抗滑樁+樹根樁綜合處治膨脹土地基上路堤開裂

唐咸遠(yuǎn)，王詩海，2，鄒前

(1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 柳州 545006；2.廣西北投交通養(yǎng)護科技集團有限公司；3.廣西交通投資集團)

1 前言

當(dāng)高速公路穿越膨脹土地區(qū)時，經(jīng)過1～2個雨季后，常常會出現(xiàn)路堤沉降、路面開裂變形、邊坡滑坍等病害，造成了嚴(yán)重經(jīng)濟損失及環(huán)境破壞，如何處理防治膨脹土穩(wěn)定性問題一直是工程上的難題。對失穩(wěn)膨脹土路堤的處治，研究者針對不同工程提出過不同的技術(shù)處治措施。陶連金用有限差分法分析廣西某膨脹土路堤邊坡失穩(wěn)原因后，提出采用以抗滑樁為主的治理方法；唐咸遠(yuǎn)對隆百路、欽崇路膨脹土地基上非膨脹土填筑路堤失穩(wěn)，采用微型鋼管群樁+化學(xué)注漿等技術(shù)處治；田世寬從設(shè)計、施工方面對某高速公路膨脹土路基病害產(chǎn)生原因開展分析，提出了相應(yīng)的處治措施；褚宇光對某車站一路堤段出現(xiàn)坍滑病害，提出優(yōu)先采用微型樁方案進行處治。

該文以廣西欽州至崇左高速公路K59+800～K59+930左幅路段因膨脹土軟化收縮而導(dǎo)致的路基開裂破壞及路堤處治工程為例，通過對填方路基的開裂破壞原因進行有效分析，提出“抗滑樁+鋼筋錨桿樹根樁+鋼錨管樹根樁+路面注漿+深層排水”的組合式綜合治理方案，為防止進一步的開裂失穩(wěn)從而導(dǎo)致整個路堤破壞，并對有地下水的位置進行降水措施處理，最后對治理方案的處治效果進行評價。

2 工程地質(zhì)及土性特征

2.1 地形地貌與水文地質(zhì)

欽崇高速公路K59+800～K59+930左幅路段為填方段，中心填土高度為6～12 m，原地面右高左低，坡度為1°～5°。由于場地屬剝蝕準(zhǔn)平原地貌，地形起伏不大，地面高程為186.0～196.0 m，相對高差約為10 m。地表均為第四系地層覆蓋，主要種植有甘蔗等農(nóng)作物，未見坍陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象；路段右側(cè)有一干水渠，雨季水量較大，旱季則無水。鉆探資料分析表明，地下水主要為埋藏在第四系覆蓋層中的孔隙潛水，水量較大，以大氣降水補給為主，勘探期間測得穩(wěn)定地下水位為184.15～187.37 m，水文地質(zhì)條件相對簡單。

2.2 地層巖性

鉆探表明該路段主要為第四系殘積層和第三系泥巖，典型的鉆孔柱狀剖面圖如圖1所示，相對應(yīng)的地層描述如下：① 第四系殘積層：黏土，以棕紅色、棕黃色為主，可塑，黏性較強，揭示層厚約為3.20 m，層底高程約為185.37 m；② 第三系泥巖：強風(fēng)化泥巖以青灰色為主，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖石上部已風(fēng)化呈硬塑～堅硬黏土狀，沖擊可進尺，巖芯呈短柱狀，揭示層厚為13.6～17.0 m，層底高程為165.95～171.77 m；中風(fēng)化泥巖為青灰色、灰褐色，屬于泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，含有粉砂質(zhì)，中厚層狀構(gòu)造，巖石質(zhì)軟，巖芯多呈長、短柱狀，最大揭示厚度約為9.80 m。通過巖石樣的天然單軸抗壓試驗可知，該泥巖屬于極軟巖。

圖1 鉆孔柱狀剖面圖

2.3 土的基本性質(zhì)

鉆探選取相應(yīng)代表部位的天然狀態(tài)土樣進行土的物理性質(zhì)指標(biāo)測定，試驗按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》的要求進行，試驗結(jié)果如表1所示。結(jié)合表1結(jié)果，根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》對膨脹土的等級判定可知，土樣為中等膨脹土。

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)

3 開裂原因分析

3.1 開裂情況

欽州—崇左高速公路K59+800～K59+930段左幅填方路基開裂平面圖如圖2所示。

圖2 路基初始開裂平面圖

從圖2可以看出：裂縫彎折，并分段呈直線，初始開裂時裂縫長而細(xì)。隨著時間推移，裂縫快速發(fā)展，造成左幅出現(xiàn)不均勻沉降并出現(xiàn)沉陷，靠近K59+960念文中橋欽州側(cè)橋臺出現(xiàn)滑移，路堤變形相當(dāng)嚴(yán)重，裂縫寬0.5～7 cm，整體最大下沉量約為1.5 m。

