细砂路基病害注浆修复技术研究

摘 要：本文将结合以住的研究成果，通过室内外试验和理论分析等研究方法，从材料、工艺、技术标准和效果评价等方面，对道路注浆加固技术展开研究。

关键词：细砂路基病害 注浆处治 效果评价

1 前言

对于路基缺陷和破损的修复，以往经常采用翻挖、置换的养护技术，施工周期长、对结构扰动严重、对交通影响大，难以适应道路交通运行和城市环境的要求。近十多年来，注浆加固技术的应用逐步从岩土工程扩展到道路工程。从早期的水泥混凝土路面板底脱空注浆，到近年来的路基修复，注浆加固技术凭借其免翻挖、少扰动、少影响等优点，正发挥着越来越重要的作用。

2 细砂路基注浆理论

2.1浆液扩散理论

细砂路基的注浆加固具有充填、渗透、挤密劈裂等效应。浆液在压力作用下充填和挤密路基，浆液首先劈入强度最低的部分细砂土体，然后随压力增大，再劈入另一部分强度较高的部分细砂土体，地层产生隆起抬高效应，最终充填至路基范围内所有可注缝隙中[1][2]。在实际工程中，由于道路路基实际地质情况较为复杂，注浆往往是渗透、劈裂、压密三种效应共同作用的结果，对具体某种频度注浆工艺中只是某种效应起主导作用而已。

（1）渗透注浆是指在注浆压力作用下，浆液克服各种阻力而渗入路基土体的孔隙和裂隙中，所用注浆压力相对比较小，基本上不改变路基土体原有的结构和体积。

（2）压密注浆是通过钻孔将极稠的浆液注入路基土体中，在注浆处形成球形浆泡，浆体的扩散靠对周围土体的压缩来实现。

（3）劈裂注浆是当压力达到一定程度，引起土体结构的破坏和扰动，使土层中原有的裂隙或孔隙、浆液的可注性和扩散范围增大，从而获得更多裂隙渗流的通道，使低透水土层的可注性和注浆量提高，从而达到增加路基强度，降低路基渗透性的目的。

2.2注浆理论

随着注浆技术的出现和发展，注浆理论和工艺相继产生。最著名的有球形扩散理论（即假设浆液在均匀、各向同性介质中流动时按球形扩散）和柱形扩散理论（即假设浆液在地层中呈柱形扩散）。

（1）球形扩散理论

1938 年，马格（Magg）首次推导出牛顿型浆液在砂土中的渗透公式，后来各国学者又相继寻出了一些理论公式。Maag公式计算假定：a.被灌砂土为均质的各向同性体；b.浆液为牛顿流体；c.采用填压法灌浆，浆液从注浆管底端注入地层；d.浆液在地层中呈球形扩散。

在达西定律基础上并结合边界条件，浆液扩散半径r1的最终表达式如式（2.3）：

（2.3）

式中：K为砂土的渗透系数（cm/s）；β为浆液粘度对水的粘度比；r1为浆液扩散半径（cm）；h1为注浆压力水头（cm）；r0为注浆管半径（cm）；t为注浆时间（s）；n为砂土的孔隙率。

Maag公式比较简单，对粘度随时间变化不大的浆液能给出渗入性的初步轮廓，到现在为止它仍然被广泛使用。

（2）柱形扩散理论

该理论假设被注砂土为均质的各向同性体，浆液在地层中呈柱形扩散。浆液扩散半径r1的表达式为（其中各字母的含义同上）：

（2.4）

浆液扩散形式取决于注浆方式：当由钻杆端孔（如闷头直口注浆管及袖阀管）注浆，注浆孔较深，这时相当于点源，浆液呈球面扩散；花管式分段注浆，浆液呈柱面扩散。

3 细砂路基注浆材料

目前，细砂路基中常用的注浆材料大致可分为水泥注浆材料、化学注浆材料、绿色注浆材料三大类[4]。

3.1水泥注浆材料

水泥注浆材料主要包括水泥浆、水泥黏土浆、水泥-水玻璃浆和超细水泥浆四类。由于细砂路基渗透系数较低，水泥浆、水泥黏土浆很难注入，所以注浆材料一般不用水泥浆和水泥黏土浆[5][6][7]。

（1）超细水泥浆

超细水泥颗粒的最大粒径小于20μm，平均粒径4μm左右，比表面积大，凝结体强度高、稳定性好，渗透能力强，是很好的注浆材料。但其成本高且储存、运输难度大，制约了其使用范围。

（2）水泥-水玻璃浆

水泥-水玻璃浆液是以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定的比例采用双液方式注入，必要时加入速凝剂或缓凝剂所组成的注浆材料，可分为水泥—水玻璃浆、超细水泥—水玻璃浆两类。它克服了单液水泥浆的凝结时间长且不易控制、结石率低等缺点，提高了水泥注浆的效果，其中超细水泥-水玻璃浆可注性较好，具有较高的早期强度，可以考虑用作细砂路基的注浆材料。

3.2化学注浆材料

化学注浆材料应用较多的主要有水玻璃和有机高分子注浆材料两类。

（1）水玻璃注浆材料

1）水玻璃浆

以水玻璃为主剂，加入胶凝剂，使其发生化学反应，生成大量的硅凝胶从而凝结硬化。水玻璃浆凝结时间不够稳定，可控范围较小，凝结体强度低，稳定性较差，主要用于临时或半永久性工程中。

