季凍區干線公路半剛性基層地聚物注漿補強技術研究

常 利

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

季凍區即季節性凍土區域，約占我國國土面積的53%[1]，區域內氣候條件嚴酷，常表現為冬嚴寒、夏酷暑，區域重載交通干線公路瀝青路面病害頻發，常見形式有荷載型、高低溫型、疲勞型等。國內路面結構在“強基礎、薄面層、穩土基”的設計思想指導下，形成了一套符合國情的以半剛性基層為主體的路面設計體系，具有承載能力強、造價低等特點的半剛性基層在干線公路中得到廣泛應用。季凍區瀝青路面的損壞往往與基層病害有直接關系，尤其是存在先天性隱性微裂縫的半剛性基層[2]，經過一定時間的服役運營，很快發展成為顯性的橫向反射裂縫，并誘發各類層間及路表病害。在交通荷載的長期作用下，橫向反射裂縫及縱向疲勞裂縫不斷發展，路表水沿裂縫滲入并在路面結構層間聚集，在荷載動水壓力作用下，產生由層間松散、脫空等結構病害引起的唧漿、凍脹等表觀病害，并不斷發展擴大，導致路面結構承載能力大幅度降低直至喪失。

基于公路全壽命周期理念，在設計使用壽命周期內，有針對性、有計劃性地對半剛性基層采取養護措施，最大限度地發揮其結構使用價值顯得尤為重要。地聚合物因獨特的類膠凝材料結構，使得它擁有快硬早強、體積穩定性好、材料界面結合力強、抗滲性好、耐久性好等優點，獨特的性能和優良的環保性使其在季凍區干線公路基層病害處治及預防性補強等方向具有廣闊的應用研究前景。基于季凍區干線公路路面病害特征及地聚合物上述獨特性能分析，同時結合工程實際應用效果評價，對地聚物注漿補強技術在季凍區干線公路半剛性基層中的應用進行論述分析。

1 半剛性基層疲勞損傷特性

疲勞損傷是指在循環載荷過程中的損傷累積，由重復荷載作用而引起的結構材料承力性能衰減過程，即疲勞裂紋的產生、發展、擴展為宏觀裂紋、發生破壞的全過程。材料模量的衰減反映了材料力學性能的衰退過程。根據國內眾多學者的研究成果[3-5]，我國半剛性基層材料在服役期模量衰減可分為三個階段：迅速衰減階段、穩定降低階段、破壞階段，各階段模量及損傷特征如圖1所示。

圖1 國內半剛性基層材料模量衰變及損傷規律特征

在氣候和循環荷載作用下的初始階段，由于半剛性基層材料先天缺陷，在早期預裂階段彈性模量迅速衰減，進入有效疲勞期。隨著服役期的增長，在有效模量階段材料性能及彈性模量趨于穩定并有緩慢的衰減，當疲勞累積損傷達到一定程度，處于有效疲勞后期時，對應半剛性基層裂縫位置的瀝青層底成為薄弱區，在行車荷載和溫度應力的作用下，裂縫逐漸擴展到面層，并向上發展直至穿透面層，路面將產生有規則的反射裂縫，路面滯留水沿裂縫滲透到路面結構層中，在滲水、荷載等因素重復作用下，使該處半剛性基層彈性模量迅速降低，造成板體局部松散、失效，加速了路面結構破壞。

2 地聚合物注漿補強技術

2.1 地聚合物

地聚合物是一種新型的堿激活地聚物膠凝材料，硅鋁質原材料活性無序空間層狀玻璃體結構在Na2SiO4.nH2O等堿性反應介質環境下，發生下式的聚合反應，形成具有致密空間網絡體系結構的地聚合物凝膠[6-7]，粉煤灰基地聚合物微觀典型SEM掃描電鏡圖如圖2所示。

圖2 粉煤灰基地聚合物斷裂面微觀SEM掃描電鏡圖

2.2 工作機理

路面注漿加固補強技術一般采用壓密注漿方式，將注漿材料通過注漿管壓入補強對象松散、裂縫、層間孔洞等病害內，同時漿液固化取代并排出結構層原有孔隙水及其他自由水，漿液形成類網狀結構漿脈，實現結構病害修復。

滲透、填充、壓密和擴張，這四種地聚合物注漿加固補強機理既互相區分，又同時存在。活性地聚物漿液通過與基層結構界面的滲透膠結、離子交換和注漿時的壓密、填充作用把原來松散的半剛性材料或裂隙膠結成一個整體，同時，部分惰性硅鋁氧化物被激活，地聚合物漿液和半剛性基層結構及土體中的礦物活性組分發生新的縮聚反應，生成化學穩定性好、材料強度大、結構承載力高的立體網狀固結體[8]，上述作用起到補強加固和預防病害進一步發生的功效，從而提高結構承載力，延長使用壽命。

2.3 漿體流動度

基層注漿加固補強主要依靠漿液的滲透、填充作用，因此地聚合物注漿液需要具有較好的流動度和滲透性，同時在壓力下具有較好的保水性能及體積穩定性。漿體流動度試驗可參照T 0508-2005水泥漿體流動度試驗方法(倒錐法)[9]，文獻[10]研究表明，注漿施工效果與漿體的流動度尤為關鍵，當注漿材料的流動度大于12s時，漿液的擴散和滲透性能較低，效果很差，漿液的流動度在10s左右時，方可實現較佳的淺層注漿效果；上海市市政工程管理局專業標準《公路路基與基層地聚合物注漿加固技術規程》(SZ-G-B04—2007)規定路面基層加固用地聚合物注漿材料流動度應≤20s，路基加固用流動度應≤17s；河南省地方標準《道路非開挖式地聚合物注漿加固處治技術規范》(DB 41/T 1165—2015)規定適用于交通量一般、重載比例不大的國省道公路的普通型及適用于高速公路、交通量大或重載交通的快凝早強型地聚合物注漿材料流動度均應不大于20s。

