高速公路路基压密注浆加固效果研究

□文/张朝清 刘炤伟

唐津高速公路K61+068～K94+000段已投入使用逾10 a，路面层出现大量开裂、车辙等现象，主要原因是路基填料含水量过高，强度达不到要求，导致出现路面病害。本文采用多种手段和方法的综合试验检测技术来评价分析压密注浆法对唐津高速公路路基的加固效果以及验证压密注浆技术在天津地区旧路基加固中的适用性。

压密注浆机理

压密注浆[1]是用极稠的浆液通过钻孔强行挤向土体。由于弱透水性土体的孔隙是不进浆的，因此不可能产生传统的充填型灌浆，而是在注浆点集中区域形成近似球形的浆泡，通过浆泡挤压邻近的土体，使土体压密并使触探阻力或标准贯入击数增加。

紧靠浆泡处的土体将遭受严重的破坏和剪切并形成塑性变形区，在此区域内土体密度可能因扰动而减小；离浆泡较远的土体则基本上仅发生弹性变形，因而土的密度有明显增加。观测发现，紧靠浆泡处的土密度并不增加，但离浆泡0.3～1.8 m处有挤密作用，在此范围内，距浆泡愈远，则挤密愈少。若土体为非饱和土，则挤密效果更加明显。

此外，压密注浆中的浆液总是挤向不均地基中的薄弱土区，从而使土体的变形性质均一化，形成一种新结构、高强度、化学稳定性良好的“人造石”。

土工试验法研究压密注浆效果

为验证压密注浆效果，在唐津高速公路选取了10处注浆场地进行钻探及原位测试。具体工作为在注浆加固范围内布置钻探孔2孔，原位测试孔1孔。注浆孔间距2 m，钻孔布置于距离注浆孔0.5 m及两注浆孔中间处。同时在注浆区外侧沿道路方向距离25 m处另布置钻探孔1孔，原位测试孔1孔。通过对这两部分试验及原位数据的对比，验证压密注浆对路基填土物理力学性质的影响。

钻孔深度为5 m，穿过上部路面结构层和下部路基土。路面结构层由沥青路面、水稳层及灰土层组成，厚度为0.90～1.65 m。路基土为素填土层，主要由灰褐色粘土层组成，基本为可塑—硬塑状态，中—高压缩性，钻孔未穿透该层。

对于所取土样进行常规物理性试验、压缩试验、回弹模量试验以及剪切试验等。根据对试验数据的初步分析，选取孔隙比e、液性指数I L、压缩模量Es、回弹模量Ee对压密注浆效果进行对比研究。表1和表2列出了试验段1的对比结果。

表1 试验段1数据对比

表2 试验段1回弹模量试验数据对比

通过表1和表2分析可知，注浆前加固范围内路基土多处于可塑状态，中偏高压缩性，孔隙比较大，作为路基土其工程性质较差。注浆后，在注浆压密孔范围内，各试验段注浆压密后路基土的孔隙比平均减小10%～15%，液性指数减小约50%左右；压缩模量平均增加约40%，各级不同压力下加固区土的回弹模量增加趋势显著，但增加幅度变异较大，由20%～190%不等，这是由于土工试验数据受取样扰动、试验过程扰动等人为因素的影响，使其数据离散性较大。

压密注浆使土中孔隙体积降低，即土体被压密；而液性指数降低，压缩模量以及回弹模量升高，这充分证明了压密后土体强度增强。这些均是对压密注浆机理的验证与说明，同时也说明了本次压密注浆处理津唐高速公路路基取得了预期的效果。

原位测试方法研究压密注浆效果

进行现场标准贯入试验和轻型动力触探试验，以检验压密注浆加固前后地基土强度的变化情况。为检验压密效果，在加固区与非加固区各布置原位测试孔一个，试验段1～3采用标准贯入试验法验证，试验段4～10采用轻型圆锥动力触探法验证。

通过对原位试验数据的整理，以各试验段为单位，绘图对加固区以及非加固区数据进行对比分析，确定地基土强度的变化和压密注浆的效果。见图1和图2。

图1 试验段1原位试验成果

图2 试验段5原位试验成果

试验段～3压密后地基土的标贯击数比相同深度未压密地基土击数平均提高1～2击，这说明本次路基土压密注浆工作取得了一定的效果。但本次标准贯入试验效果不甚明显，这是由于标准贯入试验贯入锤较沉且以粘性土为主的路基填土工程性质较为一般。

试验段4～10压密后地基土的击数比相同深度未压密地基土击数最大提高20击，平均提高6.53击。由轻型圆锥动力触探法可知，经注浆压密后的地基土其强度明显提高，这一结果与土工试验方法验证结果比较一致。从验证的效果来看，轻型圆锥动力触探法要明显好于标准贯入试验法。

物探法验证压密注浆效果

地质雷达探测法

地质雷达发射的电磁波在不同介质的交界面处就会发生发射，即在介电常数发生变化的地方会发生反射，反映到地质雷达剖面图上就会形成图像颜色的变化[2]。

测试路段经过压密注浆处理，0.5 m以上部分电磁波反射强烈，分层反映明显，说明路面沥青层、水泥稳定层、灰土垫层的介电常数差异较大；在1 m深度左右（压密注浆起始位置），电磁波反射比较强烈，有较明显的分层反映；在3 m深度左右（压密注浆终止位置），不太明显且不完全连续的分层反映，这两个深度之间土层是压密注浆处理范围；测试路段未进行压密注浆处理，在0.5 m以上部分电磁波反射强烈，在1 m深度左右也有相对较弱的反射，分层反映不太明显；1～4 m之间土层没有明显变化，基本没有分层反映；这是因为经压密注浆处理后的素填土层与灰土层的物性差异变得更大，即介电常数差异大。同时，处理过的路段土层密实性也比较好。