2）改性水玻璃浆

又称酸性水玻璃，是根据地层酸碱度用强酸将碱性的水玻璃改为酸性，其凝胶时间可以从几秒到数小时可任意调整，材料来源广泛，价格较便宜，且无毒无污染，粘度低，凝胶砂层后固砂体强度并不高，一般在0.1～0.6MPa，因而不适用与高层建筑物基础加固、封堵高压力地下水或作为受力结构的加固等，但是对于细砂路基的加固修复，还是比较理想的。

（2）有机高分子注浆材料

有机高分子注浆主要包括丙烯酰胺类、聚氨酯类、木质素类、环氧树脂类、不饱和酯类等。有机高分子注浆材料渗透性能好，强度力学性能优，但其价格昂贵，不适合应用于细砂路基加固。

3.3绿色注浆材料

绿色注浆材料利用的工业废渣主要有粉煤灰、冶炼渣以及脱硫废渣三类。目前，我国粉煤灰、冶炼渣、脱硫废渣等工业废渣排放量大，资源化高附加值利用率低，对环境造成了极大的污染。已有研究表明，这些工业废渣能被碱激发，其固体颗粒较普通水泥颗粒细小，且颗粒级配分布也更合理，可以作为原材料替代部分胶凝材料，配制注浆材料。这种注浆材料不仅节约了资源，而且减少了工业废渣对环境的污染，故被称为绿色注浆材料。

综合考虑材料的性能和价格，在细砂路基中宜选用的注浆材料主要有超细水泥浆、改性水玻璃浆、超细水泥—水玻璃双浆液和绿色注浆材料。

4 细砂路基注浆工艺

4.1 施工技术类型

按照注浆加固作用原理的不同，从施工工艺的角度上考虑，目前存在的注浆工艺大体可分为三类：静压注浆、高压喷射注浆和振动注浆。当前在道路路基注浆加固工程中的注浆工艺主要为静压注浆技术，其方法主要是采用静压注浆设备将浆液压入有裂隙的路基当中，通过填充既有的孔隙和空洞来增强路基的强度和整体性。静压注浆技术浆液扩散范围大，对砂砾石、砂卵石地层注浆效果好，注浆固结体强度较高，利于胶结碎裂结构物，注浆浆液能全部进入结构层中，浆液利用率高，因此细砂路基注浆一般采用静压注浆技术。

4.2施工流程

注浆施工的主要步骤包括孔位放样、固定钻机、成孔、下钢管并封闭孔口、配制浆液、分序压力注浆、止浆和养护等方面。

5 注浆效果评价方法

当前我国还没有统一的道路注浆施工规程和技术评价标准，工程实践中主要通过钻孔取样法和物探法来评价道路的注浆效果。

（1）钻孔取样法

开挖取样法是在注浆28d后对注浆处浆液细砂固结体进行钻孔取土，通过观察注浆加固的效果并测试固结体的力学参数指标（CBR、回弹模量），从而对注浆效果进行有效评定。但钻孔取样法对路基破坏性大，一般在检测手段有限时采用，这里不再详述。

（2）FWD弯沉检测法（物探法的一种）

目前沥青路面设计及养护指标中最重要的参照值为路表弯沉值，所以常通过弯沉指标来对道路路基注浆加固的效果予以体现和评价。本文推荐利用注浆前后FWD（落锤式弯沉仪）弯沉检测结果的对比对注浆加固的效果进行分析与评价，具体要求如下：

①注浆完成28d后的路表弯沉应小于设计值；

②利用弯沉盆参数反算得到的道路整体反应模量比注浆前提高25%以上；

③若②中的模量计算较困难，可用弯沉降低率（（原弯沉-注浆后弯沉）/原弯沉）进行评价，弯沉降低率应大于30%。

6 结论

1）浆液在压力作用下充填和挤密路基，伴随着渗透、劈裂、压密三种效应的共同作用，对细砂路基进行加固。根据注浆工艺的不同，形成了两种不同的注浆扩散理论：球形扩散和柱形扩散。

2）细砂路基注浆一般采用静压注浆技术，其施工流程包括孔位放样、成孔、下管、配制浆液、注浆、止浆和养护等方面。

3）根据我国沥青路面以弯沉值为主要设计指标的现状，提出采用弯沉指标对细砂路基的注浆效果进行评价的方法，并对具体的指标要求做出详尽说明。

参考文献

[1] 朱梅生.软土地基[M].北京：铁道出版社，1989.

[2] 蔡胜华.注浆法[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[3] 方贻立.高等级公路桥头跳车病害综合防治技术研究.长安大学硕士研究生论文.2001，12.

[4] 许茜，王彦明，范延勇等.注浆材料的发展及其应用[J].21世纪建筑材料，2010， 2（1）：58～62.

[5] 陈耕野等. 新世纪岩土加固技术的展望.探矿工程（岩土钻掘工程）. 2002年增刊.

[6] 杜嘉鸿，张崇瑞，何修仁，熊厚金. 地下建筑注浆工程简明手册. 北京：科学出版社， 1998：132-137