注漿法套用
1 概述
由於城市道路車流量的日益增加, 一些城市道路年久失修,出現了嚴重的路面破損現象,如龜裂、斷裂、坑槽等。在改造過程中儘量減少對現狀交通和周邊居民生活造成影響,儘量縮短工期取得投資效果，所以在改造中，一系列問題的調研和相應的改造方案就顯得尤為重要,如道路在城市規劃中的功能定位、車流量的調查及交通分析、現狀地下管線調研、路基穩定性的調查及評價等問題。其中老路面及路基的穩定性直接關係到改造以後的道路工程質量是否滿足使用要求，在改造設計過程中應認真調查研究老路面及路基的穩定性, 慎重對待並提出合理的處理意見。下面就注漿法在路面補強設計中的實踐談談筆者的心得和體會,供同行們借鑑和參考。
2注漿法
2.1 注漿法原理
所謂注漿（亦稱灌漿）就是用壓送設備將具有充填和膠結性能的漿液材料注入地層中土顆粒的間隙、土層的界面或岩層的裂隙內,使其擴散、膠凝或固化,以增加地層強度、降低地層滲透性、防止地層變形、改善地基的物理力學性質和進行托換技術的地基處理技術。
2.2 注漿法的目的
注漿的主要目的如下：
(1)防滲：降低滲透性,減少滲流量,提高抗滲能力,降低孔隙壓力;
(2)堵漏：截斷滲透水流;
(3)加固：提高岩土的力學強度和變形模量,恢復混凝土結構及圬工建築物的整體性;
(4)糾正建築物偏斜：使已發生不均勻沉降的建築物恢復原位。
2.3 注漿適用範圍
注漿法適用範圍包括土木工程中的各個領域,用於砂土、粉土、粘性土、濕陷性黃土、填土和道路碎石墊層等的地基處理，鬆散混凝土和毛石砌體等的基礎補強或防滲堵漏工程。
2.4 注漿分類
注漿法設計前應取得被加固土層的分布範圍、含水量、孔隙率、滲透係數和抗剪強度等資料。根據不同的地質條件、工程特點,選用合理的注漿方法。按照流動漿液體與土體的相互作用方式，一般可將注漿方法分為滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿3大類。在實際注漿中,注漿體往往是以多種運動方式作用於土體的,現場開挖試驗證明,幾乎找不到僅僅以某種單一運動方式加固土體的漿液凝固體。因此,所謂滲透注漿、壓密注漿或劈裂注漿都只不過是指在注漿過程中,漿液以滲透、壓密、劈裂注漿為主的注漿形式。
(1)滲透注漿
所謂滲透注漿是指在注漿壓力作用下，漿液克服各種阻力而滲入土體的孔隙和裂隙中, 在注漿過程中,地層結構不受擾動和破壞的注漿形式。
(2)壓密注漿
所謂壓密注漿, 亦即按漿液在土體上的流動特徵, 凡是能對土體產生壓密效應的注漿皆可稱為壓密注漿。事實上,國內壓密注漿漿液多為速凝型漿液或稠水泥漿。一般壓密注漿固結體在土體中呈球體或塊體分布。
(3)劈裂注漿設計
漿液由注漿泵加壓後, 通過連管進入注漿管內,再通過注漿管聚集在注漿孔口附近的地層中, 當壓力加大到一定程度時（啟劈壓力值）,漿液就沿地層的結構面產生初始劈裂流動,此時,由於泵的供漿量小於該時的吃漿量, 因此壓力自動降落到供漿量與吃漿量平衡。續後的注漿使裂隙不斷向外伸展,漿液在土層中形成條、脈、片狀固結體,從而達到增加地層強度、降低地層滲透性的目的。
2.5 注漿法工藝流程
雖然注漿法的種類以及注入的介質、數量有所不同,但是它們的施工程式基本是一致的,都是先把鑽桿插入或打進預定土層中,然後封閉孔口,自下而上、從外向內、先間隔後加密的鑽孔注漿方法進行作業。
2.6 注漿法設計
(1)注漿設計一般遵循以下幾個程式：
①地質調查: 探明地基的工程地質特徵和水文地質條件;②方案選擇:根據工程地質、注漿目的及地質條件,初步選定注漿方案;③注漿試驗:除進行室內注漿試驗外,對較重要的工程,還應選擇有代表性的地段進行現場注漿試驗, 以便為確定注漿技術參數及注漿施工方法提供依據;④設計和計算:用圖表及數值方法,確定各項注漿參數和技術措施;⑤補充和修改設計:在施工期間和竣工後的運用過程中,根據觀測所得的異常情況,對原設計進行必要的調整。
