膨脹土區(qū)域涵洞軟弱基礎(chǔ)處理方法探討

黃捷勝

【摘要】在隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和公路建設(shè)的不斷擴(kuò)展過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生一些必須通過膨脹土區(qū)域的建設(shè)。膨脹土作為鐵路建設(shè)中一種不良的特殊土質(zhì)，是阻礙鐵路建設(shè)發(fā)展的重要影響因素和工程問題，若膨脹土處理不好會(huì)極大的影響和破壞路基和鐵路的使用效果。本文主要分析鐵路建設(shè)中的膨脹土的處理方法。

【關(guān)鍵詞】鐵路建設(shè)膨脹土處理方法

膨脹土是一種具有裂隙性、脹縮性和超固結(jié)性的高塑性粘土，具有失水收縮開裂，吸水膨脹軟化，強(qiáng)度可大幅度變化等特征，其礦物成分以蒙脫石、高嶺土和伊利石為主。本文根據(jù)某新建鐵路第20標(biāo)段膨脹土區(qū)域涵洞施工的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)膨脹土區(qū)域涵洞軟弱基礎(chǔ)加固處理方法做一些初步探討。

1.工程概況

某新建鐵路第20標(biāo)段DK323+600～DK325+400段屬低山剝蝕地貌，線路行走于阿蓬江左岸的山坡上，沿線縱向地表起伏較大。上覆殘積粘土，下伏基巖為侏羅系中、下統(tǒng)馬鞍山組泥巖夾砂巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，易風(fēng)化。巖層產(chǎn)狀為N45°E/25°NW（24°），與線路夾角約10°左右。另外，本段位于濯水鎮(zhèn)向斜區(qū)，巖層斜角自坡腳向上逐漸變陡。本段設(shè)計(jì)有8座涵洞，全部處在沖擊形成的溝槽位置，為陡坡涵洞。地表一般為淤泥質(zhì)粘土，覆層下為粘土夾雜塊石，土質(zhì)比較差。軟弱土層的厚度普遍在3米以上，最深達(dá)到15米左右。

2. 工程實(shí)例

2.1DK324+376.5 1-1.5M 鋼筋混凝土蓋板涵

原設(shè)計(jì)資料涵洞所在位置表層軟塑性粘土δ0=010MPa，厚度為1～3米不等，覆層下為硬塑性粘土δ0=0.15MPa。涵洞基底置于換填砂夾卵石層上，換填平均厚度50CM，要求換填層基底承載力不小于0.13MPa，即將表層軟塑粘土挖除，在硬塑性粘土上進(jìn)行換填。

2.2DK324+7171-3.0 M 鋼筋混凝土蓋板涵

該涵與DK324+376.5 涵洞情況基本類似，并且同時(shí)開工。涵洞基礎(chǔ)開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)涵洞所在位置表層淤泥厚度在0.5～3.0米之間，且呈左薄右厚的傾斜狀。出口端12米基礎(chǔ)承載力不足，進(jìn)行分層換填并夯實(shí)處理，換填層基底承載力達(dá)到0.18MPA，2002年3月初涵洞施工完畢開始兩側(cè)路基填筑。

2.3DK324+2311-3.0 M 鋼筋混凝土蓋板涵

DK324+231涵洞原設(shè)計(jì)所在位置表層軟塑性粘土δ0=0.10MPa，厚度2～8米不等，覆蓋層下硬塑性粘土δ0=0.15MPa。因?yàn)镈K324+180～+270填方基底水田在雨季發(fā)生蠕變，需要進(jìn)行加固處理，線路右側(cè)設(shè)計(jì)有10根側(cè)向約束樁。涵洞基底置于換填砂夾卵石層上，換填厚度1～6米不等，進(jìn)口端換填深，出口端淺，要求換填層基底承載力不小于0.15MPa。即將表層軟塑粘土挖除，在硬塑性粘土上進(jìn)行換填然后施工涵洞。

2.4DK323+710 1-1.5M鋼筋混凝土蓋板涵

該涵洞右側(cè)路基設(shè)計(jì)有12根側(cè)向約束樁，本段軟弱土層厚度最深達(dá)到10米左右，涵洞開始施工，基礎(chǔ)開挖到位后發(fā)現(xiàn)基坑周圍邊坡滑塌，基底變形隆起。后來基礎(chǔ)采用碎石樁進(jìn)行加固處理，碎石樁頂鋪設(shè)50公分厚的碎石墊層，涵身變更為拼裝式鋼筋混凝土矩形涵，基坑四周采用鋼軌樁進(jìn)行防護(hù)。

