高速公路采空區(qū)固廢改性注漿處治技術研究

黎炬鋒,陳遠志,方 強

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司,長沙 410219)

采空區(qū)是高速公路建設中較常見的一類復雜地質問題,大多具有歷史久遠、演變復雜、探明難度大、處治費用高等特點。高速公路選線時一般應避讓采空區(qū),但考慮城鎮(zhèn)規(guī)劃、地形條件、生態(tài)保護等重要控制因素影響,有時無法繞避采空區(qū)[1]。目前對于公路下伏采空區(qū)治理方式主要以注漿充填法為主[2-4],讓漿液在壓力作用下充填采空區(qū)的空腔及縫隙,最終形成穩(wěn)定的結構體承載地表構筑物[5]。注漿充填時,對于注漿材料的選擇尤為關鍵。自20世紀40年代開始[6],國內外相繼研究出多種成本低、固廢材料利用率高、結石體強度較高、可灌性好的注漿材料。

以在建的某高速公路采空區(qū)治理為工程背景,采用工業(yè)固廢材料對漿液進行改性,通過室內試驗、數(shù)值模擬評估及處治后評價等手段,對采空區(qū)固廢改性注漿處治技術展開研究,探求一種適應安全、經濟、低碳、環(huán)保的建設新理念及具有較好應用前景的高速公路采空區(qū)處治方案。

1 高速公路下伏采空區(qū)治理方案確定

1.1 工程概況

在建某高速公路現(xiàn)場地質調查顯示,部分線路下方存在耐火黏土礦開采后形成的采空區(qū),選定具有代表性的某段作為研究區(qū)域(見圖1)。該段采空區(qū)埋深較深,以巷道開采為主,場地評價為欠穩(wěn)定區(qū),典型地層結構如圖2所示。

圖1 采空區(qū)注漿充填研究區(qū)域Fig.1 Grouting filling research area in goaf

圖2 研究區(qū)域鉆孔柱狀圖Fig.2 Drilling column chart of the study area

根據(jù)地質鉆孔揭露情況,研究區(qū)域采空區(qū)底板平均埋深約18 m,頂板均已垮落并充填采空區(qū),以砂質頁巖及少量泥巖碎塊為主,不具備巷道內施工條件,故采空區(qū)選用注漿充填法進行處治。

1.2 注漿材料的選擇與優(yōu)化

漿液材料要求如下[7-8]:漿料性能好,有較好的流動性及保水性,易于輸送及灌注。充填質量高,充填體有較好的結石率,強度能滿足對采場覆巖的控制。工藝成本低,材料來源廣泛易獲得,價格低廉。

注漿材料的改進?？紤]到研究區(qū)域有著較為充足的黏土材料,故初步方案考慮就地取材,采用水泥-黏土漿液注漿處治采空區(qū)。但單純的水泥-黏土漿液結石率較低,結石體強度較差,導致采空區(qū)處治效果不佳,故將施工場地附近的燃煤爐渣按照一定比例加到水泥-黏土注漿液中,添加改性激發(fā)劑,以制備具有高濃度、低灰砂比的改性固廢注漿充填材料。

注漿材料配比的優(yōu)化。實驗原料:水為符合拌制混凝土要求用水,水泥為42.5號普通硅酸鹽水泥,黏土在項目附近就近取材耐火礦,固廢主要為附近電廠的燃煤爐渣,最大粒徑≤10 mm;添加少量化學激發(fā)改性劑。根據(jù)現(xiàn)場應用實踐,將黏土與固廢按照1:1進行配合,以水泥為變量制備試件,進行對比實驗,設置無固廢的水泥-黏土漿液作為對照組。不同配比及齡期(3 d、7 d、28 d)的試件實驗性能指標見表1。

表1 不同配比時各齡期試件強度Tab.1 Strength of specimens at different ages with different proportions

由表1中數(shù)據(jù)分析可知,其他條件相同的情況下,隨著水泥占比的增加,試件強度有所提高;使用固廢部分替代黏土之后,試件強度有著較為明顯的提高,相較于同齡期試件強度最高可以提高4倍以上。

對比兩種不同水固比方案。在水固比稍小的情況下,漿體流動度雖有所降低,但試件的強度略有提高,尤其是在水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5時表現(xiàn)最為明顯,相較于水泥:黏土:固廢為1:2:2時的同齡期強度分別提高78.0%、93.8%、51.4%,有著較好的早強特性。水固比為0.60時,水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5,相較于水泥:黏土:固廢為1:2:2時的強度有著較為明顯的提升,為93.8%。而水泥:黏土:固廢為1:1:1,相較于水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5的強度提升不明顯,僅提高30.0%。

綜合考慮,選取水固比0.60,水泥:黏土:固廢配比為1:1.5:1.5的充填方案,漿液能夠滿足流動度要求,有著較好的早期強度與后期強度。

2 注漿處治效果模擬分析

2.1 數(shù)值模擬方案

計算模型及參數(shù)。根據(jù)地質資料及現(xiàn)場勘察情況,對工程地質條件進行概化,采用有限差分數(shù)值模擬軟件FLAC 3D建立數(shù)值計算模型(見圖3),邊界條件采用底面三向約束,側面法向約束,地表自由。根據(jù)室內外試驗及相似工程經驗,綜合確定計算參數(shù)如表2所示。

