劉 博，楊 戈

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實驗室，上海市201804）

0 引言

近年來，我國公路建設(shè)發(fā)展迅猛，路網(wǎng)布局逐步完善，極大地改善了人們的出行條件。但由于自然條件特殊、設(shè)計施工不當(dāng)、交通流量劇增等原因，一些道路出現(xiàn)了不同類型、不同程度的損壞，包括路基缺陷引起的損壞和路面基層破損引起的損壞，極大影響了道路的使用性能和服務(wù)水平。對于路基缺陷和基層破損的修復(fù)，以往經(jīng)常采用翻挖、置換的養(yǎng)護(hù)技術(shù)，施工周期長、對結(jié)構(gòu)擾動嚴(yán)重、對交通影響大，難以適應(yīng)道路交通運(yùn)行和城市環(huán)境的要求。近十多年來，注漿加固技術(shù)的應(yīng)用逐步從巖土工程擴(kuò)展到道路工程。從早期的水泥混凝土路面板底脫空注漿，到近年來的路基處治，注漿加固技術(shù)憑借其免翻挖、少擾動、少影響等優(yōu)點(diǎn)，正發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，道路注漿加固技術(shù)諸多問題，如注漿材料漿液凝固時間長，流動性控制困難，可注性低，不利于快速開放交通；地聚合物注漿材料價格昂貴，注漿效果受地質(zhì)和氣候條件影響大；現(xiàn)有注漿機(jī)具和注漿工藝單一，且缺乏先進(jìn)、合理的道路注漿加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致施工流程不規(guī)范、過程控制不科學(xué)、注漿效果不理想等。因此，有必要針對道路路基路面的特點(diǎn)和交通運(yùn)行的要求，從材料、工藝和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面，對道路注漿加固技術(shù)開展系統(tǒng)的進(jìn)一步研究。

1 新型注漿材料的研發(fā)

1.1 新型注漿材料配合比設(shè)計

道路注漿加固材料的性能要求包括：足夠的強(qiáng)度；良好的耐久性與穩(wěn)定性；考慮道路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的漿液流動性和可注性；漿液與界面的結(jié)合形式等。針對現(xiàn)有注漿材料漿液凝固時間長、可注性低、穩(wěn)定性差（易發(fā)生噴漿冒漿）、不利于快速開放交通等現(xiàn)狀，基于注漿材料的滲透作用及物化作用機(jī)理（包括水泥水化機(jī)理、多元凝膠材料的復(fù)合效應(yīng)及水泥水化物與土體的作用等三大作用），該研究課題首先提出開發(fā)路用注漿材料的技術(shù)要求，如表1所列。

表1 開發(fā)路用注漿材料技術(shù)要求一覽表

表1所列的路用注漿材料技術(shù)要求為設(shè)計目標(biāo)，由注漿材料選材與初步配方的確定開始，采用正交試驗方法（L9（43）正交表）開展注漿材料原材料選材探索試驗（8組），綜合分析了以普通硅酸鹽水泥+速凝劑（SH）、快硬硫鋁酸水泥+礦物外加劑、快硬硫鋁酸水泥+普通硅酸鹽水泥三大材料體系為基的注漿材料的工作性能、力學(xué)性能。通過對三種材料在流動度、凝結(jié)時間及抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)的11組對比試驗，最終確定以快硬硫鋁酸水泥+礦物外加劑為基的注漿材料作為新型注漿材料的主研方向，擬可通過添加緩凝劑、調(diào)整外摻料品種和摻量等方式進(jìn)一步優(yōu)化注漿材料性能。

通過30組不同配比的室內(nèi)比對試驗分析了緩凝劑、礦物外加劑、膨脹劑、減水劑和細(xì)砂對注漿材料的影響，確定了新型注漿材料的最終配合比，配合比和性能指標(biāo)如表2、表3所列。

表2 道路新型注漿材料的配合比一覽表

表3 道路新型注漿材料的性能一覽表

1.2 道路新型注漿材料的路用性能評價

在前期試驗基礎(chǔ)上，選取一組路基和基層加固用注漿材料，研究其與土體、三渣固結(jié)體的力學(xué)性能與包括水穩(wěn)定性、抗凍性等指標(biāo)在內(nèi)的耐久性能，并與市售地聚合物注漿材料土體、三渣固結(jié)體進(jìn)行對比分析。