(2)注漿設計內容主要包括以下幾個方面：
①注漿標準: 通過注漿確定要達到的效果和質量標準;②施工範圍:包括注漿深度、長度和寬度;③注漿材料：包括漿材種類和漿液配比;④漿液影響半徑: 指漿液在設計壓力作用下所能達到的有效擴散距離;⑤鑽孔布置：根據漿液影響半徑和注漿體設計厚度，確定合理的孔距、排距、孔數和排數;⑥注漿壓力: 規定不同地區和不同深度的允許最大注漿壓力; ⑦注漿效果評估:用各種方法和手段檢測注漿效果。
(3)方案選擇
注漿方案的選擇是設計首先需要面對的問題，但其具體內容並無嚴格規定, 一般都只把注漿方法和注漿材料的選擇放在首要位置。注漿方法和材料的選擇與一系列因素有關係,主要有:注漿目的、地質條件、工程性質3 個方面。掌握了以上情況, 就能對注漿方法和注漿材料作出初步的選擇。在選擇注漿方案時，必須把技術上的可行性和經濟上的合理性綜合起來考慮。前者還包括漿材對人體的傷害和對環境的污染, 這個問題已越來越引起工程界的重視。
3工程實例
3.1 工程概況
南新路是深圳市南山區中西部一條南北走向的城市次幹路,於1985 年設計,1986 年建成通車。隨著人流、車流量越來越大,交通秩序混亂等因素,南新路已不能滿足交通發展的需要,急需進行改造。改造設計範圍為瀝青混凝土路面。現有路面結構厚47.5cm, 自上而下分別為: 細粒式瀝青砂封面層厚1.5cm,中粒式瀝青混凝土面層4.0cm,深貫入瀝青碎石聯結層厚7cm,6%水泥穩定石屑20cm，碎石墊層厚15.0cm,路面老化、龜裂、坑槽現象普遍存在。
3.2 路面補強設計方法的確定
(1)路面補強方法的確定
由於南新路建成已使用了18 年,沒有大修,並且地基條件較差,現有路面彎沉較大。根據深圳市南山區建設工程質量監督檢查站2003 年12 月23 日《道路回彈彎沉試驗報告》,現有瀝青路面不同地段最小彎沉為0.092mm, 局部最大彎沉為1.544mm，經計算如果在現有路面上進行罩面,需要加鋪34cm 厚路面,由於加鋪層厚度太厚,街道兩側店面均已形成,道路兩側標高難以銜接。而且現狀南新路交通繁忙,如果採用清除現狀瀝青道路路面,對路基進行徹底換填處理的方法,施工工期會比較長,同時造成道路長時間中斷、周邊道路交通堵塞,對交通的影響非常大。由於南新路行車已10 多年, 原有面層已經破損、基層已經碎裂,路面整體強度不足,墊層空隙較多,填充有泥砂，在上部荷載作用下,路面穩定性不足,造成路面破壞。道路改造需要從根本上改善道路基層的穩定性,所以碎石層是需要加固的主要部位。經多種方案比較,為了減少工期、減少對交通的影響,同時保證工程質量, 最終決定採用滲透注漿法對原路面結構層中的碎石墊層進行加固。通過注漿,也對原有的路基及基層進行了適當加固。
(2)試驗段
首先選擇兩段約60m 有代表性的路段進行試驗, 目的是檢驗路基注漿加固效果是否滿足設計要求,並確定注漿的設計和施工參數。根據試驗結果,注漿壓力控制在 0.3～0.5MPa, 壓密注漿以後路面少量冒漿、裂隙細小。路面稍許隆起的地段,路面彎沉明顯減少;路面嚴重開裂、冒漿、隆起的地段,注漿壓力只能達到 0.2MPa,加固效果不理想。經 7d 以後,對加固效果不理想的區域進行2 次加密注漿, 加密注漿時,路面冒漿明顯減少、路面稍許隆起,經再次檢測路面彎沉,加固效果比較理想。
(3)滲透注漿設計
