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    王坤:沿海高速公路軟基托換加固段落分析
    2023-01-06 來源:養護與管理 作者:王坤

      摘要:為了進一步揭示托換加固對路基沉降病害的處治效果,本文選擇了特殊斷面,布設了路基沉降標和軟基水平位移測斜管,評價各類托換后加固的效果,結果表明,高壓旋噴樁加固后軟土地基沉降歷時演化特征相對加固前明顯改善,托換加固后路基沉降控沉效果良好,且力學機制明確,側向輻射注漿后加固軟土地基,目前未得到有效路基沉降有效監測數據,但傾斜設置的施工和易性顯著提高,但傾斜設置注漿結石增強體的減沉受力機制,有待進一步闡明,小導管注漿加固路基填土,用于路基淺層土工結構(路面承載層)性能改善機理明確,或可解決“夏凸冬凹”等淺層路基病害。

      針對服役期路基持續沉降嚴重,路面病害多發路段,開展了既有高速公路軟基托換加固先導試驗段實踐與研究。主要包括:選擇沿海高速連云港段K853+990~K854+020連鹽方向,開展了既有高速公路軟土地基高壓旋噴樁托換加固工程實踐;同期,在K865+044~K865+104和K865+220~K865+280路段,采用側向輻射注漿后加固軟土地基工程實踐。2017年,選擇連云港段連通方向K871+835~K872+160路段,大豐段通連方向K1035+513~K1036+033長520m路段,進行了路基土工結構小導管注漿法加固。

      本文選擇了以下斷面,布設了路基沉降標和軟基水平位移測斜管,評價各類托換后加固的效果,詳見表1。

      一、高壓旋噴樁加固路段效果分析

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      沿海高速公路K853+990~K854+020路段連鹽方向,路基填土高度約3.0m。施工圖勘察資料揭示,該路段軟土厚約11m,埋深2.8m。軟土局部為淤泥,孔隙比達e=2.087,最大含水量w=82.1%,流塑狀態。軟土不排水剪切強度cu=2.2kPa,不排水內摩擦角ju=2.7°,強度極低;軟土壓縮系數a1-2=1.33MPa-1,超高壓縮性??傮w而言,該段落軟土層埋藏淺、厚度大、工程性質極差。該路段2006年建成通車后,路基沉降監測數據揭示,每年新增沉降量達到5~6cm,沉降長期持續發展,且不收斂?;谲囕v高速行駛安全,該路段2009年加鋪約4.85cm,2010年加鋪約5.5cm,2011年加鋪7.0cm,2012年加鋪6.0cm,連續四年累計加鋪約23.37cm。路基高度相對較低、軟土地基工程性狀極差,導致罩面加鋪小荷載作用時的路基附加沉陷響應十分敏感。

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      根據該路段的病害性狀,尤其是前期加鋪罩面常規維護工作效果并不理想, 2013年,采取高壓旋噴樁對該路段進行了托換加固。高壓旋噴樁直徑600mm,樁間距1.8m,正方形布置,注漿深度16m。高壓旋噴樁處理完畢后,立即用無砂水泥密封,封口深度為2.9m。加固方案布置的剖面圖、平面圖見圖1和圖2所示。

      高壓旋噴樁注漿材料采用強度為32.5的普通硅酸鹽水泥、摻灰量250kg/m,水灰比為1:1;注漿采用高壓旋噴樁雙重管注漿工藝。采用76型旋轉鉆機,插管與鉆孔兩道工序合二為一,鉆孔完畢,插管作業即完成。

     ?。ㄈ┏两涤^測數據的分析

      沿海高速連云港段K853+990~K854+020路段方向,軟土地基加固后的路面沉降標布置和近3期沉降數據,見表2。

      可以看出,控沉目標路段高壓旋噴樁托換加固后,2013年至今的累計沉降量小于15mm,路基沉降相對加固前得到有效的控制。其中,典型路面沉降標沉降歷時演化特征,連通加固路段的路基沉降雖有波動,但相對加固前的年沉降量約50mm~60mm,歷時發展演化特征明顯改善,參見圖3和圖4。

      2018年對加固路段路基二期沉降監測中,增設了路基沉降標。2020年3月到10月間,路基沉降累計沉降僅約2mm,沉降小,數據穩定。相對加固前沉降歷時特征,軟土地基托換加固效果明顯,參見表3、圖5和圖6。

      二、側向輻射注漿加固路段效果分析

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      沿海高速公路K865+044~K865+104路段和K865+220~K865+280路段(連通方向)路基填土高度約3.0m。該段分布有較厚的軟土,主要為淤泥和淤泥質亞黏土層。該路段處淤泥層厚約9.1m,埋深1.9m。淤泥層軟土最小天然重度g=14.8kN/m3,最大孔隙比e=2.028,最大含水量w=80%,流塑狀態;不排水強度cu=3.6kPa,不排水內摩擦角ju=1.7°,強度極低;軟土壓縮系數a1-2=1.23MPa-1,超高壓縮性??傮w而言,該段落軟土層埋藏淺、厚度大、工程性質極差。該路段2009年加鋪約5.0cm,2010年加鋪約6.5cm,2011年未處理,2012年再加鋪約6cm,四年累計加鋪厚度約17.5cm。同樣,路基高度相對較低、軟土地基工程性狀極差,導致罩面加鋪小荷載作用時的路基附加沉陷響應十分敏感。

     ?。ǘ﹤认蜉椛渥{加固方案

      根據上述路段的填土高度、沉降狀況和路面加鋪情況,管理單位采用側向輻射注漿加固方案對其進行了托換加固。該方法避免了集中結構性養護開窗期需要交通管制的交互影響,該托換加固技術施工的交通組織和易性相對更好。

