廣東某高速公路沉陷路段軟基處理技術(shù)

劉山坤，劉紅軍

（五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

隨著“粵港澳大灣區(qū)”、“珠三角”經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的部署和推進(jìn)，廣東省大力建設(shè)高速公路，高速公路將城市之間聯(lián)系的越來(lái)越密切，在城市發(fā)展中起著越來(lái)越重要的作用.高速公路行車(chē)多，速度快，對(duì)路基要求較高，沉降變形需要嚴(yán)格控制.隨著交通量的持續(xù)增加，加上高速公路本身處于含水量較大的軟土路段等不良的自然環(huán)境素，使得高速公路沉降較大，路基路面破壞嚴(yán)重，車(chē)輛行駛中跳車(chē)明顯，不僅影響行車(chē)的舒適性，嚴(yán)重時(shí)易觸發(fā)安全事故，危及生命和財(cái)產(chǎn)安全.軟土地基沉陷向來(lái)都是公路工程的質(zhì)量通病，針對(duì)軟土地基的處理，學(xué)者們做了不少研究，由于軟土廣泛分布于各個(gè)地區(qū)，處理不同的軟土地基往往也因地制宜，采取不同的方法，大致可以總結(jié)為膨脹土的換土墊層、石灰灌漿加固；濕陷性黃土的灰土或素土墊層、重錘夯實(shí)及強(qiáng)夯法和二灰擠密樁；凍土地區(qū)的換填、樁基礎(chǔ)等方法[1].本文針對(duì)高速公路軟基沉陷使用了鋼化管注漿處理技術(shù)，并實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，觀察處理后的軟基沉降變化，分析研究此項(xiàng)技術(shù)的處理效果，提出了具有針對(duì)性的軟基沉陷處理方案.

1 某互通路基段概況

1.1 工程概況及路基病害情況

本文研究對(duì)象為廣東省西部某高速公路，于2016年12月底建成通車(chē)，其中某互通匝道通過(guò)軟弱土層，建設(shè)過(guò)程時(shí)間緊迫，為搶救工期，工程施工過(guò)程中未進(jìn)行該路段的路基堆載預(yù)壓，處于匝道橋頭軟土地段擋墻在工程通車(chē)后開(kāi)裂，擋土墻墻身出現(xiàn)裂縫，發(fā)生不均勻沉降，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，至2017年3月初，路基擋土墻沉降約10 cm，向路基外側(cè)移動(dòng)了約5 cm，具體見(jiàn)圖1.

圖1 某互通C匝道病害（擋墻開(kāi)裂）

1.2 地質(zhì)及原設(shè)計(jì)概況

匝道擋墻路段基底主要為軟土下臥層，軟土平均埋藏深度為23.0 m.根據(jù)斷面的勘察鉆孔資料顯示，地質(zhì)資料如下：原地面表層以下為4.1 m厚的素填土，顏色呈黃褐色，灰褐色，土質(zhì)松散-中密，土體飽和，主要成分為粉質(zhì)黏土，承載力較低.

素填土下為飽和灰黑色淤泥質(zhì)土，層厚7.4 m，標(biāo)貫擊數(shù)為3～4擊，軟塑，成分是粘性土為主，富含腐殖質(zhì)等有機(jī)物，散發(fā)腥臭味，土質(zhì)顆粒級(jí)配均勻，土體干強(qiáng)度及韌性較差.

飽和灰黑色淤泥質(zhì)土下部為粉質(zhì)黏土，層厚達(dá)到1.9 m，標(biāo)貫擊數(shù)為8，其下是5.9 m厚的粘性土（標(biāo)貫擊數(shù)為14～23），以灰黑色、黃褐色和棕黃色為主，軟塑，含少量砂質(zhì)，粘性土下部下臥層為全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，顏色為灰白色，土質(zhì)飽和，土體稍密，成分為石英、長(zhǎng)石，土體分選較好.

此路段地勢(shì)較低，長(zhǎng)期積水形成澡澤地，路基土常年受靜水作用，土的物理性能發(fā)生改變，不滿足道路路基的設(shè)計(jì)要求，必須對(duì)軟土進(jìn)行改良加固，保證其具有足夠的承載能力.

原設(shè)計(jì)采用管樁地基+堆載預(yù)壓處理，見(jiàn)圖2，管樁樁徑300 mm，管樁采用預(yù)應(yīng)力，要求設(shè)置3排，樁長(zhǎng)為34 m，管樁應(yīng)進(jìn)入持力層，承擔(dān)受力，抵抗土體沉降，減少路基變形，其中，管樁間距為2.5 m，擋土墻每隔10～20 m設(shè)置一道變形縫，變形縫寬度20～30 mm，變形縫內(nèi)填以瀝青麻絮或不透水材料，防止流水侵入，該段軟基處理時(shí)填方路基按要求放坡，放坡系數(shù)1：1.5，待軟基處理完成后，反開(kāi)挖邊坡，進(jìn)行擋墻施工，擋墻施工完成后，再回填部分路基填料.