①注漿方法: 本次滲透注漿為路面墊層注漿,採用壓密注漿法,施工工藝流程如下：定位─鑽孔─製漿─注漿頭固定及孔口封堵─送漿─拔管填孔;②注漿範圍和深度: 路面補強主要範圍確定為瀝青混凝土路段中經檢測彎沉大於0.5mm 的地段,注漿孔按照正方形布置, 孔間距為2.0×2.0m,最外側一排孔分布於距補強路段範圍邊線0.75m 位置。孔間距的布置是根據現場試驗結果進行確定的。由於老路面彎沉檢測點間距是每條車道每20m 一個點，路面補強範圍是按照彎沉檢測點進行確定的。由於老路面結構厚度為47.5cm, 根據碎石層埋深及厚度,注漿孔深擬定為35cm,屬淺孔注漿,為保證加固效果的均勻性,注漿孔注漿控制半徑擬定為1.0m; ③注漿材料:根據試驗段加固結果,由於採用水:粉煤灰:水泥=0.45∶0.5∶1作為注漿材料,加固效果不是很理想, 而採用水∶水泥=1∶1.5 作為注漿材料取得的效果比較好, 所以注漿材料選用純水泥漿進行路面補強,水灰比為1∶1.5;④注漿壓力:由於淺孔注漿所產生的孔口反漿壓力較大,注漿頭不易鎖緊,較易溢漿,所以漿體壓力不能過大。注漿以滲透注漿為主,根據試驗,注漿壓力經驗值為0.3～0.5MPa,注漿壓力應根據現場實際情況確定,原則上路面明顯隆起、大量冒漿時,應停止加壓;⑤注漿順序:注漿應分段進行,每段長度以50m 為宜,先完成邊排孔注漿,再往中間逐孔注漿。
(4)施工注意事項
①鑽孔定位：最外側的注漿孔距需要補強的路段範圍邊線0.75m 布設, 其餘注漿孔根據2.0×2.0m 的格線進行定位,注漿孔孔位施放完畢以後,經監理現場確認後方可進行施工; ②注漿施工現場應保持場地整潔乾燥; ③施工中應記錄注漿的各項參數和出現的異常現象,主要有：鑽孔記錄：包括孔號、孔深、加固層類型、深度；注漿記錄：包括注漿壓力、漿液配比、注漿量、始（終）灌時間、注漿段起止深度、復灌次數等；漿液試塊及其它測試記錄;④注漿孔的鑽孔直徑一般採用30mm,垂直度應小於1.5%,孔位偏差應不大於100mm;⑤成孔後應進行孔口段封閉，封閉材料可採用1∶3水泥砂漿;⑥注漿開始前宜採用壓水試驗方法檢查管路及接頭的密封性能，以及儀表和設備的運轉情況。注漿一開始即應連續進行;⑦漿液必須在攪拌均勻過篩後,然後泵送壓注,在注漿過程中,漿液應繼續攪拌，攪拌時間宜小於漿液初凝時間; ⑧注漿時, 注漿管每次上拔或下送長度宜為50mm;⑨注漿的流量一般為7～10L/min,對地下空洞、破碎帶,流量可適當加大,但也不宜大於20L/min；⑩注漿過程中出現地面冒漿或壓力突變，應立即停止注漿。單孔注漿結束標準應根據下列情況綜合決定：注漿量達到設計要求；注漿壓力超過設計值；地面冒漿;注漿結束後應及時清洗注漿管、泵和管路，以防漿液凝固造成堵塞。
(5)質量檢驗
質量檢驗宜在注漿施工完成後7d 進行,檢驗點的數量為施工注漿孔的2%～5%,注漿效果採用檢測同一點注漿前後路面彎沉變化情況進行檢驗, 注漿以後如果路面彎沉值小於0.5mm, 表示注漿已達到預期效果和目的。經檢測路面彎沉沒有達到設計要求,但路面沒有完全破壞,可採用2 次加密注漿進行加固處理,布孔採用梅花狀布置,如果路面已經嚴重破壞, 則採用挖除路面結構層, 換填50cm 開山石, 30cm 石粉碴進行地基處理。
(6)注漿效果評價
根據質檢單位檢測, 經滲透注漿加固處理後,路面彎沉由原來的平均為0.726mm 提高到處理後的平均值為0.423mm。加固處理效果比較理想,除少數點以外,基本上都能滿足設計要求。
設計方案
概述
隨著公路網密度的不斷增加, 近年來普通公路大修改建工程越來越多, 占公路總建設里程60%以上的比重,研究合理的路面補強設計方案意義尤其重大。以遼寧省普通公路改建現狀為例探討合適的解決方案。
存在問題
1.1 片面追求路表彎沉指標,不加分析地採用半剛性基層加鋪方案
舊路加鋪半剛性基層確實可以有效、經濟的提高路表彎沉,但也存在如下問題:
(1)半剛性基層與下臥瀝青層間接觸連續問題。
(2)經常理論計算需要的半剛性基層厚度只需5 ～10cm,但為了最小施工層厚的要求採用18cm以上,造成浪費。
