某高速公路湿陷性黄土路基沉陷病害旋喷桩处治技术研究

2018-10-10许勇

山西交通科技 2018年4期

许勇

（太原路桥建设有限公司，山西太原 030012）

0 引言

随着高速公路向中西部快速延伸发展，高速公路沿线不良工程地质问题越来越突出[1]。影响高速公路建设质量的最重要的因素为路基的沉降，湿陷性黄土地区的高速公路路基的不均匀沉降越来越引起国内研究者的重视[1-2]。山西省属黄土地区，且高速公路的荷载往往较大，高速公路黄土填方段路基运行期间，多发各种路基病害，尤其以路基不均匀沉降最为常见[3-4]。路基病害严重影响行车安全、行车速度及公路的使用寿命[5]。旋喷桩是处理路基沉陷病害的主要方法之一，其原理是利用设备将胶结浆液与土体充分搅拌混合，在地下形成一定范围的固结体，从而达到地基加固的目的[6-8]。本文选取某高速公路一段路基沉陷段作为试验研究对象，通过高压旋喷注浆技术对沉陷段进行处治，并对处治后的区段进行沉降监测，评价处治效果。

1 研究区概况

1.1 工程地质概况

某高速公路全长31 km，位于山西省西南部，大致呈南北走向。高速公路所在区域为典型黄土高原地貌，沟间地和沟谷地形成黄土的正负地貌特色，多冲沟陡坡，地形起伏较大。区内地层主要为第四纪更新世风积黄土，具有湿陷性，工程地质条件较差，路线路基填方段较多，大部分使用粉质土填筑，填方高度在3.5～5.5 m之间。尽管公路管理部门对该高速公路因湿陷性黄土导致的路基沉陷病害，积极采取了多项治理与预防措施，大部分的路段依然存在着一定程度的沉陷病害，路基沉陷造成路面横向开裂，波形梁护栏变形，损坏边坡防护及部分排水设施。如图1所示。

1.2 路基病害调查与分析

根据建设初期工程地质勘察情况，钻探深度平均为 7 m，K99—K111段以非自重湿陷性为主，K112—K121段为自重湿陷性为主，湿陷深度在4.5 m左右，均按要求采取了处治措施，见表1所示。

本次湿陷性黄土调查以钻探为主，采集土样进行分析，包括原状土和扰动土。通过分析研究区钻探土样，发现沿线原状土颗粒组成以粉粒为主，且含有结晶盐分，土样具有明显的多孔性，具有肉眼可见的大孔隙或虫孔。且沿线原地表存在规模不等的陷穴，这些特征均为自重湿陷性黄土典型表现。根据本次调查结果，K112—K125沿线仍以自重湿陷为主，且自重湿陷等级比例较建设初期有所增加。表2为评价数据统计表，由表可知，区内黄土以Ⅱ、Ⅲ级湿陷性为主，均表现为自重湿陷。湿陷性最为严重的地段位于K112—K118段，其中K114范围最为显著，表现为Ⅳ级湿陷性。

表1 初建时期处治措施

表2 湿陷性黄土评价数据统计表

调查发现，运营期间高速公路路基两侧农田由原来的旱地变为水浇地，尤其以K112—K119段最为明显。季节性灌溉水入渗至路基下的地基，导致了地基湿陷下沉。路基沉陷病害，使得原路防排水系统功能损坏，雨水不能及时排除，雨水下渗，破坏了路基及地基的土体结构，进一步加剧了路基沉陷病害。

图2 高速公路典型纵断面沉降速率分布图

图2为高速公路沉降速率沿路线走向的分布情况，反应的是典型纵断面8年间8次累计沉降量监测值与时间的关系。图中可知，在K113—K123段沉降速率较K99—K112段大，累计沉降平均速率与分段沉降平均速率的变化趋势基本一致，K113—K115沉降速率最大，超过了0.5 cm/月，说明K113—K115段路基沉陷病害最为严重，应作为重点处治区段。

2 高压旋喷技术在路基沉陷段的应用

针对研究区高速公路的实际情况，为减少路面开挖，降低造价，选取高速公路K114+100—K114+300段作为试验研究区，采用旋喷桩对沉陷段病害治理，根据以往复合地基的承载能力分析数据，旋喷桩处治深度应大于湿陷性黄土层厚1～2 m。

2.1 施工工艺及参数

图3为高压旋喷桩施工工艺流程图。根据本区实际地质地层情况并结合以往数据，确定研究区施工工艺参数：P·S·B32.5矿渣硅酸盐水泥；浆液以水泥浆为主剂，水灰比为1∶1；桩径60 cm；桩间距1.2 m，梅花型布桩，确保单桩承载力不小于190 kN；浆液量不小于240 L/每延米；单管法施工，喷射压力最低20 MPa，提升速度为0.25 m/min，旋转速度为20 r/min；掺入0.5%的三乙醇胺早强剂。

