常 利

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

季凍區(qū)即季節(jié)性凍土區(qū)域，約占我國(guó)國(guó)土面積的53%[1]，區(qū)域內(nèi)氣候條件嚴(yán)酷，常表現(xiàn)為冬嚴(yán)寒、夏酷暑，區(qū)域重載交通干線公路瀝青路面病害頻發(fā)，常見(jiàn)形式有荷載型、高低溫型、疲勞型等。國(guó)內(nèi)路面結(jié)構(gòu)在“強(qiáng)基礎(chǔ)、薄面層、穩(wěn)土基”的設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，形成了一套符合國(guó)情的以半剛性基層為主體的路面設(shè)計(jì)體系，具有承載能力強(qiáng)、造價(jià)低等特點(diǎn)的半剛性基層在干線公路中得到廣泛應(yīng)用。季凍區(qū)瀝青路面的損壞往往與基層病害有直接關(guān)系，尤其是存在先天性隱性微裂縫的半剛性基層[2]，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的服役運(yùn)營(yíng)，很快發(fā)展成為顯性的橫向反射裂縫，并誘發(fā)各類層間及路表病害。在交通荷載的長(zhǎng)期作用下，橫向反射裂縫及縱向疲勞裂縫不斷發(fā)展，路表水沿裂縫滲入并在路面結(jié)構(gòu)層間聚集，在荷載動(dòng)水壓力作用下，產(chǎn)生由層間松散、脫空等結(jié)構(gòu)病害引起的唧漿、凍脹等表觀病害，并不斷發(fā)展擴(kuò)大，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)使用壽命周期內(nèi)，有針對(duì)性、有計(jì)劃性地對(duì)半剛性基層采取養(yǎng)護(hù)措施，最大限度地發(fā)揮其結(jié)構(gòu)使用價(jià)值顯得尤為重要。地聚合物因獨(dú)特的類膠凝材料結(jié)構(gòu)，使得它擁有快硬早強(qiáng)、體積穩(wěn)定性好、材料界面結(jié)合力強(qiáng)、抗?jié)B性好、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，獨(dú)特的性能和優(yōu)良的環(huán)保性使其在季凍區(qū)干線公路基層病害處治及預(yù)防性補(bǔ)強(qiáng)等方向具有廣闊的應(yīng)用研究前景?；诩緝鰠^(qū)干線公路路面病害特征及地聚合物上述獨(dú)特性能分析，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用效果評(píng)價(jià)，對(duì)地聚物注漿補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在季凍區(qū)干線公路半剛性基層中的應(yīng)用進(jìn)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(huán)載荷過(guò)程中的損傷累積，由重復(fù)荷載作用而引起的結(jié)構(gòu)材料承力性能衰減過(guò)程，即疲勞裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展、擴(kuò)展為宏觀裂紋、發(fā)生破壞的全過(guò)程。材料模量的衰減反映了材料力學(xué)性能的衰退過(guò)程。根據(jù)國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者的研究成果[3-5]，我國(guó)半剛性基層材料在服役期模量衰減可分為三個(gè)階段：迅速衰減階段、穩(wěn)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(guó)內(nèi)半剛性基層材料模量衰變及損傷規(guī)律特征

在氣候和循環(huán)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(yù)裂階段彈性模量迅速衰減，進(jìn)入有效疲勞期。隨著服役期的增長(zhǎng)，在有效模量階段材料性能及彈性模量趨于穩(wěn)定并有緩慢的衰減，當(dāng)疲勞累積損傷達(dá)到一定程度，處于有效疲勞后期時(shí)，對(duì)應(yīng)半剛性基層裂縫位置的瀝青層底成為薄弱區(qū)，在行車荷載和溫度應(yīng)力的作用下，裂縫逐漸擴(kuò)展到面層，并向上發(fā)展直至穿透面層，路面將產(chǎn)生有規(guī)則的反射裂縫，路面滯留水沿裂縫滲透到路面結(jié)構(gòu)層中，在滲水、荷載等因素重復(fù)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(jié)構(gòu)破壞。

2 地聚合物注漿補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

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(zhì)原材料活性無(wú)序空間層狀玻璃體結(jié)構(gòu)在Na2SiO4.nH2O等堿性反應(yīng)介質(zhì)環(huán)境下，發(fā)生下式的聚合反應(yīng)，形成具有致密空間網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)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(jī)理

