌过程中仍出现非正常情况,而稳定浆液面在路面结构层内的灌桨孔和路面抬动累计达4mm的灌浆孔不再进行补灌。
5
灌浆质量的控制与检验
     路基灌浆主要包括钻灌浆孔和灌浆两个工序,施工中按程序要求实施了工程质量的控制与检验,包括:
(1)检查钻孔孔位偏差、孔径和灌段长度。
(2)按规定进行灌浆材料的抽样送检。
(3)坚持各个处治路段每天采取浆液试件样,现场初测浆液结石率后,送样测试结石率和抗压强度。
(4)根据灌浆技术数据(注浆压力、灌浆量、浆液配合比)综合反映出的填方路段的孔隙情况,选择确认适宜本段灌浆的配合比,对处治范围进行合理的灌注。
(5)采用复灌法检验灌浆填充效果。复灌孔由监理工程师随机确定;检测孔比例:高填路堤为灌浆孔数的3%,桥台为5%。复灌浆量小于邻近孔平均灌浆量的30%即为合格,复灌压力为0.5Mpa。
检测结果如下:
钻孔成孔质量检测合格率100%。
取浆液试块送检468组,浆液结石率为90.31%,28d抗压强度14.3 Mpa。
复灌检验415孔,合格404孔,复灌合格率97.3%。
试块检测和复灌检验按分项工程分路段进行评定,也达合格要求。
6
路基灌浆的认识与探讨
6.1 浆液的经济性与可灌性
    浆液的经济性主要由制浆材料和灌注方法决定。制浆材料包括主剂(原材料)、溶剂(水或其它溶剂)和外加剂。浆液即是由制浆材料经搅拌混合后制成的可以固化的液体。工程施工中浆液分为溶液型和悬浊液型两大类。从总体上讲,溶液型浆液粘度低、可灌性好,但浆材与灌注成本较高;悬浊液型浆液因有固体颗粒悬浮在液体中,故易产生离析沉降并难以进入小于其颗粒直径的土体裂缝和孔隙中,但浆材与灌注成本低。
路基压力灌浆目的是用浆液充填路基填方土体中块(颗)粒间的孔隙并将其固结起来,以提高土体密度、增加土体强度及抗变形能力。因而水泥为浆液首选主剂。水泥浆液的经济性则由水泥、水及外加剂的相互比例即浆液配合比来决定。在浆液的流动性和结石率恒定时,配制单位体积浆液的材料费用就是浆液的经济指标。材料费用高,经济指标低,材料成本低,则经济指标高。显而易见,要提高水泥浆液的经济指标,要么降低浆液中的水泥标号并减少加量,要么增加外掺料的用量。随之而来的是水泥浆液性能的不同变化:
水泥标号降低,浆液结石的抗压强度降低;
减少水泥加量,等于加大了浆液的水灰比,浆液的结石率和抗压强度同时降低;
增加外掺料的用量,随着粘度和浆液中固体颗粒的含量增加,浆液的可灌性降低,制浆量和结石率增加,抗压强度呈“∩”形变化。
鉴于此次广元段路基压力灌浆具有工程量大、时间短的特点,灌浆处治选择粉煤灰为外掺料配制水泥粉煤灰浆,经试验后拟定了配合比,并针对浆液结石强度的试验数据与设计要求结石强度相比有较大富余的情况,将水泥标号由原设计的425#降为325#,使浆液的经济性得以提高,可灌性得到保证。
6.2 浆液结石率
    结石率(β)是浆液固结后结石体积(V1)与浆液体积(V2)之比的百分数,表达式为:β= V1/ V2×100% 。结石率是浆液技术性能的一个重要指标。浆液的结石率愈高,其固化结石的缩空率愈小,灌浆效果愈好。可以说高结石率的浆液是保证灌浆质量的必备条件。
广元段高填方路基灌浆要求浆液的结石率≥80%。施工中为保证灌浆效果,对每一个处治路段都按规定每天取一组主灌配合比的浆液,进行结石率的现场检测,并将检测结果记录在表格上。根据中心试验室对含监理抽样在内的468组浆液试块(试块盒尺寸为7.01cm×7.01cm×7.01cm)的检测资料,主灌浆液结石率的最小值为80%,结石率的算术平均值为90.3%,均满足设计要求。
浆液结石率主要受水灰比的影响,水灰比愈大,结石率愈低。在浆液中适当加大粉煤灰用量(如由30%的加量提高到50%的加量——粉煤灰未烘干),浆液结石率的变化不大。浆液结石率还与气温有关,同样是水∶水泥∶粉煤灰=1∶1∶0.5的配合比,在气温30℃时的结石率要比在气温5℃时的结石率高出5%~8%。
需特别指出的是,由于填方土体颗粒的吸水和稳压灌浆的压力作用,灌注到填方路基中的浆液与装在试样盒中的浆液,两者的结石率和结石强度有一定的差异,前者的状况优于后者。灌浆结束后,因排除堵管和修复受损路面对部份压力灌浆的路段进行了局部开挖,在开挖断面上见到的浆液结石成块状星落棋布的填塞在填方路基的土体中,浆块与土体颗粒完全接触,并没见浆液凝固造成的缩空现象。也就是说,抽样检测结石率为80%以上的浆液,在填方土体中成根脉状扩散以后,其结石率几可达到100%。