查施工記錄可知，該段路堤填筑時，底層膨脹土換填0.5 m后回填良性土，路基施工完成后1年，在次年7月份臺風(fēng)帶來的超強降雨后，在已經(jīng)施工完成水泥穩(wěn)定碎石基層的表面發(fā)現(xiàn)裂縫，由于連續(xù)降雨無法及時處理，后裂縫進一步發(fā)展，雨水進入路基導(dǎo)致沉陷滑移。

3.2 開裂原因分析

因欽崇高速公路地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降雨量較大，干濕季分布明顯且常受到臺風(fēng)侵襲；同時，此地基膨脹土為殘積型，其密度低、含水率高以及收縮性顯著等不良工程特性明顯。膨脹土在干濕循環(huán)交替作用下，其地基土體自身的裂隙發(fā)育，使得土體強度和黏聚力不斷降低，在強降雨后導(dǎo)致局部膨脹土地基上路堤發(fā)生開裂破壞。

為了模擬強降雨對膨脹土地基上路堤開裂的影響，以中間K59+850處斷面為原型，采用Geostudio軟件建立數(shù)值分析模型，模擬強降雨不同降水歷時對路堤的穩(wěn)定性影響。計算表明：在降雨歷時4 d后，膨脹土地基上路堤的穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0，路基出現(xiàn)失穩(wěn)，路基可能的滑動面距離左側(cè)路基頂面約7 m處，與圖2的初始開裂斷面相吻合(圖3)。

圖3 失穩(wěn)時的可能滑動面

4 處治方案設(shè)計與施工

為減緩路面裂縫擴展并防止路堤失穩(wěn)滑移破壞，對該路段左幅填方開裂路基進行加固處理，考慮到路堤填土較高及充分利用原路堤，經(jīng)過方案比選后，決定采用“抗滑樁+鋼筋錨桿樹根樁+鋼錨管樹根樁+路面注漿+深層排水”的組合式綜合處治方案。

為防止路堤整體滑動，坡腳處設(shè)置鋼筋混凝土抗滑樁；為保證路堤邊坡穩(wěn)定，防止邊坡從樁頂面滑出，在坡面設(shè)置錨桿樹根樁和鋼錨管樹根樁；為防止路面裂縫擴張及修復(fù)開裂土體，采取注漿封閉處理；同時，防止因地下水的侵入破壞路基的穩(wěn)定而采用了軟式彈簧透水管對地下水位進行下降處理。左幅填方路基開裂處理立面圖及橫斷面設(shè)計圖分別如圖4、5所示。

圖4 開裂處理立面圖(除里程單位為m外，其余：cm)

4.1 鋼筋混凝土抗滑樁

由于計算的推力較大，結(jié)合該工程實際情況，為保證路堤坡腳的穩(wěn)定，采用鋼筋混凝土樁加固坡腳，并在樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁。要求抗滑樁進入泥巖的長度不得小于8.0 m，其中K59+800～K59+850段采用A型抗滑樁，樁徑1.2 m，樁長16 m，冠梁高1.0 m，寬1.2 m；K59+850～K59+930段采用C型抗滑樁，樁徑1.5 m，樁長16 m，冠梁高1.2 m，寬1.5 m。混凝土樁和樁頂冠梁均配置HRB335鋼筋，采用C25混凝土進行澆筑，樁身澆筑時要保證其連續(xù)和完整性。

4.2 坡面鋼錨桿樹根樁

設(shè)置3排樹根樁，以保證下部坡面的穩(wěn)定。樹根樁設(shè)置如圖5所示，第1、2排的樹根樁長為9 m，第3排樹根樁長為12 m(從下向上數(shù))，錨桿直徑為28 mm，采用HRB335鋼筋制作；鉆孔孔徑不小于90 mm，注漿壓力為2 MPa，采用M30水泥漿。樹根樁與坡面方向的關(guān)系示意如圖6所示；坡腳和坡腰樹根樁豎肋間距分別為2.7、3.0 m，間距可適當(dāng)調(diào)整；樁距離土路肩邊緣高差不小于2.0 m，距離坡腳高差不大于0.8 m，具體位置可做適當(dāng)調(diào)整；每根樹根樁之間用錨桿格梁聯(lián)結(jié)，格梁配置HPB235和HRB335鋼筋，采用C25混凝土澆筑，并要求設(shè)置伸縮縫，其縱橫梁斷面為0.4 m×0.3 m。當(dāng)樹根樁、鉆孔樁與構(gòu)造物位置有沖突時，可另外適當(dāng)調(diào)整。