本段其余的3座涵洞因?yàn)榈刭|(zhì)條件惡劣，線路改為橋梁通過，涵洞部分修建后報(bào)廢。

3. 病害原因分析

導(dǎo)致上述涵洞出現(xiàn)各種問題主要有幾方面的原因：

3.1設(shè)計(jì)和施工規(guī)范無明確處理措施及要求

我國(guó)現(xiàn)行的鐵路設(shè)計(jì)和施工規(guī)范對(duì)常年凍土、濕陷性黃土等不良地質(zhì)條件下橋涵基礎(chǔ)的處理有明確的規(guī)定和要求，但對(duì)膨脹土地區(qū)橋涵的基礎(chǔ)處理措施和方法目前還沒有定性的結(jié)論。膨脹土區(qū)域涵洞基礎(chǔ)處理套用一般地區(qū)的規(guī)定和參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，不能針對(duì)具體問題采取合適的處理措施和方案。雖然在施工中補(bǔ)勘查明涵洞基礎(chǔ)為膨脹土，但在具體施工方案的選擇上持續(xù)論證了很長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)于各種方案的優(yōu)劣利弊還需要進(jìn)一步的研究和探討。

3.2地質(zhì)勘探不準(zhǔn)確

勘測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)未檢測(cè)出將該段屬于膨脹土區(qū)域，涵洞滑移報(bào)廢后補(bǔ)勘查明：該段粘土中含有蒙脫石和高嶺石成分，蒙脫石含量最高達(dá)到27.66%，陽離子交換量（CEC（NH+4♂）mmol/100g土）最高27.88%，為弱～中膨脹性土。

3.3對(duì)膨脹土強(qiáng)度的變化規(guī)律認(rèn)識(shí)不足

膨脹土因?yàn)楹康牟町悓?dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)變化非常大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地基承載力情況往往還不是最惡劣的。旱季地表土含水量降低，土體一般為硬塑狀，承載力甚至可以達(dá)到0.18MPa以上，人工用鐵鍬、洋鎬等工具開挖都比較困難；在雨季連續(xù)降雨的情況下，地表土含水量增加，強(qiáng)度急劇下降，土體呈軟塑或流塑狀，地表土普遍發(fā)生滑動(dòng)蠕變。

4.膨脹土區(qū)域涵洞基礎(chǔ)處理注意事項(xiàng)

4.1膨脹土區(qū)域應(yīng)避免采用換填方法處理涵洞基礎(chǔ)

在一般粘土地區(qū)設(shè)計(jì)和施工涵洞，遇到基底承載力不足的情況，傳統(tǒng)方法一般考慮對(duì)基底進(jìn)行換填處理，但在膨脹土地區(qū)套用換填方案加固基底卻會(huì)在基礎(chǔ)留下致命隱患。因?yàn)楹椿A(chǔ)流水面標(biāo)高（排洪、灌溉類涵洞）一般比原地表底，換填的碎石或砂夾卵石層在涵洞基礎(chǔ)以下，雨季地下水位上漲，地表水下滲，致使換填層形成水囊，浸泡基底，基底承載力迅速衰減，在換填層底部形成滑動(dòng)面，從而使涵洞整體失穩(wěn)，或者產(chǎn)生沉降，或者整體滑移。尤其是在高填方地段最為危險(xiǎn)，因?yàn)樘钔翂毫Φ挠绊懸约傲熊囆旭偖a(chǎn)生的荷載，涵洞在巨大的壓力下一旦產(chǎn)生滑移或沉降，撕裂涵身或涵洞下滑偏移，處理難度和造成的損失都將非常巨大。

對(duì)于軟基深度不大的地方（不大于3米），開挖后可以把基礎(chǔ)加深，采用漿砌片石等辦法直接把涵洞基礎(chǔ)落在硬基上。

若軟基很深，土體中塊石和大孤石含量較少時(shí)，可以采用粉噴樁或旋噴樁等進(jìn)行基底加固處理，但不宜使用碎石樁。

對(duì)于軟基很深，且大量夾雜塊石和大孤石的地段，基礎(chǔ)處理有很大難度，本段采用樁基承臺(tái)造價(jià)高昂，目前還沒有比較經(jīng)濟(jì)穩(wěn)妥的辦法。

4.2膨脹土和軟基并存的地段，涵洞的基礎(chǔ)處理與路基抗滑措施應(yīng)該一同考慮。

因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造和地形的原因，膨脹土區(qū)域涵洞一般都處在軟基地段。軟基在雨季時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生蠕變，路基必須采取加固和防滑處理。在邊坡下游加設(shè)擋土墻或側(cè)向約束樁是比較常用的辦法。如果路基沒有針對(duì)的處理措施，單純處理涵洞基礎(chǔ)一般難以排除隱患。地表有一定橫坡且基巖傾斜時(shí)，軟土的蠕變不僅可以使涵洞失穩(wěn)，更催動(dòng)填方路基產(chǎn)生滑坡和溜坍，危及線路安全。涵洞不僅要防止基礎(chǔ)沉陷，更要防止整體滑移，涵洞和路基必須同時(shí)加強(qiáng)工程措施，才能保證線路將來的安全。