1.2.1 強(qiáng)度性能

注漿材料固結(jié)體的力學(xué)性能試驗結(jié)果如表4所列，并得到如下結(jié)論。

表4 注漿材料固結(jié)體的力學(xué)性能一覽表

（1）新型注漿材料土體固結(jié)體隨著注漿材料摻量的增多，其7 d、28 d抗壓強(qiáng)度增大。當(dāng)漿體材料摻量為20%時，傳統(tǒng)地聚合物土體固結(jié)體7 d抗壓強(qiáng)度為1.34 MPa，新型注漿材料土體固結(jié)體7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.13 MPa，高出0.79 MPa，是傳統(tǒng)地聚合物土體固結(jié)體7 d抗壓強(qiáng)度的1.58倍。

（2）當(dāng)漿體材料摻量為13%時，注漿材料三渣固結(jié)體7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別高出地聚合物三渣固結(jié)體134%、64.7%。

1.2.2 水穩(wěn)定性和抗凍性

注漿材料固結(jié)體水穩(wěn)定性和抗凍性能試驗結(jié)果如表5所列，并得到如下結(jié)論。

（1）土體固結(jié)體水穩(wěn)定性能較差，經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，新型注漿材料土體固結(jié)體（A-2）、傳統(tǒng)地聚合物土體固結(jié)體（C-2）試件質(zhì)量損失率分別為8.6%、10.1%，強(qiáng)度損失率分別為1.4%、3.2%。

（2）三渣固結(jié)體水穩(wěn)定性稍優(yōu)于土體固結(jié)體，是由于三渣固結(jié)體抗壓強(qiáng)度較高，耐水性能較好。新型注漿材料三渣固結(jié)體（B-1）、傳統(tǒng)地聚合物土體固結(jié)體（C-1）試件質(zhì)量損失率分別為2.0%、3.8%，強(qiáng)度損失率分別為0.8%、1.9%。可知新型注漿材料的土體固結(jié)體及三渣固結(jié)體的水穩(wěn)定性均優(yōu)于傳統(tǒng)地聚合物漿材的土體固結(jié)體及三渣固結(jié)體。

表5 注漿材料固結(jié)體水穩(wěn)定性能和抗凍性能試驗一覽表

（3）經(jīng)凍融循環(huán)后，新型注漿材料的土體固結(jié)體和注漿三渣固結(jié)體質(zhì)量損失率、強(qiáng)度損失率較傳統(tǒng)地聚合物土體固結(jié)體和三渣固結(jié)體低。新型注漿材料土體固結(jié)體質(zhì)量損失率、強(qiáng)度損失率分別為6.0%、0.8%；新型注漿材料三渣固結(jié)體質(zhì)量損失率、強(qiáng)度損失率為0.8%、0.2%。

2 復(fù)合式注漿花管的設(shè)計

道路注漿加固具有：充填、滲透、擠密劈裂等效應(yīng)。漿液在壓力作用下充填和擠密道路路基或基層，漿液首先劈入強(qiáng)度最低的部分土體，然后隨壓力增大，再劈入另一部分強(qiáng)度較高的部分土體，地層產(chǎn)生隆起抬高效應(yīng)，最終充填至基層、路基范圍內(nèi)所有可注縫隙中。隨著注漿技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，注漿理論和工藝相繼產(chǎn)生。最著名的有球形擴(kuò)散理論（即假設(shè)漿液在均勻、各向同性介質(zhì)中流動時按球形擴(kuò)散，注漿時主要發(fā)生單點(diǎn)滲流作用）和柱形擴(kuò)散理論（即假設(shè)漿液在地層中呈柱形擴(kuò)散，產(chǎn)生多點(diǎn)滲流效應(yīng)），而與之對應(yīng)的注漿工藝設(shè)計為傳統(tǒng)的常規(guī)悶頭管，以及該研究課題設(shè)計的新型注漿花管，如圖1、圖2所示。

圖1 漿液擴(kuò)散形狀示意圖（左圖為球面擴(kuò)散，右圖為柱面擴(kuò)散）

圖2 悶頭管注漿與花管注漿對比示意圖

常規(guī)悶頭管注漿（圖2左）基于單點(diǎn)滲流及球形擴(kuò)散理論設(shè)計，操作簡易但工序復(fù)雜，是近年來道路注漿常用的注漿工藝。常規(guī)悶頭管注漿施工往往只可以進(jìn)行單一層位的注漿，而且在注漿時要不斷地進(jìn)行提管施工（考慮豎向注漿順序問題），若需要進(jìn)行基層和路基雙層位注漿，則需布孔2次，打孔2次，壓樁1次，即先完成基層注漿，再進(jìn)行基層打孔、壓樁最后完成路基注漿；在完成相同工作量的前提下，需花費(fèi)更多的人力及物力和時間，注漿材料也會相應(yīng)增多。

