某高速公路濕陷性黃土路基沉陷病害旋噴樁處治技術(shù)研究

許 勇

（太原路橋建設(shè)有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

隨著高速公路向中西部快速延伸發(fā)展，高速公路沿線不良工程地質(zhì)問(wèn)題越來(lái)越突出[1]。影響高速公路建設(shè)質(zhì)量的最重要的因素為路基的沉降，濕陷性黃土地區(qū)的高速公路路基的不均勻沉降越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)研究者的重視[1-2]。山西省屬黃土地區(qū)，且高速公路的荷載往往較大，高速公路黃土填方段路基運(yùn)行期間，多發(fā)各種路基病害，尤其以路基不均勻沉降最為常見(jiàn)[3-4]。路基病害嚴(yán)重影響行車(chē)安全、行車(chē)速度及公路的使用壽命[5]。旋噴樁是處理路基沉陷病害的主要方法之一，其原理是利用設(shè)備將膠結(jié)漿液與土體充分?jǐn)嚢杌旌希诘叵滦纬梢欢ǚ秶墓探Y(jié)體，從而達(dá)到地基加固的目的[6-8]。本文選取某高速公路一段路基沉陷段作為試驗(yàn)研究對(duì)象，通過(guò)高壓旋噴注漿技術(shù)對(duì)沉陷段進(jìn)行處治，并對(duì)處治后的區(qū)段進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)處治效果。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程地質(zhì)概況

某高速公路全長(zhǎng)31 km，位于山西省西南部，大致呈南北走向。高速公路所在區(qū)域?yàn)榈湫忘S土高原地貌，溝間地和溝谷地形成黃土的正負(fù)地貌特色，多沖溝陡坡，地形起伏較大。區(qū)內(nèi)地層主要為第四紀(jì)更新世風(fēng)積黃土，具有濕陷性，工程地質(zhì)條件較差，路線路基填方段較多，大部分使用粉質(zhì)土填筑，填方高度在3.5～5.5 m之間。盡管公路管理部門(mén)對(duì)該高速公路因濕陷性黃土導(dǎo)致的路基沉陷病害，積極采取了多項(xiàng)治理與預(yù)防措施，大部分的路段依然存在著一定程度的沉陷病害，路基沉陷造成路面橫向開(kāi)裂，波形梁護(hù)欄變形，損壞邊坡防護(hù)及部分排水設(shè)施。如圖1所示。

1.2 路基病害調(diào)查與分析

根據(jù)建設(shè)初期工程地質(zhì)勘察情況，鉆探深度平均為 7 m，K99—K111段以非自重濕陷性為主，K112—K121段為自重濕陷性為主，濕陷深度在4.5 m左右，均按要求采取了處治措施，見(jiàn)表1所示。

本次濕陷性黃土調(diào)查以鉆探為主，采集土樣進(jìn)行分析，包括原狀土和擾動(dòng)土。通過(guò)分析研究區(qū)鉆探土樣，發(fā)現(xiàn)沿線原狀土顆粒組成以粉粒為主，且含有結(jié)晶鹽分，土樣具有明顯的多孔性，具有肉眼可見(jiàn)的大孔隙或蟲(chóng)孔。且沿線原地表存在規(guī)模不等的陷穴，這些特征均為自重濕陷性黃土典型表現(xiàn)。根據(jù)本次調(diào)查結(jié)果，K112—K125沿線仍以自重濕陷為主，且自重濕陷等級(jí)比例較建設(shè)初期有所增加。表2為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，由表可知，區(qū)內(nèi)黃土以Ⅱ、Ⅲ級(jí)濕陷性為主，均表現(xiàn)為自重濕陷。濕陷性最為嚴(yán)重的地段位于K112—K118段，其中K114范圍最為顯著，表現(xiàn)為Ⅳ級(jí)濕陷性。

表1 初建時(shí)期處治措施

表2 濕陷性黃土評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，運(yùn)營(yíng)期間高速公路路基兩側(cè)農(nóng)田由原來(lái)的旱地變?yōu)樗疂驳?，尤其以K112—K119段最為明顯。季節(jié)性灌溉水入滲至路基下的地基，導(dǎo)致了地基濕陷下沉。路基沉陷病害，使得原路防排水系統(tǒng)功能損壞，雨水不能及時(shí)排除，雨水下滲，破壞了路基及地基的土體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加劇了路基沉陷病害。

圖2 高速公路典型縱斷面沉降速率分布圖

圖2為高速公路沉降速率沿路線走向的分布情況，反應(yīng)的是典型縱斷面8年間8次累計(jì)沉降量監(jiān)測(cè)值與時(shí)間的關(guān)系。圖中可知，在K113—K123段沉降速率較K99—K112段大，累計(jì)沉降平均速率與分段沉降平均速率的變化趨勢(shì)基本一致，K113—K115沉降速率最大，超過(guò)了0.5 cm/月，說(shuō)明K113—K115段路基沉陷病害最為嚴(yán)重，應(yīng)作為重點(diǎn)處治區(qū)段。