      本路段注漿加固,采用一孔多角度袖閥管輻射注漿加固路基土體,選擇兩個路段處理長度共120m,傾斜引孔直徑110mm,注漿土層加固厚度約10m,設計漿液擴散半徑在0.5m。注漿孔沿著路的方向間距 1.0 m,橫向間距 0.9 m,布置 9 個注漿孔,總計路基共布置注漿孔 2160 個,參見圖7。

      工程實踐中,袖閥管用Φ50PVC管,花管規格為間隔35mm穿8-10個5 mm注漿孔。引孔設置袖閥管后,將注漿器沿袖閥管下移至需要注漿孔段深度,將注漿壓力管與袖閥管內注漿器進行連接;啟動注漿泵,高水灰比稀漿開環(孔),注漿壓力逐步提高,直到沖開橡膠袖閥及所對應位置套殼;開環成功壓力回落后,泵送水泥漿液,一直注漿到設計所規定壓力,并注漿量基本穩定為止。注漿過程中,可視加固需要或設計規定,進行間歇分級多次注漿,直到符合設計要求為止。注漿結束后,管口附近洞口四周空隙,采用干硬性水泥漿速硬水泥封口(封口深度為1m)。

      必須指出,側向輻射注漿加固方案盡管和易性良好,袖閥管注漿無需圍封構造,但需要傾斜成孔,不同角度輻射袖閥管設置施工相對復雜,且多次高壓注漿對該段軟土(黏性土)的施工和易性、設置效應及其影響控制,有待完善,參見圖8。同時,傾斜注漿增強體的軟土地基穩定機制尚明確,但軟土層控沉機制有待辨識。側向輻射注漿加固路段,本次新增K865+083~K866+745二期監測段,二期監測設置路面沉降標和路基沉降標。目前,僅采集了基準數據,需結合年度12月份的觀測數據,做進一步分析。

     ?。ㄈ﹤认蜉椛渥{沉降觀測

      三、小導管注漿法加固路段效果分析

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      根據2016年的觀測數據,K871+835~K872+160路段連通方向、K1036+033~K1035+513路段通連方向,連續四年的年沉降速率超過6.0mm。選擇上述路段采用小導管注漿法進行路基加固,參見圖9。

     ?。ǘ┬Ч茏{加固方案

      綜合考慮加固處理過程中對交通流的影響,應選擇養生時間較短的材料;小導管注漿主要加固路基填土,漿液可灌性十分重要。為了確保有效的注漿范圍及注漿后的土基整體性,采用地聚合物化學注漿材料。設計采用多排注漿孔,平面布置為等腰三角形,排距與孔距相等。其中,20m試驗段孔距2.0m,兩側各設置了40m過渡段(20m+20m),分別采用2.5m和3.0m的孔距,參見圖10。

      施工小導管選用無縫鋼管,管徑φ50mm,壁厚2mm,管長3米。鋼管前端做成200mm長圓錐狀,尾端1m范圍不開孔,剩余部分每隔100mm梅花狀布設φ8的溢漿孔。同時尾端50cm長度焊接60mm孔徑套管,參見圖11和圖12。

     ?。ㄈ┏两涤^測數據的分析

      項目組統計了小導管注漿加固路段K1036+033~K1035+513通連方向路基沉降監測數據,并與該里程未加固路段連通方向進行了對比。

      2019年10月、2020年12月兩期觀測數據揭示,K1036+033~K1035+513路段通連方向加固段和連通方向為加固段路基沉降監測數據,參見表5。截止2020年12月,路基沉降歷時演化特征,參見圖13。同里程段,不同方向小導管注漿加固與未加固段,對應路段路基沉降特征無明顯變化。

      K1036+033~K1035+513路段新增路基沉降標后的數據統計,參見6。小導管加固后路基(通連方向)沉降與未加固路基(通連方向)沉降歸一化比值,約0.74~1.22,驗證了上述路面沉降標監測成果。此外,該段新增水平位移數據揭示,最大水平位移增量與路基中點基底沉降 比值約1/4~1/5,軟土地基被動區剪切穩定狀況良好。

      綜上所述,小導管注漿加固路基填土,或可解決“夏凸冬凹”等淺層路基病害,但路基沉降關聯的軟土地基荷載水平與自身變形特征并無改變,無法用于軟土地基沉降與穩定控沉,毋庸置疑。

      結論

      沿海高速服役十余年來,部分路段出現了不同程度的長周期沉降且不收斂,嚴重路段隨經多次常規加鋪罩面養護,養護工作效果不佳,增加了常規管養工作壓力。針對上述問題,管理公司開展了既有高速公路軟基和路基填土加固的研究和實踐。分析上述路段的觀測數據可以得出如下結論:

      (1) 高壓旋噴樁加固后軟土地基沉降歷時演化特征相對加固前明顯改善,托換加固后路基沉降控沉效果良好,且力學機制明確;

      (2) 豎向高壓旋噴樁設置交互影響和環境效應,例如橋頭段高壓注漿排土效應對軟土地基路基穩定、橋梁基樁穩定的影響及其控制措施,有待進一步闡明;

      (3) 側向輻射注漿后加固軟土地基,目前未得到有效路基沉降有效監測數據,但傾斜設置的施工和易性顯著提高,但傾斜設置注漿結石增強體的減沉受力機制,有待進一步闡明;

      小導管注漿加固路基填土,用于路基淺層土工結構(路面承載層)性能改善機理明確,或可解決“夏凸冬凹”等淺層路基病害。

      作者:王坤,江蘇現代路橋有限責任公司



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