瑞雷面波测试法

瑞雷面波法主要利用在分层介质中瑞雷面波速度的频散特性及传播速度与介质密度的相关性。在地面通过锤击产生不同频率f的瑞雷面波，得到不同深度范围波速Vr，从而得到频散曲线。由于波速与介质密度之间存在相关性，通过频散曲线，可看出不同深度土层的密实情况[3]。图3为频散曲线。

图3 频散曲线

图3a为经过压密注浆处理，1～3 m主要是经过压密注浆处理的素填土层，最大波速250 m/s，最小波速243 m/s，波速成递减趋势且变化缓慢；图3b为未进行压密注浆处理，1～4 m范围主要是未进行压密注浆处理的素填土，最大波速236 m/s，最小波速208 m/s，波速成递减趋势，变化较快。经过处理段的土层面波波速平均值要比未处理段的土层面波波速平均大，相对密实，有一定的处理效果。

压密注浆微观结构研究

土的微观结构指组成土的基本单元（单粒）或结构单元（集粒）的大小、形状、表面特征、比例关系，各结构单元体和孔隙在空间的排列状况及其结构联结特征等，土的微观结构是决定其工程性质的本质因素。通过研究路基注浆前后土体微观结构类型、微观结构参数的变化，揭示注浆前后土体性质发生变化的内在机理，可以进一步从微观角度验证压密注浆法对提高路基强度的效果[4]。

通过扫描电子显微镜（SEM）试验获取的微观照片见图4。

图4 SEM扫描照片

经过压密注浆后土体基本单元体排列更为紧密，形成一定的胶结联结，呈团粒-絮凝结构，颗粒数目明显增多，而且细小颗粒比例大大增加，孔隙面积减少显著减少且孔隙尺寸较小。有些钻孔经过压密注浆后，生成了水化硅酸钙，构成了土颗粒间和颗粒表面的充填物和包裹物，使得土体孔隙明显减少，土颗粒间排列更为致密，提高了土体强度。未经压密注浆的原状样基本单元体呈絮凝结构的片状，单元体之间架空，排列紧密程度较差，呈边—面、边—边接触形式，接触点数目较少，为接触联结，构成十分松散的骨架，孔隙发育且孔隙尺寸较大，粒状颗粒较少。

通过定量分析压密注浆前后样品结构单元体和孔隙的等效直径发现[5]，压密注浆后颗粒的平均尺寸增大，孔隙的平均尺寸减小。主要由于水泥浆液的胶结作用，小颗粒不断团聚成大颗粒，而由于土体的压密作用，一个大孔隙被压缩成许多小孔隙。注浆后孔隙面积比减少，相应地，颗粒的含量增加，充分说明了注浆后土体的结构变得更为致密。注浆后土体被挤密，其中一部分孔隙被浆液填充，路基强度得到了整体的提高。

压密注浆后土体所表现出来的各种工程地质特性都是其内在成分和微观结构改变所致，通过一系列的微观结构测试，测试结果很好地证明了压密注浆对提高路基强度的良好效果。

路面弯沉试验验证压密注浆效果

国内外普遍采用回弹弯沉值来表示路基路面的承载能力，回弹弯沉值越大，承载能力越小，反之则越大。通常所说的回弹弯沉值是指标准后轴载双轮组轮隙中心处的最大回弹弯沉值。在路表测试的回弹弯沉值可以反映路基、路面的综合承载能力。回弹弯沉值在我国已广泛使用且有很多的经验及研究成果，不仅用于路面结构的设计中，施工控制及施工验收中（竣工验收弯沉值）；同时还用在旧路补强设计中，是公路工程的一个基本参数，所以正确测试具有重要的意义。

为检验本次注浆加固试验对道路路基稳定性及强度的补强效果，对注浆前后路面进行了路面弯沉试验，见图5。

图5 弯沉试验成果

由图5可知，压密注浆以后路面弯沉试验成果明显降低。最大降幅只有48.86 mm，最小降幅8.53 mm。由此可知，压密注浆后的道路承载能力明显提高。

结语

通过压密注浆，道路路基填土孔隙比降低，而强度提高，道路承载能力明显提高。检测试验验证了压密注浆技术在天津地区旧路基加固中的适用性。

[1]《岩土注浆理论与工程实例》协作组.岩土注浆理论与工程实例[M].北京：科学出版社，2001.

[2]罗 斌.探地雷达在路基路面异常体病害探测中的应用[J].公路工程，2007，6（32）：154-156.

[3]张金清，梁 青.软弱夹层瑞雷面波频散曲线特征[J].工程地球物理学报，2005，3（2）：208-215.

[4]施 斌，姜洪涛.粘性土的微观结构分析技术研究[J].岩石力学与工程学报，2001，6（20）：864-870.

[5]张敏江，阎 婧，初红霞.结构性软土微观结构定量化参数的研[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2005，5（21）：455-459.