路面注漿加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)一般采用壓密注漿方式，將注漿材料通過(guò)注漿管壓入補(bǔ)強(qiáng)對(duì)象松散、裂縫、層間孔洞等病害內(nèi)，同時(shí)漿液固化取代并排出結(jié)構(gòu)層原有孔隙水及其他自由水，漿液形成類網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)漿脈，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害修復(fù)。

滲透、填充、壓密和擴(kuò)張，這四種地聚合物注漿加固補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理既互相區(qū)分，又同時(shí)存在?；钚缘鼐畚餄{液通過(guò)與基層結(jié)構(gòu)界面的滲透膠結(jié)、離子交換和注漿時(shí)的壓密、填充作用把原來(lái)松散的半剛性材料或裂隙膠結(jié)成一個(gè)整體，同時(shí)，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(jié)構(gòu)及土體中的礦物活性組分發(fā)生新的縮聚反應(yīng)，生成化學(xué)穩(wěn)定性好、材料強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)承載力高的立體網(wǎng)狀固結(jié)體[8]，上述作用起到補(bǔ)強(qiáng)加固和預(yù)防病害進(jìn)一步發(fā)生的功效，從而提高結(jié)構(gòu)承載力，延長(zhǎng)使用壽命。

2.3 漿體流動(dòng)度

基層注漿加固補(bǔ)強(qiáng)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(dòng)度和滲透性，同時(shí)在壓力下具有較好的保水性能及體積穩(wěn)定性。漿體流動(dòng)度試驗(yàn)可參照T 0508-2005水泥漿體流動(dòng)度試驗(yàn)方法(倒錐法)[9]，文獻(xiàn)[10]研究表明，注漿施工效果與漿體的流動(dòng)度尤為關(guān)鍵，當(dāng)注漿材料的流動(dòng)度大于12s時(shí)，漿液的擴(kuò)散和滲透性能較低，效果很差，漿液的流動(dòng)度在10s左右時(shí)，方可實(shí)現(xiàn)較佳的淺層注漿效果；上海市市政工程管理局專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路路基與基層地聚合物注漿加固技術(shù)規(guī)程》(SZ-G-B04—2007)規(guī)定路面基層加固用地聚合物注漿材料流動(dòng)度應(yīng)≤20s，路基加固用流動(dòng)度應(yīng)≤17s；河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《道路非開(kāi)挖式地聚合物注漿加固處治技術(shù)規(guī)范》(DB 41/T 1165—2015)規(guī)定適用于交通量一般、重載比例不大的國(guó)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(qiáng)型地聚合物注漿材料流動(dòng)度均應(yīng)不大于20s。

2.4 注漿孔位布設(shè)

注漿孔的孔位布設(shè)及加固層位應(yīng)根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)路段實(shí)際情況確定，主要影響因素有原路病害情況、路面強(qiáng)度等級(jí)、半剛性基層筑路材料情況及注漿材料在相應(yīng)筑路材料中的有效作用半徑等。半剛性基層補(bǔ)強(qiáng)注漿孔主要有四種布設(shè)方式：滿堂布設(shè)、梅花樁型布設(shè)、條帶式布設(shè)和圍點(diǎn)式布設(shè)，具體布設(shè)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(shè)圖

3 效果分析

當(dāng)前，影響半剛性基層注漿補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)推廣的主要難題之一是注漿補(bǔ)強(qiáng)評(píng)價(jià)體系不健全，注漿效果評(píng)價(jià)方法具有一定的局限性，難以反映真實(shí)的注漿效果。常規(guī)無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)方法有兩種，一種是探地雷達(dá)法，另一種是路面彎沉值法(FWD、貝克曼梁等)。一般評(píng)價(jià)原則為注漿加固后雷達(dá)圖譜中拱形突變大量消失或介電常數(shù)提高(雷達(dá)法)，彎沉值也有了較為顯著的下降(彎沉值法)時(shí)，說(shuō)明注漿效果顯著。文獻(xiàn)[11]采用FWD 落錘彎沉儀對(duì)注漿前后裂縫位置附近進(jìn)行彎沉值檢測(cè)，檢測(cè)方式為裂縫處1點(diǎn)及沿行車方向裂縫前后距裂縫0.5m各1點(diǎn)，基層在注漿后，對(duì)應(yīng)注漿裂縫位置處的彎沉值總體呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)，彎沉極大值平均下降幅度為33.3%，同時(shí)注漿后彎沉值離散程度減??；文獻(xiàn)[11]采用3D矩陣探地雷達(dá)方式，對(duì)比注漿前后裂縫附近位置處介電常數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示注漿后基層的介電常數(shù)較注漿前總體上呈增大的趨勢(shì)，說(shuō)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(shí)程度，同時(shí)提出,當(dāng)原路面基層介電常數(shù)在6.5以下時(shí)，注漿效果較好，當(dāng)原介電常數(shù)在5 及以下時(shí)，注漿效果較為明顯。