2 高壓旋噴技術(shù)在路基沉陷段的應(yīng)用

針對(duì)研究區(qū)高速公路的實(shí)際情況，為減少路面開(kāi)挖，降低造價(jià)，選取高速公路K114+100—K114+300段作為試驗(yàn)研究區(qū)，采用旋噴樁對(duì)沉陷段病害治理，根據(jù)以往復(fù)合地基的承載能力分析數(shù)據(jù)，旋噴樁處治深度應(yīng)大于濕陷性黃土層厚1～2 m。

2.1 施工工藝及參數(shù)

圖3為高壓旋噴樁施工工藝流程圖。根據(jù)本區(qū)實(shí)際地質(zhì)地層情況并結(jié)合以往數(shù)據(jù)，確定研究區(qū)施工工藝參數(shù)：P·S·B32.5礦渣硅酸鹽水泥；漿液以水泥漿為主劑，水灰比為1∶1；樁徑60 cm；樁間距1.2 m，梅花型布樁，確保單樁承載力不小于190 kN；漿液量不小于240 L/每延米；單管法施工，噴射壓力最低20 MPa，提升速度為0.25 m/min，旋轉(zhuǎn)速度為20 r/min；摻入0.5%的三乙醇胺早強(qiáng)劑。

圖3 旋噴樁施工工藝

2.2 施工注意事項(xiàng)

a）施工前，場(chǎng)地基礎(chǔ)平整并且承載力符合要求，檢查并確保保密裝置及安全防護(hù)裝置的有效性。

b）旋噴樁施工過(guò)程，如出現(xiàn)故障則應(yīng)及時(shí)停止并排除。針對(duì)常見(jiàn)的泵壓出現(xiàn)問(wèn)題，即泵壓達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)及時(shí)檢查高壓部分、連接處、旋轉(zhuǎn)處等是否出現(xiàn)漏水漏氣現(xiàn)象。

c）冬季施工應(yīng)對(duì)高壓泵采取保溫措施，施工完成排除泵體及管道內(nèi)所有積水，避免設(shè)備內(nèi)結(jié)冰凍脹損壞設(shè)備。

d）冒漿的處理，觀察冒漿情況是施工過(guò)程中重要的注意事項(xiàng)，根據(jù)冒漿情況能夠分析旋噴的速度參數(shù)設(shè)定是否合理、施工質(zhì)量是否能夠滿(mǎn)足要求。正常條件下冒漿量小于注漿量的20%，若超過(guò)20%或完全不冒漿，應(yīng)及時(shí)分析原因并正確處理。地層中存在大空間可導(dǎo)致不冒漿現(xiàn)象，處理方法，可在漿液中摻入速凝劑，以使?jié){液快速凝結(jié)，或加大注漿量，快速填充地層的大空隙。如果出現(xiàn)冒漿過(guò)大的情形，說(shuō)明注漿量或者注漿壓力設(shè)定不合理，沒(méi)有能夠與噴射范圍匹配，實(shí)踐證明，采取增大噴射壓力、縮小噴嘴孔徑、加快轉(zhuǎn)速等措施效果明顯。

2.3 質(zhì)量控制

a）試樁，施工前，在分析本區(qū)地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，在研究段進(jìn)行工藝性試樁，其數(shù)量原則上最少布置5根樁。獲取試樁的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果確定和調(diào)整施工工藝參數(shù)，比如轉(zhuǎn)速、噴射漿液壓力、水壓力、用水量和注漿量等。試樁過(guò)程應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，數(shù)據(jù)嚴(yán)格分析并應(yīng)記錄備案，如有問(wèn)題及時(shí)提出并分析原因，確保數(shù)據(jù)合格有效。試樁結(jié)果將作為施工控制參數(shù)和操作流程，為大面積應(yīng)用提供指導(dǎo)數(shù)據(jù)。

b）施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[6]。在施工過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行試樁工藝參數(shù)及相關(guān)施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，比如，樁位誤差及鉆孔垂直度分別應(yīng)控制在5 cm以?xún)?nèi)和1%以?xún)?nèi)，為保證孔的深度符合要求，不應(yīng)直接對(duì)孔深進(jìn)行測(cè)量，而應(yīng)該對(duì)鉆桿進(jìn)行量測(cè)；注漿漿液應(yīng)嚴(yán)格控制，按照施工配合比進(jìn)行。配制好的漿液應(yīng)盡快用完，一般情況下最長(zhǎng)放置時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2 h，溫度超過(guò)30℃時(shí)，不應(yīng)超過(guò)1.5 h。施工過(guò)程中，高壓泵的壓力是關(guān)鍵，是影響施工進(jìn)度的最關(guān)鍵因素。旋噴樁提升噴漿時(shí)，為防止鉆桿堵塞等事故，鉆桿應(yīng)拆下放至指定的位置；重新工作時(shí)，再把鉆桿重新安裝，安裝要求符合規(guī)范，鉆桿連接空間要留取不小于10 cm。隨時(shí)觀察高壓泵和設(shè)備管道的壓力，確保壓力正常，并檢查壓力和流量，確保在設(shè)定的施工工藝參數(shù)范圍內(nèi)。

