劉曉賀

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

隨著我國高速鐵路建設(shè)不斷發(fā)展，鐵路里程迅速增長，鐵路路基病害也隨之出現(xiàn)。當(dāng)前路基結(jié)構(gòu)常見病害主要有沉陷、開裂、翻漿、軌道板脫空等，嚴(yán)重影響了軌道的平順性和列車的行車安全性［1］。針對(duì)這一現(xiàn)狀，注漿技術(shù)在鐵路路基加固維修中被逐步廣泛應(yīng)用。

普通鐵路路基病害主要采用鋼花管注漿技術(shù)進(jìn)行治理，運(yùn)營的高速鐵路路基病害主要采用袖閥管注漿加固技術(shù)進(jìn)行整治。鐵路路基注漿加固施工工藝較成熟，且可采用信息化實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行加固施工，注漿加固實(shí)施效果良好［2－4］。在鐵路路基注漿加固技術(shù)應(yīng)用方面，文獻(xiàn)［5－8］研究了注漿加固工藝在巖溶、軟土等地區(qū)鐵路工程中的應(yīng)用。根據(jù)不同巖溶和地層的性質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)際注漿參數(shù)，采取不同注漿加固流程，并對(duì)注漿效果進(jìn)行驗(yàn)證。在鐵路路基注漿材料方面，文獻(xiàn)［9－10］對(duì)高速鐵路高聚物注漿材料的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過高分子聚合物注漿材料反應(yīng)進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)的抬升，并研究了注漿反應(yīng)后的動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但材料的準(zhǔn)確抬升量、安全環(huán)保及耐久性能等仍需完善。在鐵路路基注漿機(jī)理方面，文獻(xiàn)［11－12］對(duì)注漿抬升機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了抬升量、注漿量、土體性質(zhì)等之間的關(guān)系，對(duì)抬升注漿的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測與其對(duì)比驗(yàn)證。當(dāng)前在鐵路路基注漿加固施工工藝、加固機(jī)理等方面的研究較為成熟，但對(duì)高性能注漿材料的相關(guān)研究較少，且注漿材料多以水泥為主，注漿材料種類單一。

本文以水泥和粉煤灰為基礎(chǔ)材料，研究分別摻加硅灰、粉砂、膨脹劑等復(fù)合注漿材料的力學(xué)及耐久性能，為高速鐵路路基注漿材料的選擇應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 路基注漿加固機(jī)理及注漿材料性能要求

2.1 路基注漿加固機(jī)理

目前，關(guān)于注漿方法的分類尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)注漿材料、注漿用途及漿液的滲透方式的不同，其分類也不同。工程中所說的注漿通常是靜壓注漿，靜壓注漿是指通過氣壓或液壓的原理方法，將配制好的具有良好流動(dòng)性、耐久性及粘結(jié)強(qiáng)度的注漿材料注入鐵路路基病害部位，待漿液完全固化后將松散的土顆?；蚱扑榈膸r土粘結(jié)為整體，進(jìn)而提升路基結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。根據(jù)注漿壓力、漿液與土體的作用機(jī)理、漿液在土體中的分布形式可將注漿方式大致分為滲透注漿、壓密注漿、劈裂注漿等。滲透注漿的注漿壓力較小，漿液一般均勻擴(kuò)散在土體顆粒之間，通過與土體顆粒的膠結(jié)硬化來增強(qiáng)路基土體的強(qiáng)度和抗?jié)B效果。壓密注漿采用較高的壓力將漿液通過鉆孔壓入到土體中來加固土體，注漿時(shí)漿液先填充土體中較大的空隙，再填充較小的空隙，原土體結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性和強(qiáng)度都得到較好地提高。劈裂注漿采用高壓力將漿液注入到土體中，注漿時(shí)會(huì)對(duì)周圍的土體產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，使土體發(fā)生剪切破壞，漿液會(huì)以網(wǎng)格形式相互連接形成骨架作用。具體注漿方式如圖1所示。

圖1 注漿方式原理

2.2 注漿材料性能要求

常用的注漿材料包括有機(jī)類、無機(jī)類和化學(xué)類。無機(jī)材料在工程使用較廣泛，大多以單一的水泥漿為注漿材料，通常還會(huì)根據(jù)具體的工程條件摻加少量的外加劑增強(qiáng)注漿材料的性能。鐵路路基注漿材料通常需要具備以下性能：