選取某國(guó)省干線公路為半剛性基層地聚物注漿補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)路，試驗(yàn)路原路面結(jié)構(gòu)為：瀝青面層(4cmAC-20+6cmAC-25)+基(底基)層(雙20cm水泥穩(wěn)定碎石)，于2012年建成通車，交通量荷載等級(jí)為中，該路段行車道路面典型病害為龜裂，同時(shí)伴隨局部重度縱裂、唧漿等。通過(guò)對(duì)比分析注漿補(bǔ)強(qiáng)前后彎沉值法(FWD)、雷達(dá)法檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行基層加固補(bǔ)強(qiáng)效果分析。

3.1 路面彎沉

上海市市政工程管理局專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路路基與基層地聚合物注漿加固技術(shù)規(guī)程》(SZ-G-B04—2007)認(rèn)為如注漿加固后實(shí)測(cè)的路面彎沉小于按預(yù)測(cè)交通量計(jì)算得到的路面設(shè)計(jì)彎沉，則說(shuō)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(biāo)準(zhǔn)《道路非開(kāi)挖式地聚合物注漿加固處治技術(shù)規(guī)范》(DB 41/T 1165—2015)要求采用落錘式彎沉儀對(duì)注漿處理位置及鄰近無(wú)病害位置進(jìn)行彎沉測(cè)試，地聚合物注漿后，路表彎沉值達(dá)到同路段無(wú)病害處路面彎沉值的1.2倍以內(nèi)，說(shuō)明注漿效果較好。選取試驗(yàn)路SK1+000～SK1+500段行車道右輪跡帶注漿前后相同點(diǎn)位彎沉值(FWD)比對(duì)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(duì)應(yīng)車道整體路面強(qiáng)度有一定提升。

表1 地聚物注漿補(bǔ)強(qiáng)前后彎沉數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)法是利用從路表向地下發(fā)射的電磁波在地下不同介質(zhì)特性的界面上變化，從而根據(jù)接收的反射波信號(hào)的不同形狀、頻率再加上時(shí)間特性等參數(shù)，解譯出地下介質(zhì)深度、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。采用SIR-30E型多通道探地雷達(dá)對(duì)半剛性基層地聚物注漿加固前后進(jìn)行掃描，計(jì)算得到各單元間隔介電常數(shù)值，并計(jì)算20m單元基層介電常數(shù)平均值，由圖4可以看出，試驗(yàn)路注漿后對(duì)應(yīng)區(qū)位半剛性基層介電常數(shù)較注漿前有一定程度的增長(zhǎng)，說(shuō)明注漿后路面基層結(jié)構(gòu)整體性相對(duì)提高，路面基層結(jié)構(gòu)孔隙率下降，密實(shí)度提升。但檢測(cè)數(shù)據(jù)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(duì)變化以及檢測(cè)位置不能完全還原注漿前位置，致使探地雷達(dá)檢測(cè)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(qū)位介電常數(shù)變化

4 結(jié)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(kāi)挖式的淺層注漿加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，從半剛性基層的病害根源出發(fā)，來(lái)直接治理基層病害，改善基層現(xiàn)有的工作狀況，能夠?qū)崿F(xiàn)快速修復(fù)及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的效果。

(2)地聚合物材料具有凝固時(shí)間可調(diào)整空間大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有較好的體積穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性及凝固過(guò)程受環(huán)境影響小等特點(diǎn)，適用于季凍區(qū)半剛性基層病害處治及補(bǔ)強(qiáng)。

(3)路面彎沉、探地雷達(dá)兩種檢測(cè)手段均能應(yīng)用于基層注漿補(bǔ)強(qiáng)效果評(píng)價(jià)，但同時(shí)又都有一定的局限性，注漿補(bǔ)強(qiáng)前后檢測(cè)評(píng)價(jià)應(yīng)采用不同檢測(cè)手段相結(jié)合的方式，先采用路面彎沉值法對(duì)被檢測(cè)路段進(jìn)行初測(cè)，后針對(duì)典型路段采用探地雷達(dá)法進(jìn)行復(fù)合檢測(cè)評(píng)價(jià)，并對(duì)比注漿前后的路面彎沉、雷達(dá)數(shù)據(jù)及圖譜，綜合對(duì)注漿補(bǔ)強(qiáng)效果進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。