陜西關(guān)中地區(qū)某高速公路路基綜合加固施工技術(shù)

李 珂 李 娟

(1.西安公路研究院，陜西西安 710065;2.陜西高速公路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，陜西西安 710086)

1 工程概況

某高速公路位于陜西省關(guān)中平原東部，路線所經(jīng)區(qū)域廣泛分布濕陷性黃土、飽和黃土、低洼濕軟地基和鹽漬土等不良地質(zhì)，因而在路基填筑之后局部出現(xiàn)了不同程度的裂縫和沉陷，本文重點(diǎn)分析了該高速K3+510～K3+640段路基沉陷裂縫的綜合加固施工技術(shù)。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘察資料，某高速K3+510～K3+640段為渭河二級(jí)階地構(gòu)造洼地，其黃土層具Ⅱ級(jí)非自重濕陷性，地下水位高程為374.44 m，距原地表有23 m。原地表以下在勘察深度范圍內(nèi)主要由第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土()、下部為中更新殘積古土壤()和沖積粉質(zhì)粘土();路基部分由上向下依次為:①回填灰土，②砂卵石，③碎石土，④夯實(shí)黃土，⑤黃土。在裂縫位置進(jìn)行鉆孔取樣檢測(cè)結(jié)果表明:②砂卵石，③碎石土層呈松散～稍密狀態(tài)，動(dòng)探擊數(shù)小于10擊;②砂卵石中填土含量較大，均勻性差;⑤黃土層呈軟塑狀態(tài)，含水量為25%～25.3%，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示該層黃土具有自重濕陷性。

3 路基沉陷開(kāi)裂成因分析［1］

3.1 路基沉陷

施工過(guò)程中在2010年4月15日發(fā)現(xiàn)路基沿?fù)鯄v向開(kāi)裂長(zhǎng)度100 m，開(kāi)裂位置距擋墻5 m～6 m，裂縫寬度約2 cm，擋墻高度10 m～12 m。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣檢測(cè)、調(diào)查分析該段路基沉陷裂縫的原因較多，主要可以歸納為以下幾點(diǎn):

1)路基擋墻基礎(chǔ)及路基基礎(chǔ)浸水導(dǎo)致基底黃土濕陷，雨后排水不暢導(dǎo)致地基土含水量增大，承載力降低。

2)路基填土高度相對(duì)較大，施工中未按設(shè)計(jì)要求分層壓實(shí)。

3)由于施工周期短，為了趕工期，地基土未加處理或處理不徹底，地基未能固結(jié)沉降到位，另外路基施工中填土含水量過(guò)大，其含水量大于最佳含水量，填土無(wú)法達(dá)到壓實(shí)要求等。

3.2 路基開(kāi)裂

路基開(kāi)裂是最普遍的損壞現(xiàn)象之一，只不過(guò)是裂縫產(chǎn)生的早晚、多少及裂縫的類(lèi)型有所不同。路基裂縫有橫向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)裂、沉降裂縫等。該處路基壓實(shí)度不夠產(chǎn)生的縱向裂縫主要由于地基土和填土不可避免的不均勻性，特別是在有雨水滲入地基的情況下，地基土產(chǎn)生濕陷下沉導(dǎo)致不均勻沉降，加上在施工車(chē)載荷載直接作用下，在輪跡部位產(chǎn)生大的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力，導(dǎo)致開(kāi)裂，路基外側(cè)擋土墻在表觀上并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)變形［2］。

3.3 路基外側(cè)擋土墻變形監(jiān)測(cè)

在路基兩側(cè)擋墻墻頂從大樁號(hào)開(kāi)始布設(shè)了兩排監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間距15 m～20 m，路基右幅點(diǎn)號(hào)為A1～A7，路基左幅點(diǎn)號(hào)為B1～B6，經(jīng)過(guò)兩個(gè)月4次觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 擋土墻沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果表(2012年)

監(jiān)測(cè)結(jié)果中沉降值最大為－2.3 mm(A1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，累計(jì)最大沉降值為－6.1 mm(A4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，通過(guò)沉降觀測(cè)結(jié)果表明該段擋土墻目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 擋土墻水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果表(2012年)

監(jiān)測(cè)結(jié)果中位移值最大為－3.5 mm(A1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，累計(jì)最大位移值為－6.8 mm(A1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，通過(guò)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明該段擋土墻目前穩(wěn)定。

4 路基綜合加固施工技術(shù)

