劉曉賀
(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)
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)。
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)會對周圍的土體產(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
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)流動性。漿液的流動性會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。
(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
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
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
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
(1)外摻材料的種類和含量對復(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。