圖5 橫斷面設(shè)計圖(除標(biāo)高、里程單位為m外，其余：cm)

圖6 樹根樁與坡面方向的關(guān)系

4.3 坡腰鋼錨管樹根樁

坡腰鋼錨管樹根樁也設(shè)置3排，每根長12 m；路基邊坡鋼錨管鉆孔直徑不小于130 mm，鋼管采用Q235鋼制作，直徑為108 mm，管厚6 mm，并在管身每隔30 cm增設(shè)直徑為15 mm的注漿孔，采用M30水泥漿注漿，要求坡腰鋼錨管樹根樁的設(shè)計抗拔力不小于50 kN。鋼錨管鉆孔建議采用地質(zhì)鉆機干鉆成孔，注漿從管內(nèi)向外進行壓力注漿。

4.4 路面注漿

由于路面沉陷及破裂較嚴(yán)重，路面處理時，先將已經(jīng)破壞的路面結(jié)構(gòu)挖除。后對該段左幅填方路基裂縫進行壓力注漿封閉處理，注漿孔徑為6 cm，縱橫向間距為2.5 m，并錯開布置，注漿壓力為2 MPa，漿液采用M30水泥漿或水泥砂漿。路面注漿平面圖如圖7所示，靠近路中線處注漿深度為8 m，靠近邊坡側(cè)采用10 m的注漿深度。通過壓力注漿以加強裂縫兩側(cè)土體自身的強度并充填裂縫，從而提高路基整體穩(wěn)定性。在注漿過程中若出現(xiàn)串漿現(xiàn)象，應(yīng)及時對串漿孔進行堵塞，并對串漿孔用高壓水清理干凈重新注漿。

圖7 路面注漿平面圖(除里程單位為m外，其余：cm)

4.5 深層排水

土中含水率的多少對膨脹土自身強度特性的影響至關(guān)重要。根據(jù)勘探資料顯示，該路段存在地下水水量較大。為減少地下水對路基土的侵蝕軟化破壞，采用了軟式彈簧透水管進行深層排水設(shè)計，深層排水盲溝管的布置如圖4所示，管中排出的水要引流到排水溝中，同時對地表徑流的水也要引入排水溝，盡量減少地表徑流水對坡體的沖刷破壞。

4.6 效果分析

該路段處采用“抗滑樁+鋼筋錨桿樹根樁+鋼錨管樹根樁+路面注漿+深層排水”的組合式加固處理措施后，通過施工后期的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)路堤的水平和豎向位移均在要求的控制范圍內(nèi)，路面沒有出現(xiàn)新的裂縫以及沉降，表明此次的加固效果顯著，方案設(shè)計合理，處治取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。

5 結(jié)論

通過對廣西欽州—崇左高速公路K59+800～K59+930段左幅填土路基開裂破壞原因進行深入分析，并基于Geostudio軟件模擬了強降雨對膨脹土地基上路堤開裂的影響及處治方案實施效果的前后對比，得出以下結(jié)論：

(1)對于修建在膨脹土地區(qū)的路基工程，應(yīng)提前對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、水文以及氣候等情況進行詳細(xì)的勘察，全面了解膨脹土地基因降雨造成強度降低及其上路堤的破壞機理，并確定具有針對性的施工處理方法，避免出現(xiàn)開裂等工程病害造成返工。

(2)對于因膨脹土地基性能衰變引起的路堤邊坡滑移、路基開裂沉降等工程病害，處治必須及時，盡量早發(fā)現(xiàn)、早治理，避免出現(xiàn)路基整體滑動失穩(wěn)破壞，最大限度地減少經(jīng)濟損失及節(jié)約工期。

(3)通過數(shù)值模擬分析表明，在強降雨歷時4 d后，膨脹土地基上路堤的穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0，路基開始出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，路基可能的滑動面距離左側(cè)路基頂面約7 m處，與左幅路段初始開裂斷面相吻合。

(4)采用了“抗滑樁+鋼筋錨桿樹根樁+鋼錨管樹根樁+路面注漿+深層排水”的組合式處治加固技術(shù)措施，抗滑樁采用旋挖樁機進行施工，快捷高效，加固效果顯著，處治方法的社會和經(jīng)濟效益顯著，為局部類似膨脹土地區(qū)的路基處治研究提供了經(jīng)驗。