經(jīng)過(guò)調(diào)查、綜合分析，路基并沒(méi)有出現(xiàn)整體變形和位移，擬采用干拌水泥碎石樁加固，對(duì)于填土含水量較大處采用生石灰砂樁加固(見(jiàn)圖1，圖2)，加固樁施工結(jié)束后采用注漿加固，最后銑刨重鋪路面，中面層鋪6 cm厚中粒式瀝青混凝土AC-20，上面層鋪4 cm厚細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13，保證修補(bǔ)后新舊路面銜接平順統(tǒng)一［3］。當(dāng)路基填料下部含水量大于23%及其飽和度大于0.65時(shí)，采用生石灰和中粗砂作為樁體下部填料，干拌水泥碎石作為樁體上部填料。根據(jù)鉆孔取樣資料，設(shè)計(jì)樁徑為15 cm，樁長(zhǎng)為15 m(上部水泥碎石樁長(zhǎng)8.3 m，下部生石灰樁長(zhǎng)6.7 m)?？仔木嗫砂聪率接?jì)算:

其中，L為孔心距，m;d為樁孔直徑，m;m為生石灰樁中生石灰占樁體積的百分比，以小數(shù)計(jì);e為天然土體孔隙比;e1為加固后土體孔隙比。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，樁間距確定為1.15 m，梅花形布置。

圖1 路面裂縫測(cè)量

圖2 路基綜合加固處理

注漿加固采用單管注漿工藝，注漿導(dǎo)孔孔徑為89 mm～150 mm，呈梅花形布置。為了均勻填充路基填料，注漿孔間距取3 m，孔深以深入原狀土0.5 m為準(zhǔn)，深度根據(jù)地形可適當(dāng)調(diào)整。

4.1 加固機(jī)理

4.1.1 置換擠密作用

生石灰樁、干拌混凝土碎石樁均是通過(guò)機(jī)具成孔，利用桿狀尖錘的高壓強(qiáng)動(dòng)能，對(duì)孔內(nèi)填料進(jìn)行沖擊夯擴(kuò)，破壞土體結(jié)構(gòu)，使填料向孔底和孔周強(qiáng)力壓實(shí)、擠密，從而改善土體結(jié)構(gòu)提高路基承載力，成樁后的擠密樁與樁間土形成復(fù)合地基共同承擔(dān)上部荷載，進(jìn)而減少總沉降量。

4.1.2 復(fù)合地基作用

復(fù)合地基是由基體(地基、路基土體)和增強(qiáng)體(樁體)組成，它是兩種剛度(或者模量)不同材料的集合體，因而復(fù)合地基是非均勻和各向異性的，在荷載作用下，基體與增強(qiáng)體共同承擔(dān)荷載壓力。成孔在被填滿(mǎn)壓緊后形成樁體，樁體具有較高的承載能力，這樣使得群樁的面積約占松散土加固面積的20%，以致生石灰樁和干拌水泥碎石樁與原土組成復(fù)合地基、復(fù)合路基，達(dá)到加固的目的，有利于提高地基、路基的整體強(qiáng)度，降低壓縮性。

利用液壓、氣壓將水泥漿注入路基，在砂礫、粘性土等填料路基內(nèi)發(fā)生徑向劈裂，漿液沿裂隙流入土體，并將土體切割成不規(guī)則的塊體，在塊體之間形成互相穿插的膠狀水泥結(jié)石，粘性土又受到充填漿液時(shí)的壓縮，形成一種復(fù)合型巖土，防止或減弱路基再下沉，壓密注漿形成的土能使路面上抬，使路面回升，是用濃漿置換和擠密土體的過(guò)程。通過(guò)注漿形成的水泥樁樁體也可作為半剛性基層的樁基礎(chǔ)，有效地支撐路面結(jié)構(gòu)層，起到雙重作用。

4.1.3 吸水作用

吸水作用是由于生石灰吸水生成的Ca(OH)2中一部分與土中的二氧化碳和氧化鋁產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化物。水化物對(duì)土顆粒產(chǎn)生膠化作用，使土聚體增大，從本質(zhì)上改變了土的結(jié)構(gòu)，提高了土的強(qiáng)度，而土體的強(qiáng)度將隨齡期的增長(zhǎng)而增加。1 kg生石灰的消解要吸收0.32 kg的水，同時(shí)，由于反應(yīng)中放出大量熱量提高了地基的溫度，實(shí)測(cè)樁間土的溫度在50℃以上，使土產(chǎn)生一定的汽化脫水，從而使土中含水量下降、孔隙比減小、土顆?？繑n擠密，其加固機(jī)理包括打樁擠密、吸水膨脹擠密、離子交換、膠凝、升溫加熱作用。

根據(jù)以往在高速路基處理的實(shí)踐中可以體現(xiàn)，生石灰樁對(duì)處理地表水入滲導(dǎo)致路基土含水量增大，承載能力降低等收到較好的效果，形成復(fù)合地基后對(duì)于消除黃土濕陷性也是一種很好的方法［4］。