(3)難以兼顧全壽命周期成本的理念, 遠景下一個壽命周期的維修方案難以選擇。
(4)原瀝青層覆於下層,比較浪費。
1.2 隨意放棄強度和使用壽命,簡單地採用加鋪罩面方案
這種處理方式只能稱為中修, 如果原路下承層病害較重, 很快會反映到罩面層, 長期成本並不經濟。
1.3 不加分析,隨意採用全深式水泥冷再生等新工藝
全深式冷再生技術由於受壓實條件的限制,層厚只能在20cm左右,無法提供較高的路面強度和長久的使用壽命,只適用於等級較低或原路鬆散、基層強度嚴重喪失情況下的舊路改建工程。在原路面層、基層仍有一定強度的情況下,這種處理是一種浪費。同樣,遠景下一個壽命周期的維修方案也難以兼顧。
問題探討
2.1 路面結構類型係數Ab值的選取
《路面規範》06版規定採用半剛性基層時Ab取值為1.0、採用柔性基層時Ab取值為1.6。柔性結構層總厚度在18 ～30cm之間時, Ab值可內插。該規定是因為“控制路基容許壓應變相同的條件下,不同路面材料和厚度組合時,路表彎沉值不同”。
《路面規範》06 版9.2.7條規定加鋪結構設計“在確定設計彎沉值時, 應根據加鋪層的結構選用路面類型係數”,在實際工程實例中, 經常是加鋪層與舊路瀝青層的總厚度尚不足18cm,此時舊路基層在維修中的結構狀態判斷, 直接影響整體柔性結構體系是否成立的問題。
2.2 柔性結構路面與半剛性結構路面的結構破壞形態
柔性結構路面在使用期末的結構破壞形態是瀝青層層底的拉應力疲勞破壞, 而柔性基層通過長期的行車壓密,則是長久性結構。結構的修復主要是瀝青面層的淺層修復。半剛性結構路面在使用期末的結構破壞形態是半剛性基層層底的拉應力疲勞破壞, 板體基層斷裂為塊狀,可以近似認為已退化為柔性基層。但在維修年,半剛性基層是否已經退化為該種狀態則需要相關指標判斷。
2.3 容許彎沉lR與設計彎沉ld的關係
容許彎沉lR的概念是結構使用期末已達完全破壞時表現出來的路表彎沉。設計彎沉ld的概念是竣工後第一年最不利季節的路表彎沉。根據《路面規範》97 版條文說明中的彎沉變化曲線,可知lR=1.4ld,故可近似認為當實測舊路代表彎沉值大於1.4 ld時,即可認為舊路半剛性基層已退化為柔性基層, 可以按柔性基層理論進行補強層結構設計。
方案選擇
(1)採用柔性基層補強方案, 可使建成後路面的黑色結構層總厚達20 ～30cm,在下一個維修期可採用淺層再生、整體再生或簡單加鋪的方式,使用壽命較長,從長期看比較經濟, 應儘量採用。
(2)當舊路代表彎沉值在60(1/100mm)以下時 ,可直接採用瀝青混凝土補強 。
(3)當舊路代表彎沉值在 60 ～80(1/100mm)之間時, 兩種補強方案等價, 應優先選擇柔性基層補強方案。
(4)當舊路代表彎沉值在 80 ～ 100(1 /100mm)之間時 ,柔性基層略貴 , 可以採用柔性基層補強方案。
(5)當舊路代表彎沉值大於 100(1/100mm)時 ,補強方案應經過慎重比較後確定。此時採用半剛性基層補強方案,往往需要雙基層, 如果舊路破損 、鬆散嚴重 ,應結合水泥冷再生方案考慮 ;如舊路表觀完整 ,柔性基層補強仍應作為比較方案納入考慮 。
(6)如果舊路彎沉指標較好 , 但表面功能性病害嚴重,按柔性理論計算補強層較薄時 ,應採取措施避免舊路病害的反射。例如在補強前 ,對舊路表面進行現場熱再生或加鋪土工織物等方式。
(7)採用柔性基層補強方案 , 應十分注意可能帶來的車轍問題,應採取合理的層次組合設計、級配設計來加以解決。例如可減少瀝青混凝土層厚、增加密集配瀝青碎石層厚 ,以增強動穩定度。
(8)舊路採用柔性基層補強方案時 , 加寬部分宜採用混合式基層 ,並儘量使黑色結構層在道路全斷面上基本等厚。這種方式既不過多增加造價, 又有利於下一個維修期的大修方案確定。