（1）流動(dòng)性。漿液的流動(dòng)性會(huì)影響漿液在路基土體縫隙中的填充效果，進(jìn)而影響路基的注漿加固質(zhì)量。

（2）微膨脹性。微膨脹性可將路基土體縫隙較好地填充，使材料與土體顆粒較好地粘結(jié)。

（3）抗凍性。寒區(qū)鐵路路基結(jié)構(gòu)因冬季氣溫較低，需具有良好抗凍性能的注漿材料，會(huì)增強(qiáng)路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（4）經(jīng)濟(jì)性。注漿材料的經(jīng)濟(jì)性影響其在鐵路工程中的推廣應(yīng)用程度，經(jīng)濟(jì)適用的注漿材料可降低路基工程的病害治理成本。

3 原材料及試驗(yàn)方案

（1）原材料

水泥：河北某公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時(shí)間152 min，終凝時(shí)間192 min。

粉煤灰：河北某電廠提供的Ⅱ級(jí)活性粉煤灰，細(xì)度7.3%，需水比84%，燒失量2.46%。

粉砂：粒徑0.16 mm以下的質(zhì)量占粉砂總質(zhì)量的83.2%。

硅灰：主要由極細(xì)的球狀顆粒組成，含有超過75%的無定型二氧化硅?；鹕交一钚詷O高，是制備高強(qiáng)度、高流動(dòng)度水泥漿的必要摻加材料。

膨脹劑：可提高注漿材料在路基土體中的密實(shí)程度，提升注漿加固的修復(fù)效果。

（2）試驗(yàn)方案

水泥中的粉煤灰含量在40%以下時(shí)，混合料具有良好的力學(xué)及物理性能［13］。本文以水泥和20%含量的粉煤灰為基料，水灰比為0.5，研究分別摻加膨脹劑、硅灰、粉砂等對(duì)鐵路路基注漿材料力學(xué)及耐久性能的影響。膨脹劑含量為0%、1.5%、3%、4.5%、6%；硅灰含量為0%、3%、6%、9%；粉砂含量為0%、10%、20%、30%。試樣制備和性能指標(biāo)的測試嚴(yán)格按照相關(guān)土工試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。

（3）試樣制備

試驗(yàn)前將水泥、粉煤灰、水按設(shè)計(jì)比例攪拌均勻，分別摻加設(shè)計(jì)含量的粉砂、硅灰、膨脹劑進(jìn)行充分?jǐn)嚢璨仓尚?，在?biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，參照文獻(xiàn)［13］中的試驗(yàn)程序和方法進(jìn)行力學(xué)及耐久性能指標(biāo)的測試和試驗(yàn)。具體注漿材料試驗(yàn)試樣制備工藝如圖2所示。

圖2 注漿材料制備流程

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 粉砂對(duì)注漿材料性能的影響

以水泥和20%的粉煤灰混合料為基礎(chǔ)，研究分別摻加0%、10%、20%、30%粉砂對(duì)注漿材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、凍融耐久性能的影響。由圖3可知，粉煤灰－水泥基外摻粉砂的混合注漿材料隨著粉砂含量的增加，力學(xué)性能呈逐漸降低趨勢，抗凍性能呈先增高后降低趨勢。在抗壓、抗折強(qiáng)度方面，粉砂含量小于10%時(shí)，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度無明顯變化；當(dāng)粉砂含量由10%增至30%時(shí)，各養(yǎng)護(hù)齡期抗壓、抗折強(qiáng)度降低幅度顯著。凍融耐久性方面，在粉砂含量為10%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d的凍融前后抗壓強(qiáng)度差最小，抗凍性能最優(yōu)。主要原因在于水泥是混合漿料的主要膠凝材料，對(duì)強(qiáng)度的提升起關(guān)鍵作用；粉砂是非膠凝材料，少量摻加可以增強(qiáng)鐵路路基注漿漿料的和易性，含量較大時(shí)，將會(huì)影響混合注漿材料與路基土體的膠凝固結(jié)效果。