4.2 材料及配比要求

參照以往路基加固中采用的配合比，定為干拌水泥碎石樁配合比為碎石(1 306 kg)∶砂(761 kg)∶水泥(354 kg)。

生石灰樁回填材料采用生石灰、中粗砂混合料，配合比為生石灰∶中粗砂=8∶2(體積比)。

干拌水泥碎石樁采用等同于C20混凝土標(biāo)號(hào)，水泥料應(yīng)使用32.5R及以上合格產(chǎn)品，碎石的含泥量小于0.5%，壓碎值達(dá)到設(shè)計(jì)及室內(nèi)試驗(yàn)要求，采用粗砂的含泥量小于0.5%，石灰材料應(yīng)選用新鮮的生石灰塊，有效氧化鈣含量不低于70%，含粉量(即消石灰)不宜超過(guò)15%。

采用注漿加固的漿液配合比(每立方米漿液材料用量)為水泥∶粉煤灰∶水 =375 kg∶375 kg∶750 kg，注漿比重1.55 g/cm3～1.60 g/cm3，壓力 0.2 MPa～1.0 MPa［5］。

4.3 施工工藝

1)依據(jù)設(shè)計(jì)樁位布置圖現(xiàn)場(chǎng)放線，確定路基病害處置的樁位及注漿孔位。

2)采用XY-200型巖芯鉆機(jī)成孔，成孔直徑15 cm，成樁直徑可達(dá)20 cm，保證成孔豎直，以免成樁傾斜，同時(shí)施工時(shí)允許偏差應(yīng)符合規(guī)范要求。

3)按照設(shè)計(jì)配合比拌料，每貫入30 cm的拌合料，用重120 kg，落距大于70 cm的夯錘夯擊密實(shí)。

4)施工流程:孔位布置→鉆機(jī)就位→成孔→鉆桿提出→插入注漿管→封孔→注漿→停止注漿封閉注漿管［6］。

4.4 試樁

在正式施工前應(yīng)按照施工工藝進(jìn)行試樁，考察設(shè)備能力、成樁直徑及密實(shí)度，確定最佳的夯擊次數(shù)。根據(jù)以往成功經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合目前的實(shí)際情況要求大于7次為擊實(shí)。同時(shí)規(guī)定擠密后樁間土最小干密度不得小于1.5 t/m，樁間土的平均壓實(shí)系數(shù)為0.90～0.93，樁體的極限承載力達(dá)到 250 kPa～500 kPa。

4.5 排水

由于地處濕陷性黃土地帶，對(duì)路基排水系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)修復(fù)和增補(bǔ)，將匯水實(shí)行早接遠(yuǎn)送的措施，保持路基排水及時(shí)、通暢，并加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)的重點(diǎn)防治。

5 結(jié)語(yǔ)

路基是道路的基礎(chǔ)，更是保證路面質(zhì)量和穩(wěn)定的關(guān)鍵，路基病害的產(chǎn)生與地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)有關(guān)，必須從各個(gè)環(huán)節(jié)注意，采取相應(yīng)的措施提前治理和預(yù)防路基病害的產(chǎn)生，防患于未然［7］。通過(guò)處理后，路基的壓實(shí)度和含水量均達(dá)到規(guī)范要求，增強(qiáng)了原有路基土的擠密強(qiáng)度。相對(duì)于以往采用換填土層法而言，其工程量較小，節(jié)省了造價(jià)成本，受氣候影響小，占用施工場(chǎng)地較小，不會(huì)影響其他工作面的施工。因此，生石灰樁擠密法和干拌水泥碎石樁擠密法在施工過(guò)程中發(fā)揮了較大作用，從監(jiān)測(cè)結(jié)果和目前通車(chē)情況來(lái)看，確保了路基的施工質(zhì)量，是一種行之有效的路基加固方法。

［1］陳國(guó)勇，陳智賢.充填滲透灌漿法在軟弱路基加固處理中的應(yīng)用［J］.探礦工程，2007(5):41-42.

［2］賀茉莉.高速公路路基注漿加固施工技術(shù)［J］.探礦工程，2001(3):75-77.

［3］趙大軍，計(jì)勝利.濱綏鐵路線某段路基加固技術(shù)［J］.探礦工程，2000(1):33-37.

［4］鄭朝陽(yáng).高速公路路面破壞和路基病害的特征及成因分析［J］.民營(yíng)科技，2009(9):23-24.

［5］西安公路研究院.青島至蘭州公路陜西境壺口至雷家角高速公路橋涵臺(tái)背加固設(shè)計(jì)［Z］.2009.

［6］李 啟，張勃蓬.西寶高速公路路基病害處治分析［J］.山西交通科技，2005(3):15-17.

［7］張鳳凌.某公路軟土路基病害分析及整治［J］.巖土工程界，2007(8):29-32.