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^[1]研究了黄土地区路基沉降的原因, 提出路基病害的整治措施。赵静^[2]分析了不同高度下的黄土路堤工后沉降, 得出一些有益结论。王沛^[3]提出采用注浆技术整治既有铁路路堤下沉病害具有加固效果好、施工过程可控性强、对行车干扰小的优点。涂英辉等^[4]通过现场试验和理论分析对注浆加固既有铁路路基的效果进行分析, 验证路基注浆的有效性和可行性, 且不影响行车。李磊^[5]提出地基劈裂灌浆和灰土挡水墙两者联合加固地基解决湿陷性黄土路基的不均匀沉降问题。王起才等^[6]提出劈裂注浆中起主要作用的是填充效应、挤压效应、骨架效应。张万涛等^[7]提出将斜打旋喷桩技术应用在既有路基下沉病害整治中, 通过瞬态瑞雷波法进行整治效果的快速检测与评价。狄宏规等^[8]提出斜向高压旋喷桩能显著提高路基的强度、刚度、承载力及路基45°扩散线以内土体的密实度, 是一种快速有效的既有线路基加固技术;同时, 采用轻型动力触探N10试验、地基系数K30试验和弹性波探测等对路基强度条件进行评估^[9]。陈哲光^[10]利用灰土桩加固路基的过程中, 通过改变倾斜角、桩径、桩长、纵向排距, 对斜向灰土桩复合路基进行影响因素的敏感性分析。宋绪国等^[11]从斜向水泥土桩加固机理出发, 提出确定斜向水泥土桩纵向间距及竖向排距的计算方法。王应铭等^[12]采用水泥土挤密桩、长短桩及埋入式连续桩板结构成功对地基进行了处理, 取得一定成果。罗强等^[13]基于桩土分离的建模原则, 提出地基加固区的桩土荷载分担效应显著。于清高等^[14]通过现场试验和数值模拟验证了IDITI法抑制湿度增长, 利用天然土承载力处理湿陷性黄土地基的可行性。陶祥林等^[15]基于改进的神经网络BP算法, 避免人为因素干扰, 预测沉降量误差小, 为以后的治理提供基础依据。上述学者提出的治理路基病害的方法大部分还是传统的加固措施, 存在许多缺点, 容易对路基稳定性造成影响, 如旋喷机在路基加固上应用较广泛, 但容易污染道砟, 而且易受路基高度和角度的影响。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。