施工過(guò)程中要保證擋墻水泥混凝土達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可開(kāi)始回填路基填料，路基填料強(qiáng)度要保證地基承載力不得低于200 kPa，否則應(yīng)進(jìn)行換土或者其他的加固措施.本路段還應(yīng)進(jìn)行堆載預(yù)壓，堆載預(yù)壓過(guò)程中要求荷載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，把土體中的水分完全排出，保證土體固結(jié)，土體壓實(shí)度達(dá)到75%以上，堆載預(yù)壓期限不少于3個(gè)月，預(yù)壓完成后土體沉降變形不在加大，基本處于穩(wěn)定，本路段路基平均設(shè)計(jì)高度為4.7～4.0 m，軟基處理中墊層厚度為0.6 m，設(shè)置2層土工格柵，設(shè)計(jì)工后沉降為4 mm.

圖2 原設(shè)計(jì)方案

1.3 路基施工及監(jiān)測(cè)概況

該路段于2016年5月開(kāi)始路基填筑，2016年9月完成路基填筑和路面施工，2016年10月1日開(kāi)始通車(chē)，通車(chē)后出現(xiàn)此病害，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)病害情況進(jìn)行了調(diào)研，并制定了監(jiān)測(cè)方案.通過(guò)近3.5個(gè)月的監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)和監(jiān)測(cè)曲線圖參見(jiàn)圖3～6.

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置范圍

圖4 匝道各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降柱狀圖（累計(jì)111天）

圖5 匝道代表斷面各測(cè)點(diǎn)沉降發(fā)展曲線圖

圖6 匝道側(cè)向位移發(fā)展曲線圖（最大位移點(diǎn)位于原地面下12.5 m深度）

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)：

1）該段路基的工后沉降較設(shè)計(jì)有明顯增大，近111 d的監(jiān)測(cè)期累計(jì)沉降最大值已達(dá)86.7 mm，加上未監(jiān)測(cè)期間的沉降，該橋頭路段累計(jì)沉降應(yīng)已遠(yuǎn)超橋頭路基100 mm的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)；

2）沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)展曲線表明，路基沉降發(fā)展仍在勻速發(fā)展中，未見(jiàn)沉降速率明顯收斂，橋頭路基沉降速率在0.5～0.8 mm/d之間，橋底錐坡段沉降速率在0.1～0.4 mm/d之間.路基左右存在差異沉降，CK0+415、CK0+405斷面左右差異沉降在3 cm左右.

3）擋墻墻腳處的深層側(cè)向位移仍在持續(xù)發(fā)展中，但位移速率較慢，最大位移點(diǎn)發(fā)生在原地面下12.5 m深度，當(dāng)前觀測(cè)期內(nèi)累計(jì)位移近15 mm.

2 病害分析及處治設(shè)計(jì)要點(diǎn)

依據(jù)軟基沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)路面裂縫現(xiàn)狀，經(jīng)分析匝道路基路面沉陷和擋墻開(kāi)裂的主要原因?yàn)榛总浲翂嚎s沉降所致，路基穩(wěn)定性不足，底部整體承載力較差，地基及周邊路基發(fā)生了不均勻沉降所致.路段路面出現(xiàn)多條近圓弧形裂縫，在不均勻沉降作用下引發(fā)圓弧狀裂縫，路基滑塌的可能性較大.

該段路基采用鋼花管注漿進(jìn)行處理，通過(guò)鋼花管將流動(dòng)性良好、膠結(jié)強(qiáng)度高的純水泥漿，在灌漿壓力作用下，漿液以滲入為主的方式充填基底軟土，通過(guò)漿液對(duì)原來(lái)軟土進(jìn)行加固，膠結(jié)形成強(qiáng)度較高、透水性較低的土體，與大直徑鋼花管形成抗滑性能良好的膠結(jié)體，達(dá)到降低基底軟土壓縮沉降的目的.在鋼花管注漿進(jìn)行處理同時(shí)，另一方面對(duì)地基、及路基填土部分進(jìn)行開(kāi)孔注漿，通過(guò)注漿置換孔內(nèi)的泥漿，與鋼管一起形成微型樁，通過(guò)路堤填土層內(nèi)的樁側(cè)摩阻力，分擔(dān)一定的填土荷載，減少沉降，同時(shí)，對(duì)擋墻采用C30鋼筋砼外包，并在擋土墻外增設(shè)反壓護(hù)道，防止擋土墻繼續(xù)發(fā)生傾斜及開(kāi)裂.