4.3膨脹土區(qū)域涵洞基礎(chǔ)處理應(yīng)以防水為主。

水是膨脹土區(qū)域工程施工的罪魁禍?zhǔn)?。百姓俗語：“晴天是銅，雨天是膿”，是對(duì)膨脹土的真實(shí)寫照。本段線路在施工進(jìn)場(chǎng)時(shí)正逢雨季，連綿陰雨使得大段區(qū)域泥濘軟弱，車輛根本無法通行，新開的施工便道鋪墊了近3米厚的石頭還在不停的沉陷。涵洞所在位置施工場(chǎng)地和臨時(shí)設(shè)施無法建設(shè)，當(dāng)?shù)匕傩辗Q那些地方為“牛不去”。雨季結(jié)束后情況立即有所改變，結(jié)合排水、節(jié)水設(shè)施的的建設(shè)，地表很快可以通行施工車輛，施工得以迅速展開。

無水的情況下，膨脹土的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)均非常好，膨脹土區(qū)域涵洞基礎(chǔ)施工防水為重中之重。如果涵洞基礎(chǔ)底部有積水或滲水，涵洞的基礎(chǔ)承載力迅速下降，甚至在基底形成一個(gè)滑動(dòng)面，若基底為傾斜達(dá)到一定的角度，涵洞不需加載，在自身的重力作用下就可能整體滑移，喻為船行水上。

涵洞施工排水要考慮臨時(shí)工程與永久工程相結(jié)合，施工過程中應(yīng)采取一切措施避免地表和地下水浸泡基礎(chǔ)，不致涵洞基底承載力下降。比如在涵洞上游和基坑周圍挖截水溝截?cái)嗟乇砗偷叵聺B水，在基坑周圍和基底挖設(shè)盲溝阻斷和引出地下水，雨天用防水布遮蔽基坑等措施。

膨脹土與一般粘土的不同之處在于吸水軟塑裂隙封閉之前是可以透水的，并且本段的粘土夾雜砂巖塊石，本身就有一定的透水性。當(dāng)?shù)赜昙緯r(shí)降雨綿綿，地下水位上升，粘土層充分吸水膨脹，涵洞基礎(chǔ)座落在粘土中，基底難免遭受水的侵蝕而使承載力下降，應(yīng)當(dāng)加設(shè)永久設(shè)施阻隔地下水。

4.4膨脹土區(qū)域涵洞基礎(chǔ)承載力的試驗(yàn)確定應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法，并充分考慮土體含水量的影響。

4.5路基改橋不能完全解決線路病害問題

因?yàn)榕蛎浲羺^(qū)域涵洞基礎(chǔ)處理的難度，或許以為路基改橋可以解決這些難題，這種想法尤其應(yīng)該引起注意，值得慎重探討研究。首先改橋增加了工程的造價(jià)，橋梁的造價(jià)一般來說比路基要高出許多，同時(shí)改橋后大量路基挖方無法利用，造成棄土占地大量增加，環(huán)境和水土保持以及農(nóng)田保護(hù)等費(fèi)用不可低估。其次對(duì)于軟基較深的膨脹土地段，因?yàn)榛鶐r埋置較深，橋梁墩臺(tái)一般需要采用樁基礎(chǔ)。對(duì)于柱樁來說，因?yàn)闃抖饲度牖鶐r，樁身大部分在軟基中。若軟基存在蠕變現(xiàn)象，蠕變軟土中對(duì)樁身擠壓，導(dǎo)致樁身承受彎距和剪力作用，而橋梁的樁體本身不具備抗剪能力。若沒有相應(yīng)的保護(hù)措施，勢(shì)必將剪斷樁體；若是摩擦樁，則在蠕變的推力作用下，樁身包括承臺(tái)一同向下游滑移，危害更大。

4.6膨脹土區(qū)域涵洞施工應(yīng)合理調(diào)整工序

膨脹土區(qū)域施工要點(diǎn)是避開雨季，突擊旱季，這是盡人皆知的道理。但現(xiàn)在隨著機(jī)械化施工程度的不斷提高，各項(xiàng)重大工程的施工進(jìn)度和施工節(jié)奏也在飛速提升，象渝懷鐵路這樣的國(guó)家重點(diǎn)和難點(diǎn)工程，主體工程在兩年內(nèi)基本全部施工完畢。南方氣候多雨，僅靠短暫的旱季施工難以保障全線整體施工進(jìn)度的要求。施工周期的延長(zhǎng)將會(huì)造成人力和機(jī)械設(shè)備的大量閑置和浪費(fèi)，合理安排施工，分解涵洞施工工序，保證雨季和旱季人力和機(jī)械設(shè)備資源的均衡使用尤其必要。

5.結(jié)束語

對(duì)于膨脹土涵洞基礎(chǔ)處理的措施和施工方案，目前還處在不斷地摸索和改進(jìn)階段，對(duì)于類似問題的研究，比如橋梁等其他構(gòu)筑物的基礎(chǔ)處理，也還需要進(jìn)一步的研究。希望在不久的將來，我們能夠?qū)ε蛎浲恋貐^(qū)基礎(chǔ)處理的設(shè)計(jì)和施工有一個(gè)定量和定性的認(rèn)識(shí)，避免類似問題在其他線路出現(xiàn)。

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