而該研究課題基于“多點(diǎn)滲流+柱形擴(kuò)散理論”，設(shè)計了一種新型復(fù)合式注漿花管（如圖2右），其優(yōu)勢為：可在基層層位和路基層位分別預(yù)留噴漿孔，亦可在需要的任意層位預(yù)留噴漿孔，有利于實現(xiàn)道路整體深度內(nèi)任意層位一體化同時性注漿施工，避免了繁瑣的提管工序，提高了注漿效率，而且理論上采取此種工法的多點(diǎn)滲流的注漿效果應(yīng)優(yōu)于單點(diǎn)滲流。

3 道路注漿加固依托工程試驗及評價

3.1 試驗段工況

該研究課題以上海市奉賢區(qū)大葉公路與團(tuán)青公路修復(fù)工程作為主體依托工程，以上海市奉賢區(qū)泰青公路中修工程（泰青公路中修工程采取傳統(tǒng)的地聚合物注漿，注漿層位為基層+路基層位，采取傳統(tǒng)悶頭管進(jìn)行注漿），作為本課題的調(diào)研工程與比對工程。大葉公路試驗段共410 m，施工路幅寬度為7.5m，總面積為3 075m2；團(tuán)青公路（四團(tuán)港橋段）試驗段長度共115m，施工路幅寬度為7.5 m，總面積為862.5m2。原道路結(jié)構(gòu)為：8 cm瀝青混凝土、40 cm三渣基層和15 cm碎石墊層。地下水位高、路基含水量大是其道路構(gòu)造的主要特點(diǎn)，對道路注漿材料的性能及施工工藝的合理性和科學(xué)性提出了更高的要求。該研究課題針對大葉公路與團(tuán)青公路試驗段實際狀況，周密地考慮了道路注漿設(shè)計方案中的注漿材料、注漿管、布孔形式、注漿深度，以及注漿順序等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計，進(jìn)行了詳細(xì)科學(xué)的試驗段安排（將整個路段分為8個大區(qū)域，15個小區(qū)域），擬對新型無機(jī)快硬性注漿材料及新型注漿工藝的優(yōu)越性提供驗證，并通過詳細(xì)的比對分析，提出基于當(dāng)前最優(yōu)技術(shù)條件下的推薦設(shè)計注漿方案。

3.2 主要施工流程

試驗段注漿施工流程應(yīng)按照前文要求嚴(yán)格控制：布孔→鉆孔→清空→埋漿管→注漿料準(zhǔn)備→濾漿→注漿→冒漿孔封堵（或補(bǔ)漿）→拔管→注漿孔封堵→養(yǎng)護(hù)→補(bǔ)漿→交工驗收。其中，該項試驗段鉆孔方式主要采取兩次成孔，首先用氣動式鉆孔機(jī)鉆至1.0 m左右，接著用液壓式壓管機(jī)成孔至設(shè)計深度，以保證鉆孔質(zhì)量。在注漿前進(jìn)行了現(xiàn)場注漿試驗，采用0.5 MPa作為此次試驗段注漿工程中停漿控制壓力。

3.3 注漿效果分析與推薦注漿方案

現(xiàn)今我國瀝青路面設(shè)計及養(yǎng)護(hù)指標(biāo)中最重要的參照值為路表彎沉值。該研究道路注漿加固效果的定性分析采用彎沉值來進(jìn)行評價，由于該研究課題注漿試驗段將525 m長的試驗段劃分為15個區(qū)域進(jìn)行試驗，用以分析注漿材料、注漿管選擇、注漿深度選取、布孔形式，以及注漿順序等關(guān)鍵工藝參數(shù)對注漿效果的影響，單段區(qū)域長度較短，因此對《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)（JTGF80-1-2004）》中FWD測試方法進(jìn)行了優(yōu)化，以雙車道輪跡線的大致分布位置為測線，每區(qū)域4條測線，測點(diǎn)縱向間距取5 m。試驗獲得測點(diǎn)數(shù)據(jù)龐大，為后期比對分析提供了良好的數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)現(xiàn)場彎沉試驗結(jié)果（如表6所列），通過與泰青公路對比工程進(jìn)行橫向比較可知，此次采用新型無機(jī)快硬性注漿材料進(jìn)行注漿施工后的試驗段平均路表彎沉降低量（35.34%）是之前泰青公路采取傳統(tǒng)地聚合物進(jìn)行注漿修復(fù)工程（降低量22.33%）的1.6倍，漿材優(yōu)勢顯著。而且通過現(xiàn)場試驗觀測發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)合式注漿加固工藝優(yōu)于采用常規(guī)悶頭管注漿加固工藝的注漿效果，主要表現(xiàn)在冒漿跑漿發(fā)生的現(xiàn)象明顯減少，達(dá)到停漿控制條件時的注漿量有所降低，且施工速率大幅增加，注漿效率顯著提升。