表2 巖體物理力學參數(shù)表Tab.2 Physical and mechanical parameters of rock mass

圖3 采空區(qū)不同充填方式下模型位移云圖Fig.3 Model displacement cloud image under different filling methods of goaf

數(shù)值模擬步驟:①原始山體應力平衡。②采空區(qū)開挖后,地面沉降至指定深度,根據(jù)相關文獻資料[8]與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),沉降系數(shù)取0.80。③采空區(qū)注漿充填,高速公路建成并計算至收斂。

模擬方案:采空區(qū)注漿充填時,對采空區(qū)設置不同的注漿參數(shù)以模擬不同的注漿材料,分別模擬未充填、水泥-黏土注漿充填(水泥:黏土:固廢為1:3:0)和改性固廢注漿充填(水泥:黏土:固廢為1:1.5:1.5),注漿材料參數(shù)由1.2中實驗測得,充填材料力學參數(shù)如表3。

表3 充填材料力學參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of filling materials

2.2 不同注漿材料控制效果評價

分別對不注漿、水泥-黏土漿液及改性固廢漿液的注漿充填效果進行模擬。注漿后模型的位移云圖如圖3所示。可以看出,采空區(qū)采取3種不同處理方式時,模型的位移變化基本相似,但在不同方式下,采空區(qū)的最大沉降量有所不同。未充填時,采空區(qū)將繼續(xù)沉降直至被頂板巖層充滿,最大沉降量為895 mm。采用水泥-黏土漿液充填或采用改性固廢漿液充填時,可以在采空區(qū)形成承載結構,從而大幅減緩沉降。兩種不同方式的最大沉降量分別為485 mm、340 mm,采用改性固廢漿液充填相較于水泥-黏土漿液充填時,采空區(qū)沉降量可減少29.9%,改性固廢漿液充填效果優(yōu)于水泥-黏土漿液充填。

受采空區(qū)形狀影響,該段高速公路路北與路南的變形差異較為明顯。由圖3可知,該段高速公路路北部分受到的采空區(qū)影響范圍較大,沉降也更加明顯。不同充填狀態(tài)下,高速公路北部路面處位移如圖4所示。采空區(qū)中部沉降最為嚴重,向兩邊逐步減緩,采空區(qū)向兩側的影響范圍約25 m。各地層使得采空區(qū)沉降影響減緩,最終路面在未充填時最大沉降量為754 mm,水泥-黏土注漿充填時最大沉降量為236 mm,改性固廢注漿充填時最大沉降量為152 mm。兩種采空區(qū)注漿充填方式都滿足高速公路一般路段沉降量≤300 mm的標準,但采用改性固廢注漿充填時效果更好,相較于水泥-黏土注漿充填,路面最大沉降量降低了35.6%。

圖4 不同充填方式下路面沉降量Fig.4 Pavement settlement under different filling methods

對3種處理結果進行分析發(fā)現(xiàn),采空區(qū)注漿改造對于高速公路路面沉降控制效果明顯,采空區(qū)充填水泥-黏土漿液和改性固廢漿液都可以令路面沉降符合控制標準,而采用改性固廢漿液時漿體強度提高,控制效果更為明顯。

3 注漿處治后效果監(jiān)測分析

基于上述研究成果,現(xiàn)場施工對采空區(qū)采用改性固廢改性漿液進行注漿處治。為評價采空區(qū)的充填效果,對高速公路路面沉降情況進行監(jiān)測。各監(jiān)測點累計下沉結果隨時間的變化如圖5所示,采空區(qū)附近的測點沉降狀況基本相似,累計沉降量目前小于10 mm,說明采用固廢充填采空區(qū)后能較好地控制高速公路沉降。

圖5 2021年12月—2022年3月各測點路面下沉監(jiān)測結果Fig.5 Monitoring results of road subsidence at each measuring point from December, 2021 to March, 2022

4 結論

高速公路下伏采空區(qū)路段的穩(wěn)定性主要取決于漿液對采空區(qū)的充填效果,通過添加固廢對漿液改性并進行配比優(yōu)化實驗,最終選用水泥:黏土:固廢配比為1:1.5:1.5的充填配比。該配比在漿液滿足流動度要求的情況下注漿充填體有著較好的強度,實現(xiàn)了固廢的綠色利用,在注漿領域有著較好的應用前景。數(shù)值模擬及試驗結果表明,采用固廢充填時,相較于水泥-黏土注漿充填,路面最大沉降量降低了35.6%,控制效果明顯。對采空區(qū)注漿處治后,高速公路路基沉降監(jiān)測結果顯示,采用水泥:黏土:固廢配比為1:1.5:1.5的改性固廢漿液注漿寬度60 m的情況下,路基沉降量滿足設計要求。