圖3 粉砂含量與注漿材料性能關(guān)系

4.2 硅灰對(duì)注漿材料性能的影響

將水泥和20%含量的粉煤灰混合配制作為基礎(chǔ)注漿材料，研究分別摻加0%、3%、6%、9%硅灰對(duì)注漿材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、凍融耐久性能的影響。由圖4可知，粉煤灰－水泥基外摻硅灰的混合注漿材料隨著硅灰含量的增加，力學(xué)性能和抗凍性能呈先升高后降低趨勢。在抗壓、抗折強(qiáng)度方面，硅灰含量小于6%時(shí)，抗壓和抗折強(qiáng)度隨著硅灰含量的增加而增加；當(dāng)硅灰含量大于6%時(shí)，各養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓和抗折強(qiáng)度逐漸降低。在凍融耐久性方面，硅灰含量為6%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d凍融試驗(yàn)前后的抗壓強(qiáng)度差值最小，抗凍性能最優(yōu)。主要因?yàn)楣杌业念w粒細(xì)小，具有良好的火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，注漿材料中硅灰含量較少時(shí)，可以起到很好的膠結(jié)作用和填充效果，含量較多時(shí)，將會(huì)影響水泥的水化反應(yīng)，且注漿材料的后期力學(xué)性能主要依靠水泥的水化膠凝作用。

圖4 硅灰含量與注漿材料性能關(guān)系

4.3 膨脹劑對(duì)注漿材料性能的影響

將水泥和20%含量的粉煤灰混合配制作為基礎(chǔ)注漿材料，研究分別摻加0%、1.5%、3%、4.5%、6%膨脹劑對(duì)注漿材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、凍融耐久性能的影響。由圖5可知，粉煤灰－水泥基外摻膨脹劑注漿材料隨著膨脹劑含量的增加，力學(xué)性能呈平緩增長趨勢，但超過一定含量時(shí)，力學(xué)性能降低明顯，抗凍性能與力學(xué)性能變化趨勢相同。在抗壓、抗折強(qiáng)度方面，膨脹劑含量小于4.5%時(shí)，隨著膨脹劑含量的增加，注漿材料的7 d、28 d抗壓、抗折強(qiáng)度平緩增加；當(dāng)含量大于4.5%時(shí)，7 d、28 d抗壓、抗折強(qiáng)度降低幅度明顯。在凍融耐久性方面，在膨脹劑含量為4.5%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d的凍融前后抗壓強(qiáng)度差最小，抗凍性能最優(yōu)。主要原因在于摻入少量的膨脹劑可以抑制注漿材料與土體反應(yīng)后收縮變形的影響，且有助于提升注漿材料在鐵路路基土體空隙中的分布和填充效果；當(dāng)超過一定含量時(shí)，注漿材料體積膨脹會(huì)破壞原有穩(wěn)定的注漿材料與土體膠結(jié)固化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致其力學(xué)性能和抗凍性能大幅降低。因此，在鐵路路基工程注漿過程中應(yīng)適量摻加膨脹劑。

圖5 膨脹劑含量與注漿材料性能關(guān)系

5 結(jié)論

（1）外摻材料的種類和含量對(duì)復(fù)合注漿材料的物理力學(xué)性能影響顯著，應(yīng)根據(jù)鐵路路基工程的實(shí)際地質(zhì)和環(huán)境條件選擇符合性能要求的注漿材料和注漿方式。

（2）綜合考慮復(fù)合注漿材料性能指標(biāo)試驗(yàn)分析結(jié)果及工程經(jīng)濟(jì)性，以優(yōu)選的粉煤灰－水泥基路基注漿材料為基礎(chǔ)，粉砂的最佳含量為10%，對(duì)應(yīng)注漿材料的抗壓強(qiáng)度為36.6 MPa，抗折強(qiáng)度為14.4 MPa，10%粉砂的抗凍性能在各組分粉砂中最優(yōu)；硅灰的最佳含量為6%，對(duì)應(yīng)注漿材料的抗壓強(qiáng)度為43.6 MPa，抗折強(qiáng)度為17.8 MPa，抗凍性能在各組分硅灰中最優(yōu)；膨脹劑的最佳含量為4.5%，對(duì)應(yīng)注漿材料的抗壓強(qiáng)度為41.2 MPa，抗折強(qiáng)度為17.6 MPa，抗凍性能在各組分膨脹劑中最優(yōu)。

（3）在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的參數(shù)變量范圍內(nèi)，摻加含量6%的硅灰對(duì)注漿材料性能增強(qiáng)效果最佳，可為高速鐵路路基病害治理中注漿技術(shù)的材料選擇提供數(shù)據(jù)參考和借鑒。