此外，為合理地評價此次試驗段內(nèi)各小區(qū)域方案的注漿效果，科學(xué)地分析注漿材料、注漿管、注漿深度、布孔形式、注漿順序等關(guān)鍵工藝參數(shù)對注漿效果的影響，并進(jìn)而提出基于最優(yōu)技術(shù)條件下的推薦方案設(shè)計，該研究課題提出了基于路面疲勞壽命分析的道路注漿技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價方法，其基本思路為：

首先對表6中注漿前后的彎沉值進(jìn)行處理，采用修正后的AI法疲勞模型作為疲勞開裂基本形式，如式（1），得到各試驗段通過注漿加固所導(dǎo)致的路面疲勞壽命的增量。然后結(jié)合考慮各試驗段的施工成本，得到各試驗段路面疲勞壽命增量與施工成本之間的對應(yīng)關(guān)系，從而進(jìn)行各施工方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價，最后選擇相對成本低，而路面疲勞壽命增量高的方案作為較優(yōu)方案。（試驗最終分析結(jié)果如表6所列）。

對表6的數(shù)據(jù)按照上述的分析思路分析得到，在該項實驗條件（接近最優(yōu)技術(shù)條件）下的推薦方案為采用該項目研發(fā)的新型無機(jī)注漿材料，采用1.3m的注漿深度，2.4m×4 m的梅花形（或2.4m×2.4 m正方形）布孔，采取由外向內(nèi)的注漿順序，使用花管進(jìn)行道路基層+路基復(fù)合式注漿。

4 結(jié)語

根據(jù)上述計算和分析，可以得出結(jié)論如下：

（1）該研究課題基于道路性能指標(biāo)的配合比設(shè)計方法，展開新型無機(jī)道路注漿材料的配合比研究，采用正交試驗方法確定新型注漿材料初步配方，然后通過大量的比對試驗，全面地分析了緩凝劑、礦物外加劑D、膨脹劑、減水劑，以及細(xì)砂等對無機(jī)注漿材料對注漿材料流動度、抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時間，以及泌水、收縮等關(guān)鍵路用性能的影響規(guī)律，從而最終確定新型注漿材料的配合比，并驗證了新型無機(jī)注漿材料的道路適用性，并與傳統(tǒng)地聚合物漿材固結(jié)體做對比分析，體現(xiàn)出該項目研發(fā)的無機(jī)注漿材料在強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和抗凍性能等方面突出的優(yōu)越性。

（2）基于“柱形擴(kuò)散理論”，設(shè)計了新型注漿花管，其可在基層層位和路基層位分別預(yù)留噴漿孔，以路基+基層復(fù)合注漿的形式進(jìn)行注漿的新工藝，避免了繁瑣的提管工序，提高了注漿效率和注漿效果。對采用路基+基層復(fù)合式注漿加固工藝的注漿效果與采用常規(guī)悶頭管注漿工藝的注漿效果進(jìn)行了對比分析，指出采用復(fù)合式注漿加固工藝的注漿效果要優(yōu)于采用常規(guī)悶頭管注漿加固工藝的注漿效果，且在施工過程中避免了繁瑣的提管工序，可大幅度提高注漿效率，符合道路修復(fù)快速開放交通的需求。

表6 各試驗路段試驗結(jié)果分析表

（3）周密地考慮了道路注漿設(shè)計方案中的各關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計，進(jìn)行了詳細(xì)科學(xué)的試驗段安排，通過依托的注漿試驗，根據(jù)注漿前后路表彎沉值的對比分析，得出道路注漿加固技術(shù)參數(shù)對注漿效果的影響，并提出基于較優(yōu)技術(shù)條件（即采用該課題研發(fā)的新型無機(jī)快硬性注漿材料及新型注漿工藝）下的推薦方案設(shè)計：采用該項目研發(fā)的新型無機(jī)注漿材料，采用1.3 m的注漿深度，2.4 m×4 m的梅花形（或2.4 m×2.4 m正方形）布孔，采取由外向內(nèi)的注漿順序，使用復(fù)合型花管進(jìn)行道路基層+路基復(fù)合式注漿。

綜上所述，采用該項目的研究成果可以控制道路維修加固投資，節(jié)省工程費(fèi)用，縮短施工周期，減少施工環(huán)境污染。研究成果可以廣泛地應(yīng)用于上海市乃至我國道路注漿加固修復(fù)工程，為其提供參考、指導(dǎo)和借鑒，推廣應(yīng)用前景非常廣闊。此外，該課題的研究成果可以為相關(guān)規(guī)范的修訂提供技術(shù)依據(jù)，具有十分重要的意義。

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