某高速公路路基工程水毀病害綜合治理技術(shù)淺析

竇隨兵

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

1 工程概況

1.1 公路概況

某高速公路采用雙向六車道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100km/h，路基寬度33.5m。2010年4月，該項(xiàng)目開工建設(shè)，2012年7月建成通車。

2015年8月1日，罕見暴雨，路基填方左側(cè)邊坡進(jìn)水，右側(cè)邊坡出水，路基發(fā)生流土滲透變形，路面及邊坡出現(xiàn)沉陷、裂縫及塌，發(fā)生路基水毀病害[1]（圖1路基水毀病害）。

圖1 路基水毀病害

1.2 水毀段原路基設(shè)計(jì)情況

路基排水由邊溝、截水溝及排水溝組成；路面排水由路拱自然漫流至攔水帶，經(jīng)邊坡急流槽進(jìn)入排水溝排出。急流槽兩側(cè)采用C20現(xiàn)澆混凝土，M7.5水泥砂漿砌MU30片石；急流槽槽身每隔10m設(shè)伸縮縫一道，縫寬2cm，縫間用瀝青麻筋填塞；急流槽底嵌入10×10cm的堅(jiān)硬小石塊，用以消能和減小流速。

邊坡防護(hù)采用拱型漿砌片石骨架護(hù)坡，骨架、護(hù)坡基礎(chǔ)也采用M7.5水泥砂漿砌MU30片石，拱型護(hù)坡每隔5個(gè)拱設(shè)一道沉降縫，縫寬2cm，縫間用瀝青麻筋填塞深20cm，C20混凝土預(yù)制塊尺寸為（6×18×30）cm。

2 水毀路段勘察

2.1 工程地質(zhì)調(diào)繪

K13+970左側(cè)10m路面明顯沉降，沉降幅度約0.60m。路基以外左側(cè)發(fā)現(xiàn)5處黃土陷穴入水口，右側(cè)發(fā)現(xiàn)4處出水口，共計(jì)9處，進(jìn)、出水口直徑最大2m，最小 0.3m（見圖 2）。

圖2 水毀路段工程地質(zhì)平面圖

自2016年雨季后，K13+288—K13+305段路面右幅行車道有一縱向裂縫，長度約20m，裂縫已被瀝青充填，路面沉降幅度約3～5cm，影響了公路行車的舒適性和安全性。

2.2 物理勘探

物理勘探采用高密度直流電法和地質(zhì)雷達(dá)兩種方法。

高密度直流電法電極距2m，采用對稱四極方式采集數(shù)據(jù)。K13+955右10m段分布有低阻區(qū)，埋深8～15m及以下深度范圍內(nèi)存在低阻異常區(qū)（見圖 3）。

圖3 K13+955右10m測線視電阻率擬斷面圖

地質(zhì)雷達(dá)探測代表性段落K13+910—K13+970段，地質(zhì)雷達(dá)最大有效測深約5m，路面結(jié)構(gòu)層與基層之間存在脫空現(xiàn)象，脫空深度在3～5m（見圖4）。

圖4 K13+910—950段右幅超車道脫空異常

2.3 鉆探

在物探低阻異常范圍內(nèi)，K13+951右12m布設(shè)鉆孔，鉆進(jìn)過程中未發(fā)現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，采取土樣測試，異常深度地層巖性為填土（粉土），含水量為18.9%～20.2%，稍濕-濕，該異常為粉土含水量高引起的。

K13+951斷面，鉆孔2個(gè)，分別在左幅塌陷位置和右幅，斷面處填土高度16.4～22.4m，填土以下為粉土或粉砂。鉆探揭示左右幅（4號孔）13.0m以左側(cè)填土的含水量普遍偏大，含水量大于20%的占樣品數(shù)量的67%；右幅（6號孔）填土的含水量均較小，最大為17%，其余均小于15%。左側(cè)有積水（見圖5）。

圖5 K13+951工程地質(zhì)橫斷面圖

從鉆孔土樣試驗(yàn)資料與斷面圖分析，0～1.4m為路面瀝青混凝土及水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層，路面結(jié)構(gòu)以下地層如下：

a）第四系全新統(tǒng)（Q4me）路基填土 1.4～8.0m 為路基填土（粉土）中密，土質(zhì)不勻，孔隙比0.78，中密，含水量22.4%，濕，飽和度84%，軟塑-流塑狀，標(biāo)貫擊數(shù)2擊。該段路基土層濕軟、具有流變性和觸變性，鉆探進(jìn)尺快，土層中存在導(dǎo)水空隙。

b）第四系中更新統(tǒng)（Q2pl）粉質(zhì)黏土土質(zhì)較均勻，含鈣質(zhì)結(jié)核及菌絲，黏性較弱，手捻可呈條狀。含水量為 17.5%～21.9%，塑性指數(shù) 10.1～15.2，液性指數(shù)0.02～0.50，呈硬塑-可塑狀態(tài)。

通過工程地質(zhì)調(diào)繪、物理勘探、鉆探，查明路基填土3～5m間存在脫空，8～15m填土濕軟，土層中存在導(dǎo)水空隙。

3 水毀類型判別及原因分析

3.1 依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）判別

連續(xù)級配的土，通過計(jì)算：d10=0.004，d60=0.09，d70=0.15，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487—2008）附錄 G不均勻系數(shù)：Cu=d60/d10=0.09/0.004=22.5，由于 Cu＞5，則須求 P，對級配連續(xù)的土，其粗、細(xì)顆粒的區(qū)分粒徑d由式（1）計(jì)算：