6.3 关于路基压力灌浆中存在的几个问题
在广元段路基压力灌浆施工中,存在的问题主要有:路面抬动、浆液窜冒、场地污染等。
6.3.1路面抬动
     填方路基灌浆,通常自孔深0.6m至终孔孔深均视为吸浆孔段。其中孔深4.0m以内的孔段为浅表层,这部份孔段由于上覆土压力小,仅0.08Mpa(0.021×4=0.08Mpa),灌浆施工中即使在0.1~0.2Mpa的压力下也容易引起路面抬动。
广元段路基压力灌浆,使用百分表制作简易抬动监测仪用于监测灌浆孔口附近的路面抬动情况,控制抬动量不超过5mm。大量的监测数据表明,产生初始抬动时的灌浆压力最小不到0.1Mpa,最大可达0.5Mpa。抬动一旦发生后,当灌浆压力达到或超过初始抬动压力时,连续灌注就会使抬动量逐渐甚至迅速递增。
据对9个桥台的灌浆抬动统计资料,在828个灌浆孔中,就有546个钻孔曾经出现程度不同(0.2~5.0mm)的抬动现象,抬动钻孔数占总孔数的比例高达65.9%,由此可见抬动的普遍性。
灌浆过程中浆液在压力作用下总是较多的流向阻力较小的孔隙和裂缝,当某一区域浆液作用于土体的上推力聚合起来大于其上覆土体压力和土体抗变形能力时,这一区域路面抬动变形的发生就不可避免。产生抬动变形之处就是某一时刻在一定灌浆压力下以灌浆钻孔为主干的根脉状灌浆体系的扩展之处,或称为路面抗抬动变形的薄弱处。导致这些薄弱处产生即引起抬动变形的原因主要有:填方土体沉降产生层状缝隙或较大面积的悬空和在灌浆压力作用下止浆栓塞上的反作用力造成的应力集中等。控制路面抬动,做好监测工作可以说是被动控制,还应从力的平衡原理出发考虑采用诸如缩小布孔间距以降低注浆压力、分层钻灌以提高表层土体的抗变形能力、低压小流量灌浆、增加止浆栓塞的胶塞数量和孔口反压等措施,在技术与经济可行的条件下,尽可能的降低路面抬动。
6.3.2浆液窜冒
    浆液窜冒大多是因灌浆压力不平衡和土体中的孔隙裂缝与外界窜通造成的。为防止和减少路堤边坡窜冒浆发生,广元段路基灌浆采用了加密加深边排孔的措施,对防止内排孔在灌浆过程中出现的边坡窜冒浆起到了一定的作用,但同时也增加了边排孔窜冒浆的可能性。据对前述9个桥台的浆液窜冒统计资料,窜冒浆钻孔占9个桥台灌浆孔总数的40%以上,而其中半数以上为边坡处窜冒浆。
填方路段灌浆过程中的浆液窜冒是不可避免的。当窜冒浆发生时,常用的办法就是间歇灌浆、减压灌浆、加大浆液中掺合料的加量,对窜冒浆处予以封堵等。从确保路基灌浆的每一单元的处治效果考虑,对窜冒浆钻孔是否达到正常止浆条件要求进行核查是完全有必要的;同时,还应采取分序分段钻灌、延长内外排灌浆钻孔的施工间隔时间等措施。
6.3.3场地污染
    路基压力灌浆的污染主要是指发生窜冒浆后溢流于路面、边坡和排水沟等处的浆液所留下的痕迹和浆块,对于铺筑了沥青的路面还有施工机械用油滴漏造成的腐蚀。
广元段路基压力灌浆施工,在防止污染、维护路容路貌方面做了大量而又细致的工作,包括在灌浆孔口摊铺粉煤灰、及时冲洗溢流在路面的浆液、钻机配用电动机、机械滴油处垫灰土、集中清理窜冒浆形成的浆斑和结石等,并把处治路段的外观形象作为验收检查的条款之一,因而总体上讲较好的处理了灌浆污染问题,也为此付出了相应的代价。
7
结语
(1)在对填方路基实施压力灌浆后,浆液填充了路基土体中的孔洞与孔隙,使路基土体的密实度提高、孔隙率降低,同时由于浆液对土体中散状块石、土粒的固结作用,使土体的抗变形能力提高,病害路段的不均匀沉降得到有效控制。
(2)填土结构松散,填料岩性与粒径变化较大、填料级配不合理是导致填方土体密实度不足,引发路基沉降、路面出现裂缝等病害的主要原因。
(3)经灌浆试验后确定的布孔间距(2m×2m或3m×3m),灌浆压力(0.2~0.5Mpa),浆液结石率(≥80%)、抗压强度(>2Mpa)等灌浆技术参数适合本段路基的客观地质条件。
(4)路基灌浆的浆液配合比应根据处治路段的填料岩性和粒径选择确定,并根据钻孔的吸浆情况及时予以调整。
(5)维护路容路貌是路基压力灌浆的一项重要工作,尤其要重视抓好路面抬动、浆液窜冒、路面污染等项工作。
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