圖7 鋼化管注漿立面圖

2.1 設(shè)計(jì)范圍

對(duì)匝道沉陷路基進(jìn)行處理，處理寬度為右路肩至路中線.鋼花管注漿長(zhǎng)度為路面下20 cm至進(jìn)入持力層1.0 m，見(jiàn)圖7，灌漿水泥用量為160 kg/m.為了防止擋土墻外側(cè)反壓護(hù)道填筑發(fā)生的沉降導(dǎo)致通車(chē)路基開(kāi)裂，對(duì)反壓護(hù)道地底采用管樁復(fù)合地基進(jìn)行處理，正方形布置，樁間距2.4 m，樁徑300 mm，樁長(zhǎng)為30～34 m.

2.2 鋼花管灌漿

2.2.1 鋼花管處治方案設(shè)計(jì)

注漿孔呈矩形布置，路面上注漿孔橫向間距1.2 m，縱向間距2.4 m（原管樁樁位處不設(shè)置鋼花管）；擋墻下設(shè)置2排鋼花管，縱向間距為2 m，注漿孔開(kāi)孔直徑127 mm，垂直度偏差不大于1%，鋼花管孔底進(jìn)入持力層不小于1.0 m；鋼花管采用公稱(chēng)直徑Φ89 mm、壁厚4 mm的無(wú)縫鋼管.鋼花管每隔50 cm開(kāi)直徑不小于8 mm的出漿孔，每個(gè)開(kāi)孔段設(shè)8個(gè)孔，分4個(gè)截面，截面間距3.5 cm，每個(gè)截面錯(cuò)開(kāi)45°；每米注漿的水泥用量暫定160 kg，最終水泥用量根據(jù)注漿試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；注漿水泥采用42.5R以上普通硅酸鹽水泥，注漿水灰比0.8：1；在正式施工注漿之前，需在現(xiàn)場(chǎng)做注漿試驗(yàn)，以確定注漿時(shí)間、注漿壓力和注漿量等設(shè)計(jì)參數(shù)，試驗(yàn)注漿孔不小于3孔；路段的具體處治起終點(diǎn)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.

2.2.2 擋墻外包混凝土處治方案設(shè)計(jì)

擋墻外包混凝土等級(jí)為C30，厚度為0.2 m，內(nèi)設(shè)直徑10 mm的縱橫鋼筋網(wǎng)，鋼筋等級(jí)為HRB400（下同），縱橫方向間距為200 mm；外包混凝土由垂直于擋墻墻面的植筋固定，植筋直徑為16 mm，縱橫間距為250 mm，植筋深度為200 mm.

2.2.3 鋼花管注漿施工順序及工藝

鋼花管施工主要包括鉆機(jī)成孔、鋼花管下放和注漿等施工步驟，具體施工順序如圖8所示.

1）鉆孔，采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，成孔困難時(shí)可以套管鉆進(jìn).

2）插入鋼花管到設(shè)計(jì)深度，鋼花管底部削尖焊封，孔口需注意密封結(jié)實(shí).

3）注漿從下而上逐段進(jìn)行.注漿起始?jí)毫?.5～1.0MPa ，中間過(guò)程的壓力為0.3～0.8MPa，最終穩(wěn)定壓力為1.0 MP.注漿壓力應(yīng)從管底往上逐漸減小，注漿壓力可根據(jù)試樁情況作適當(dāng)調(diào)整.

4）單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)下列情況綜合決定：a.注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求；b.注漿壓力超過(guò)設(shè)計(jì)值.

5）注漿操作中，要隨時(shí)注意觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，如果有地表冒漿或裂縫增大或地面隆起等異常情況的，要立即停止注漿，查明原因，采取減小注漿壓力或間歇式注漿的辦法處理.

圖8 注漿流程圖

6）平面施工順序先土路肩，后硬路肩，再路面，平面應(yīng)跳兩孔施工.

2.2.4 注漿效果檢測(cè)

注漿后候凝28d進(jìn)行灌漿效果檢驗(yàn).

1）重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)：應(yīng)在28 d后進(jìn)行，在距鋼花管0.4 de、0.7 de處分別進(jìn)行試驗(yàn)，沿深度每5m作為一個(gè)檢測(cè)段，每個(gè)檢測(cè)段注漿后的重型動(dòng)力觸探擊數(shù)平均值，應(yīng)為注漿前的1.5～2.0倍.

2）抽檢數(shù)量：總灌漿孔數(shù)的0.5%，總數(shù)不小于3點(diǎn).