式中：細(xì)顆粒含量通過求取P=40%＞35%，為流土。

3.2 依據(jù)水力條件判別

流土臨界水力比降Jcr，除以安全系數(shù)Fs（高速公路路基工程取2.5），得到允許水力比降J允許，與該處土體滲透作用下的實(shí)際水力比降J比較，若J＞J允許，則產(chǎn)生流土。

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土粒的比重；n為土的孔隙率。

通過判別，水毀路段水毀類型為流土。

4 水毀原因分析

由于降雨集中，地表排水系統(tǒng)破壞，雨水滲入到路基內(nèi)部，粉土被帶走，造成路基填料流失，使路基沉陷失穩(wěn)，路面產(chǎn)生破損、裂縫，排水溝及護(hù)面墻毀壞，局部路段的土體脫空，產(chǎn)生水毀事故。形成原因主要如下：

降雨歷時(shí)長、強(qiáng)度大是造成高速公路路基水毀的主要原因。通過向當(dāng)?shù)貧庀缶质占涤曩Y料，2015年7月31日—8月4日，水毀路段區(qū)域累計(jì)降雨量超過了210 mm，最大小時(shí)達(dá)71.7 mm/h。最大小時(shí)雨強(qiáng)超過了百年一遇的強(qiáng)度，洪峰流量超過了高速公路的防洪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，本輪降雨強(qiáng)度大、歷時(shí)長是造成高速公路路基水毀的最主要原因。

沿線居民生產(chǎn)、生活等人為活動導(dǎo)致排水體系的改變是高速公路路基水毀的重要原因。沿線居民由于生產(chǎn)、生活及出行的需要，填溝修路形成了眾多縱橫交錯(cuò)淤地壩，將原有自然排水沖溝通道堵塞，本次降雨強(qiáng)度大，歷時(shí)5 d，鄉(xiāng)村道路等級低，在洪水的猛烈沖擊下，大部分道路被沖斷，淤地壩內(nèi)的積水層層傳遞，形成了潰壩效應(yīng)，大量洪水短時(shí)間內(nèi)迅速積聚到了高速公路的上游，是導(dǎo)致路基發(fā)生水毀的重要原因。

路基填方與原地形結(jié)合部位處理不當(dāng)，受到強(qiáng)降水的影響，雨水滲入路基，使路基填料潮濕軟化，降低了填料的黏聚力，在車輛以及路基本身荷載作用下導(dǎo)致路基沉陷。

由于該處高填路基設(shè)有一道4×2.7 m鋼筋混凝土暗板通道，公路施工過程中，取消了原有設(shè)計(jì)涵洞采用路基寬填的形式，導(dǎo)致排水不暢，也是比較重要的原因。

5 病害綜合治理方案

高速公路左側(cè)沖溝內(nèi)沿溝壁設(shè)置一道截水溝，上游匯水通過截水溝引至邊溝內(nèi)排出。完善排水系統(tǒng)，重新設(shè)置排水溝。

路基外進(jìn)水口、出水口采用灰土分層回填夯實(shí)，灰土質(zhì)量比為1∶10。

左側(cè)路基外沖溝采用普通土分層回填并超出高速公路路面標(biāo)高，其中回填土頂部采用50 cm厚10%灰土分層回填。

路基左幅邊溝底部設(shè)置兩排灰土止水帷幕樁，灰土樁樁徑為80 cm，樁間距70 cm，梅花型布置，樁與樁間相切布置，以隔絕上游積水對路基的滲透。樁長深入原地面2.0 m?；彝翗痘彝临|(zhì)量比為1∶10，并摻3%的水泥，樁體的平均壓實(shí)系數(shù)不小于0.96。

高壓旋噴樁徑為60 cm，樁間距1.5 m，梅花型布置，樁長以深入原地面2.0 m控制。采用單管法，注漿材料為42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1，注漿壓力不低于20 MPa，固結(jié)土強(qiáng)度達(dá)到3 MPa。漿液流量80 L/min，噴嘴孔徑2～3 mm；提升速度0.25 m/min，旋轉(zhuǎn)速度20 rpm。路堤土體普遍較濕軟，且填土間有空隙；另外局部存在滲流通道，因此旋噴樁施工過程中不冒漿，采用不提升注漿管連續(xù)注漿復(fù)噴的辦法，效果較好。

采用兩次注漿的辦法，即旋噴注漿完成后，在原旋噴孔位上，進(jìn)行第二次注漿，漿液配合比選用0.8∶1，消除固結(jié)體頂部與原有路面結(jié)構(gòu)層間空隙。

重新設(shè)置防護(hù)，M7.5水泥砂漿砌MU30片石，拱型護(hù)坡。

6 結(jié)語

高速公路由于降雨集中、沿線居民生產(chǎn)生活等人為活動、路基填方與原地形結(jié)合部位處理不當(dāng)、高填路基取消了原有設(shè)計(jì)涵洞等原因，排水不暢，路基粉土物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致路基發(fā)生流土，路基嚴(yán)重受毀。

通過勘察，提出了疏通路基排水系統(tǒng)+硬化寬填+坡面防護(hù)+旋噴樁+灰土樁，并對坡角基礎(chǔ)防護(hù)的綜合處治方案，該水毀路基為我國今后類似條件下公路路基水毀病害的治理積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。