二定注浆法成孔方式对既有线路基加固效果的影响分析
0 引言
铁路既有线路基病害主要有翻浆冒泥、下沉、挤出变形、滑坡、边坡冲刷等, 其中沉降问题是最广泛的病害类型。路基沉降病害产生原因主要包括2方面:地基承载力不够引发的路基沉降, 路基本体尤其是道床下2~3m的结构层在荷载作用下发生不均匀沉降病害。这些病害严重影响线路的养护和运营安全, 因此在行车条件下实施快速、可靠、全面的既有线路基检测和病害整治工程成为广大铁路工作者关心和亟待解决的问题。
国内外学者和专家对此做了许多研究, 杨有海等
因此, 本文提出一种新型的路基加固方法即“二定注浆”法。“二定”即定位、定量, “二定注浆”具有如下优点: (1) 可针对不同病害问题进行精准定位并采取不同组合方式“对症下药”; (2) 注浆压力、注浆体积及地表变形量可控; (3) 水泥浆无外漏, 污染少, 节省施工成本; (4) 施工速度快, 可操作性强, 对既有线路运营无影响。本文针对“二定注浆”过程中挤密成孔和风钻成孔2种不同的成孔方式对地基的加固效果进行模型试验研究, 结果能为铁路路基病害的治理提供借鉴。
1 试验设计
1.1 试验材料参数
试验选用原状砂质类黄土作为路基, 该黄土为重高压缩性土, 夹杂少量杂填土, 经土工试验测得土体的主要参数如表1所示。
1.2 试验测点布置及测试内容
为了说明“二定注浆”中挤密成孔和风钻成孔2种成孔方式对地基的加固效果, 在路基上设置测试点网格对地表位移进行监测, 网格尺寸为50cm×50cm, 如图1所示。为使测得的地表位移更准确, 试验中开挖深度为20~30cm观测点预埋坑, 然后将50cm钢筋埋入路基, 埋入深度为45cm, 再用水泥砂浆填实固定并用薄层水泥砂浆封顶铺面, 以便观测地表裂缝。
1.3 试验过程
本次试验采用的成孔方式为挤密成孔和风钻成孔, 两者均采用直径130mm钻头, 成孔工艺如下。
1) 风钻成孔成孔直径范围较大, 开挖动力由振动灌入及风力共同作用, 一般适用于直径100~300mm孔开挖。其优点是钻头阻力小, 钻入相同深度时, 所耗时间短、成孔较易且不易塌孔;缺点是粉尘量大, 粉尘量等于成孔体积, 污染严重, 注浆完成后土体加固保证率不可预估。
2) 挤密成孔成孔直径为80~150mm, 其优点是无粉尘, 零污染, 注浆完成后土体加固保证率100%;缺点是钻头阻力大, 开挖动力全部依靠振动灌入, 对钻机损耗严重, 成孔效率低。
依据土体试验参数、现场土体实际密实及压实程度, 本次试验设计完成“二定注浆”桩体16根, 其中风钻成孔桩体10根, 挤密成孔桩体6根。风钻成孔和挤密成孔位置均设定为孔中心距地表的距离为60cm, 注浆袋材质相同, 均为膜-布土工布袋。具体试验参数设定如表2所示。
在试验前, 首先用水准仪对试验场地进行原始地表位移变形测量, 其次对挤密成孔土体加固后的地表位移进行测量, 风钻成孔由于没有进行土体加固, 故地表位移变形量为0, 不进行地表位移测量。最后再进行注浆后的地表位移变形测量, 观测两者间的地表变形差异。
注浆桩体完成后采用轻型动力触探设备分别在距注浆体5, 10cm以及桩顶处进行动力触探效果试验, 得到路基承载力, 以评价成孔方式对路基的加固效果。
2 试验现象与结果分析
2.1 地表位移分析
由图2可看出, 在孔中心地表距 (60cm) 相同的情况下, 2种钻头成孔方式均会对地表产生不同程度的裂缝, 挤密成孔对地表产生裂缝更明显, 说明钻孔位置不能离地表太近, 挤密成孔较风钻成孔距地表应更远一些, 否则极易造成路基本体破坏。
由图3a可看出, 风钻成孔注浆后中心地表位移除1个观测点变形剧烈 (7mm) 外, 其余观测点地表位移变形均在1.5~2.0mm, 地表高程起伏不大。由图3b可看出, 除首端3个观测点由于土体围压不足导致隆起变形 (15~30mm) 较大外, 其余各观测点位移在3~5mm。挤密成孔在注浆完成后的整体地表变形量为风钻成孔注浆后地表变形量的2~2.5倍。由于挤密成孔对周围土体有压实作用, 所以注浆后地表位移变化量微弱。
2.2 成孔方式对路基加固效果分析
加固效果评价手段有轻型动力触探、静力触探、K30试验、荷载试验等。由于轻型动力触探主要用来确定土基的分层贯入次数, 具有设备轻便、操作简单等优点, 在短时间内可迅速完成大量野外地质勘察等工作。因此, 本次试验采用轻型动力触探进行路基初步的承载力测试:锤击数 (N10) 分别为15, 20, 25, 30击, 对应的承载力R分别为100, 140, 180, 220kPa。
本次试验所用轻型动力触探主要技术参数为: (1) 锤重10kg; (2) 锤落距500mm; (3) 最大贯入深度4m; (4) 贯入锥锥度60°; (5) 贯入锥最大直径40mm。试验时, 重锤自由地贯入将锥头和探杆垂直地打入土中, 每打入300mm的锤击数即为实测锤击数 (N10) 。为使测量曲线更精确, 本次试验采用探杆每进入土体10cm进行1次土体锤击数计数。
![图3 风钻成孔与挤密成孔注浆后中心地表位移变化Fig.3 The changes of the central surface displacement after air drilling and compaction pore forming grouting](/User/GetImg.ashx?f=SGJS/10562//SGJS201905021_05800.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVTFPV2k1VVpqT1hGd0ttYmcycWdSOFh5Vnhocz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
图3 风钻成孔与挤密成孔注浆后中心地表位移变化Fig.3 The changes of the central surface displacement after air drilling and compaction pore forming grouting