2.3 注漿注意事項(xiàng)

1）嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求配制漿液，施工前應(yīng)注意對(duì)鋼花管注漿孔位和管樁樁位進(jìn)行放樣，水泥強(qiáng)度符合相應(yīng)要求；

2）注漿時(shí)記錄每一個(gè)孔的每次注漿壓力，注漿量和注漿時(shí)間等基本參數(shù)，主要以壓力、每次注漿量和總注漿量為施工控制參數(shù).嚴(yán)格控制注漿壓力，施工中密切關(guān)注，防止過(guò)大壓力對(duì)軟土地基造成過(guò)大的側(cè)向壓力，影響軟土路堤的穩(wěn)定性.施工中即使壓力未達(dá)到，如出現(xiàn)樁孔附近路面連續(xù)發(fā)生冒漿異常現(xiàn)象，則立即停止壓漿，并及時(shí)向有關(guān)各方反饋，分析原因，解決問(wèn)題后再施工.

3）由于施工期間對(duì)下臥土層擾動(dòng)較大，為了確保安全施工，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)附近已通車(chē)高速公路路基和結(jié)構(gòu)物的監(jiān)控，監(jiān)控施工期及施工完成后工后一段時(shí)期路基變形情況.

4）施工過(guò)程應(yīng)注意對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保護(hù)，以防破壞影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性，施工結(jié)束后半年內(nèi)監(jiān)測(cè)頻率1次/周，半年后1次/月.

3 注漿后處理效果分析

注漿結(jié)束后，加強(qiáng)對(duì)路基等部位養(yǎng)護(hù)，在通車(chē)運(yùn)營(yíng)期間，要定期對(duì)高速公路路基的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止注漿后路基沉降依然較大，影響通車(chē)舒適度和發(fā)生交通安全事故.工程界常常將設(shè)計(jì)處理后路基的沉降量和位移量作為處理效果的標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)注漿措施后的效果采取定期監(jiān)測(cè)的方法，根據(jù)其沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，再評(píng)估此次處理效果.本文對(duì)此病害處理情況進(jìn)行分析并預(yù)防其后續(xù)可能產(chǎn)生的不良后果，對(duì)病害情況進(jìn)行了監(jiān)控，并制定了監(jiān)測(cè)方案，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降見(jiàn)圖9.依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)察看沉降是否收斂，按監(jiān)測(cè)方案對(duì)路基進(jìn)行處理，分階段抓重點(diǎn)做好處治工作，在匝道橋臺(tái)錐坡側(cè)增設(shè)一個(gè)水平位移觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析路基范圍內(nèi)進(jìn)行鋼花管注漿處置效果.通過(guò)近3個(gè)月的監(jiān)測(cè)，主要曲線圖見(jiàn)圖10.

圖9 匝道各測(cè)點(diǎn)沉降柱狀圖

圖10 匝道各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降折現(xiàn)圖

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降柱狀圖可以看出，沉降變形經(jīng)過(guò)注漿之后已基本趨于穩(wěn)定，沉降變化不大，由此看出此次處理效果較好，設(shè)計(jì)方案可行，雖然部分地域可能由于地質(zhì)等各方面的原因，沉降略有偏大，但整體的沉降已表現(xiàn)出緩和趨勢(shì)，不會(huì)有過(guò)大的變形以影響行車(chē)，這表明此次鋼化管注漿解決軟基的不均勻沉降很成功.

依據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的沉降圖反映情況來(lái)看，匝道右側(cè)的沉降量明顯高于其他部位，這與一般沉降觀測(cè)結(jié)果不太相同，而這種情況出現(xiàn)主要是由于此段路基右側(cè)為魚(yú)塘，其地質(zhì)較為特殊，在施工過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行填埋，雖有一定的承載能力，但沉降比其他地方稍大，而此次在這個(gè)部位出現(xiàn)擋墻開(kāi)裂正是由于軟土地基未處理好造成的.本區(qū)域經(jīng)過(guò)鋼化管注漿處理后，軟土的承載能力已經(jīng)得到改善，和此前的沉降量相比較，以降低很多，表明鋼花樁注漿對(duì)處理軟基具有提高承載力，降低不均勻沉降的優(yōu)點(diǎn).

4 結(jié)語(yǔ)

本次軟土地基進(jìn)行加固處理后，前期仍有沉降，是因?yàn)樗酀{未形成強(qiáng)度，后期注漿的強(qiáng)度形成，基本沉降量趨于穩(wěn)定，在控制范圍之內(nèi)，滿足工后沉降的要求，這對(duì)處理好的路面不會(huì)造成由于不均勻沉降而影響汽車(chē)的高速行駛.針對(duì)軟弱地基的處理思路是加強(qiáng)對(duì)地基土的改良，采用混凝土及其他膠凝材料和軟土組合形成具有一定承載力的復(fù)合土，使其具有足夠的承載力，提高其整體強(qiáng)度，最大限度的降低不均勻沉降，保證土體穩(wěn)定.本文提出的鋼化管注漿法成功地解決了軟基不均勻沉降帶來(lái)的危害，避免因公路路面開(kāi)裂而造成安全隱患，對(duì)其他軟基處理具有一定的借鑒作用.