c）質(zhì)量檢查，規(guī)定28 d后需要對(duì)高壓旋噴注漿效果進(jìn)行檢查，主要檢查樁體質(zhì)量，包括樁體的成型情況、完整程度、有效直徑等參數(shù)[7]。檢查的方法嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行，主要檢查方法包括樁體開(kāi)挖和樁體的中心鉆芯。具體要求按照表3高壓旋噴樁施工質(zhì)量控制指標(biāo)執(zhí)行。樁位應(yīng)在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇，重點(diǎn)控制部位及可能影響施工質(zhì)量的部位，應(yīng)重點(diǎn)抽查，抽查比例應(yīng)不小于總數(shù)的1%，若研究段較短，檢測(cè)點(diǎn)也不應(yīng)小于3點(diǎn)；取芯實(shí)驗(yàn)合格標(biāo)注應(yīng)為抗壓強(qiáng)度大于1.5 MPa。

表3 高壓旋噴樁施工質(zhì)量控制指標(biāo)

3 旋噴樁處治效果評(píng)價(jià)

3.1 旋噴樁施工質(zhì)量

檢驗(yàn)試驗(yàn)段處治效果，目的是為了獲取機(jī)具參數(shù)、施工工藝數(shù)據(jù)，為大范圍施工應(yīng)用提供依據(jù)。施工過(guò)程嚴(yán)格遵守設(shè)定的參數(shù)和工藝要求，試驗(yàn)段抽查成樁效果，結(jié)果見(jiàn)表4。表中顯示，高壓旋噴樁強(qiáng)度全部滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，雖然部分樁徑不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但是偏差不大，而且數(shù)量很少，因此施工質(zhì)量基本符合評(píng)價(jià)要求。通過(guò)試驗(yàn)段旋噴樁質(zhì)量檢驗(yàn)，表明在該區(qū)旋噴樁施工質(zhì)量能夠得到保證。但要說(shuō)明旋噴樁處治技術(shù)是否能夠有效解決研究區(qū)高速公路路基沉陷問(wèn)題，需要結(jié)合處治后的路基沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表4 試驗(yàn)段成樁效果檢查結(jié)果

3.2 沉降監(jiān)測(cè)

在路基沉降處治技術(shù)的研究過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)沉降數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析尤為重要。通過(guò)對(duì)比處治前及處治后路基沉降量及沉降速率等數(shù)據(jù)，分析處治效果的有效性。

選擇典型斷面進(jìn)行路基沉降監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析路基沉降特征，反映路基沉降情況。沉降監(jiān)測(cè)精度的等級(jí)為二等水準(zhǔn)測(cè)量。選取K114+200截面為監(jiān)測(cè)斷面，路堤高度為5.3 m，在路堤基底埋設(shè)剖面沉降管，沉降管全長(zhǎng)27 m，如圖4所示。對(duì)其進(jìn)行為期14個(gè)月的沉降觀測(cè)分析，K114+200路基全斷面沉降量隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。圖中顯示，整體上，路基斷面各個(gè)測(cè)點(diǎn)均發(fā)生了不同程度的沉降，全斷面沉降具有一定的差異性，路基中心線附近靠右側(cè)位置沉降量最大，最大沉降量約為 15 cm，在第7個(gè)月以后，路基全斷面各點(diǎn)沉降量不再發(fā)展，路基趨于穩(wěn)定。目前該試驗(yàn)段路面平整，說(shuō)明運(yùn)用高壓旋噴樁技術(shù)處治研究區(qū)高速公路路基沉陷病害是合理可行的。

圖4 K114+200路基全斷面監(jiān)測(cè)布置圖（單位：cm）

圖5 K114+200路基全斷面沉降量-時(shí)間曲線

4 結(jié)論

a）通過(guò)分析高速公路沉降速率沿路線走向的分布情況，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)高速公路路基沉陷嚴(yán)重，且沉降仍在以較快速度發(fā)展，應(yīng)及時(shí)采取處治措施。

b）選取高速公路路基沉陷病害最為嚴(yán)重的一段作為試驗(yàn)研究對(duì)象，采用高壓旋噴樁處治技術(shù)對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行處治，并選取合適的施工工藝參數(shù)，制定質(zhì)量控制措施。

c）對(duì)旋噴樁成樁效果進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樁體質(zhì)量符合要求，施工工藝參數(shù)及質(zhì)量控制措施合理；處治后沉降量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，一段時(shí)間后，沉降量不再發(fā)展，路基趨于穩(wěn)定，說(shuō)明運(yùn)用高壓旋噴樁技術(shù)處治研究區(qū)高速公路路基沉陷病害具有良好的效果。