由图4, 5可看出, 2种成孔方式在注浆完成后都对土体具有不同程度的加固效果。在距管壁5cm时, 风钻成孔的锤击数与原始地基锤击数差值为23, 挤密成孔的锤击数与原始地基锤击数差值为34;在距管壁10cm时, 风钻成孔的锤击数与原始地基锤击数差值为12, 挤密成孔的锤击数与原始地基锤击数差值为15。贯入锥头距管壁由5cm到10cm时, 锤击数差值降低50%, 即加强效果减弱50%。
由以上数据可得到, 在与管壁相同距离情况下, 挤密成孔对土体的加固效果为风钻成孔的2~2.5倍, 且2种成孔方式在注浆后对周围土体的加固均为距孔中心2.5~3.5倍孔半径。挤密成孔方式由于预先对土体进行了加固、降低土体孔隙率、提高土体压实度, 所以在注浆后整个桩体较风钻成孔的桩体更接近圆柱体。
由图6可得出, 在风钻成孔情况下进行“二定注浆”施工工艺, 会产生一个薄弱层, 主要是由浆液未能充满注浆袋引起, 在挤密成孔情况下进行“二定注浆”施工工艺, 由于钻头在成孔过程中已对土体进行加固, 动探锤击数也表现为较原地层锤击数增加的趋势, 即土体表现为加固效果, 但经后续开挖发现, 在挤密成孔条件下, 桩体也存在月牙形空隙, 即也是由浆液未完全充满注浆袋引起。期望在今后的研究工作中进一步探讨, 彻底解决空气未能排除的情况。锥头距管壁的实际距离由现场开挖测量得出, 动探后开挖的桩体如图7所示, 单根桩地表桩孔布置如图8所示。
![图4 风钻成孔与挤密成孔偏桩5cm与原始地基锤击数差值Fig.4 The difference of air drilling and compaction pore forming pile foundation with the original partial5cm hammer number](/User/GetImg.ashx?f=SGJS/10562//SGJS201905021_06200.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVTFPV2k1VVpqT1hGd0ttYmcycWdSOFh5Vnhocz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
图4 风钻成孔与挤密成孔偏桩5cm与原始地基锤击数差值Fig.4 The difference of air drilling and compaction pore forming pile foundation with the original partial5cm hammer number
![图5 风钻成孔与挤密成孔偏桩10cm与原始地基锤击数差值Fig.5 The difference of air drilling and compaction pore forming pile foundation with the original partial 10cm hammer number](/User/GetImg.ashx?f=SGJS/10562//SGJS201905021_06300.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVTFPV2k1VVpqT1hGd0ttYmcycWdSOFh5Vnhocz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
图5 风钻成孔与挤密成孔偏桩10cm与原始地基锤击数差值Fig.5 The difference of air drilling and compaction pore forming pile foundation with the original partial 10cm hammer number
![图6 不同成孔方式下由桩顶正上方动探锤击数示意Fig.6 The number of action hammers on the top of the pile in different ways of hole forming](/User/GetImg.ashx?f=SGJS/10562//SGJS201905021_06400.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVTFPV2k1VVpqT1hGd0ttYmcycWdSOFh5Vnhocz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
图6 不同成孔方式下由桩顶正上方动探锤击数示意Fig.6 The number of action hammers on the top of the pile in different ways of hole forming
3 结语
本文是在二定注浆法的基础上, 主要针对成孔方式的不同, 在地表变形的影响程度及后续的加固效果评价等方面进行研究, 主要结论与建议如下。
1) 通过测量, 无论是采用挤密成孔还是风钻成孔地表位移有较明显的向上隆起, 表明此种方法不仅具有置换土体的作用, 也具有挤密周围土体的效果。
2) 2种成孔方式过程中地表均出现不同程度裂缝, 其中挤密成孔在钻进过程中地表出现的裂缝更明显, 说明钻孔位置不能离地表太近, 挤密成孔较风钻成孔距地表应更远一些, 否则极易造成路基本体的破坏。
3) 挤密成孔方式预先对土体进行加固、降低土体孔隙率、提高土体压实度, 对路基的加固效果为风钻成孔的2~2.5倍。在孔隙率大、压实度低的土体中, 应优先选用挤密成孔方式作为“二定注浆”的预钻注浆孔。
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