图3 旋喷桩施工工艺

2.2 施工注意事项

a）施工前，场地基础平整并且承载力符合要求，检查并确保保密装置及安全防护装置的有效性。

b）旋喷桩施工过程，如出现故障则应及时停止并排除。针对常见的泵压出现问题，即泵压达不到设计要求，应及时检查高压部分、连接处、旋转处等是否出现漏水漏气现象。

c）冬季施工应对高压泵采取保温措施，施工完成排除泵体及管道内所有积水，避免设备内结冰冻胀损坏设备。

d）冒浆的处理，观察冒浆情况是施工过程中重要的注意事项，根据冒浆情况能够分析旋喷的速度参数设定是否合理、施工质量是否能够满足要求。正常条件下冒浆量小于注浆量的20%，若超过20%或完全不冒浆，应及时分析原因并正确处理。地层中存在大空间可导致不冒浆现象，处理方法，可在浆液中掺入速凝剂，以使浆液快速凝结，或加大注浆量，快速填充地层的大空隙。如果出现冒浆过大的情形，说明注浆量或者注浆压力设定不合理，没有能够与喷射范围匹配，实践证明，采取增大喷射压力、缩小喷嘴孔径、加快转速等措施效果明显。

2.3 质量控制

a）试桩，施工前，在分析本区地质条件的基础上，在研究段进行工艺性试桩，其数量原则上最少布置5根桩。获取试桩的数据，并进行分析，根据分析结果确定和调整施工工艺参数，比如转速、喷射浆液压力、水压力、用水量和注浆量等。试桩过程应严谨认真，数据严格分析并应记录备案，如有问题及时提出并分析原因，确保数据合格有效。试桩结果将作为施工控制参数和操作流程，为大面积应用提供指导数据。

b）施工质量控制标准[6]。在施工过程中严格执行试桩工艺参数及相关施工质量标准，比如，桩位误差及钻孔垂直度分别应控制在5 cm以内和1%以内，为保证孔的深度符合要求，不应直接对孔深进行测量，而应该对钻杆进行量测；注浆浆液应严格控制，按照施工配合比进行。配制好的浆液应尽快用完，一般情况下最长放置时间不应超过2 h，温度超过30℃时，不应超过1.5 h。施工过程中，高压泵的压力是关键，是影响施工进度的最关键因素。旋喷桩提升喷浆时，为防止钻杆堵塞等事故，钻杆应拆下放至指定的位置；重新工作时，再把钻杆重新安装，安装要求符合规范，钻杆连接空间要留取不小于10 cm。随时观察高压泵和设备管道的压力，确保压力正常，并检查压力和流量，确保在设定的施工工艺参数范围内。

c）质量检查，规定28 d后需要对高压旋喷注浆效果进行检查，主要检查桩体质量，包括桩体的成型情况、完整程度、有效直径等参数[7]。检查的方法严格按照规范执行，主要检查方法包括桩体开挖和桩体的中心钻芯。具体要求按照表3高压旋喷桩施工质量控制指标执行。桩位应在研究区内随机选择，重点控制部位及可能影响施工质量的部位，应重点抽查，抽查比例应不小于总数的1%，若研究段较短，检测点也不应小于3点；取芯实验合格标注应为抗压强度大于1.5 MPa。

表3 高压旋喷桩施工质量控制指标

3 旋喷桩处治效果评价

3.1 旋喷桩施工质量

检验试验段处治效果，目的是为了获取机具参数、施工工艺数据，为大范围施工应用提供依据。施工过程严格遵守设定的参数和工艺要求，试验段抽查成桩效果，结果见表4。表中显示，高压旋喷桩强度全部满足设计要求，虽然部分桩径不满足设计要求，但是偏差不大，而且数量很少，因此施工质量基本符合评价要求。通过试验段旋喷桩质量检验，表明在该区旋喷桩施工质量能够得到保证。但要说明旋喷桩处治技术是否能够有效解决研究区高速公路路基沉陷问题，需要结合处治后的路基沉降监测数据。

表4 试验段成桩效果检查结果

3.2 沉降监测

在路基沉降处治技术的研究过程中，现场沉降数据的监测分析尤为重要。通过对比处治前及处治后路基沉降量及沉降速率等数据，分析处治效果的有效性。

选择典型断面进行路基沉降监测，通过分析路基沉降特征，反映路基沉降情况。沉降监测精度的等级为二等水准测量。选取K114+200截面为监测断面，路堤高度为5.3 m，在路堤基底埋设剖面沉降管，沉降管全长27 m，如图4所示。对其进行为期14个月的沉降观测分析，K114+200路基全断面沉降量随时间变化曲线如图5所示。图中显示，整体上，路基断面各个测点均发生了不同程度的沉降，全断面沉降具有一定的差异性，路基中心线附近靠右侧位置沉降量最大，最大沉降量约为 15 cm，在第7个月以后，路基全断面各点沉降量不再发展，路基趋于稳定。目前该试验段路面平整，说明运用高压旋喷桩技术处治研究区高速公路路基沉陷病害是合理可行的。