2.4 注漿孔位布設

注漿孔的孔位布設及加固層位應根據補強路段實際情況確定，主要影響因素有原路病害情況、路面強度等級、半剛性基層筑路材料情況及注漿材料在相應筑路材料中的有效作用半徑等。半剛性基層補強注漿孔主要有四種布設方式：滿堂布設、梅花樁型布設、條帶式布設和圍點式布設，具體布設形式及特征如圖3所示。一般情況下注漿孔徑采用50mm，孔距宜為1.0～2.5m。

圖3 注漿孔位布設圖

3 效果分析

當前，影響半剛性基層注漿補強技術推廣的主要難題之一是注漿補強評價體系不健全，注漿效果評價方法具有一定的局限性，難以反映真實的注漿效果。常規無損檢測評價方法有兩種，一種是探地雷達法，另一種是路面彎沉值法(FWD、貝克曼梁等)。一般評價原則為注漿加固后雷達圖譜中拱形突變大量消失或介電常數提高(雷達法)，彎沉值也有了較為顯著的下降(彎沉值法)時，說明注漿效果顯著。文獻[11]采用FWD 落錘彎沉儀對注漿前后裂縫位置附近進行彎沉值檢測，檢測方式為裂縫處1點及沿行車方向裂縫前后距裂縫0.5m各1點，基層在注漿后，對應注漿裂縫位置處的彎沉值總體呈現明顯降低趨勢，彎沉極大值平均下降幅度為33.3%，同時注漿后彎沉值離散程度減小；文獻[11]采用3D矩陣探地雷達方式，對比注漿前后裂縫附近位置處介電常數計算結果顯示注漿后基層的介電常數較注漿前總體上呈增大的趨勢，說明注漿材料的填充、壓密等作用提高了裂縫附近半剛性基層的密實程度，同時提出,當原路面基層介電常數在6.5以下時，注漿效果較好，當原介電常數在5 及以下時，注漿效果較為明顯。

選取某國省干線公路為半剛性基層地聚物注漿補強試驗路，試驗路原路面結構為：瀝青面層(4cmAC-20+6cmAC-25)+基(底基)層(雙20cm水泥穩定碎石)，于2012年建成通車，交通量荷載等級為中，該路段行車道路面典型病害為龜裂，同時伴隨局部重度縱裂、唧漿等。通過對比分析注漿補強前后彎沉值法(FWD)、雷達法檢測結果進行基層加固補強效果分析。

3.1 路面彎沉

上海市市政工程管理局專業標準《公路路基與基層地聚合物注漿加固技術規程》(SZ-G-B04—2007)認為如注漿加固后實測的路面彎沉小于按預測交通量計算得到的路面設計彎沉，則說明注漿效果良好，反之，需采取其他更為有效的加固措施。河南省地方標準《道路非開挖式地聚合物注漿加固處治技術規范》(DB 41/T 1165—2015)要求采用落錘式彎沉儀對注漿處理位置及鄰近無病害位置進行彎沉測試，地聚合物注漿后，路表彎沉值達到同路段無病害處路面彎沉值的1.2倍以內，說明注漿效果較好。選取試驗路SK1+000～SK1+500段行車道右輪跡帶注漿前后相同點位彎沉值(FWD)比對如表1所示，可以看出注漿前路面彎沉平均值為48.3(0.01mm)，注漿后彎沉平均值為40.5(0.01mm)，該路段對應車道整體路面強度有一定提升。

表1 地聚物注漿補強前后彎沉數據統計

3.2 探地雷達

探地雷達法是利用從路表向地下發射的電磁波在地下不同介質特性的界面上變化，從而根據接收的反射波信號的不同形狀、頻率再加上時間特性等參數，解譯出地下介質深度、結構和性質。采用SIR-30E型多通道探地雷達對半剛性基層地聚物注漿加固前后進行掃描，計算得到各單元間隔介電常數值，并計算20m單元基層介電常數平均值，由圖4可以看出，試驗路注漿后對應區位半剛性基層介電常數較注漿前有一定程度的增長，說明注漿后路面基層結構整體性相對提高，路面基層結構孔隙率下降，密實度提升。但檢測數據仍然有一定的離散性，主要原因分析為注漿前后基層含水率相對變化以及檢測位置不能完全還原注漿前位置，致使探地雷達檢測方式目前仍存在一定的誤診率。

圖4 地聚物注漿加固基層區位介電常數變化

4 結論

(1)基于公路全壽命周期理念，在半剛性基層有效疲勞后期(即使用階段后期)甚至前期，采用非開挖式的淺層注漿加固補強技術，從半剛性基層的病害根源出發，來直接治理基層病害，改善基層現有的工作狀況，能夠實現快速修復及預防性養護的效果。

(2)地聚合物材料具有凝固時間可調整空間大、可設計性強的優點，同時具有較好的體積穩定性和水穩定性及凝固過程受環境影響小等特點，適用于季凍區半剛性基層病害處治及補強。

(3)路面彎沉、探地雷達兩種檢測手段均能應用于基層注漿補強效果評價，但同時又都有一定的局限性，注漿補強前后檢測評價應采用不同檢測手段相結合的方式，先采用路面彎沉值法對被檢測路段進行初測，后針對典型路段采用探地雷達法進行復合檢測評價，并對比注漿前后的路面彎沉、雷達數據及圖譜，綜合對注漿補強效果進行效果評價。