唐咸遠(yuǎn)，王詩(shī)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(hù)科技集團(tuán)有限公司；3.廣西交通投資集團(tuán))

1 前言

當(dāng)高速公路穿越膨脹土地區(qū)時(shí)，經(jīng)過(guò)1～2個(gè)雨季后，常常會(huì)出現(xiàn)路堤沉降、路面開(kāi)裂變形、邊坡滑坍等病害，造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境破壞，如何處理防治膨脹土穩(wěn)定性問(wèn)題一直是工程上的難題。對(duì)失穩(wěn)膨脹土路堤的處治，研究者針對(duì)不同工程提出過(guò)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(duì)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(jì)、施工方面對(duì)某高速公路膨脹土路基病害產(chǎn)生原因開(kāi)展分析，提出了相應(yīng)的處治措施；褚宇光對(duì)某車(chē)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(jìn)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(kāi)裂破壞及路堤處治工程為例，通過(guò)對(duì)填方路基的開(kāi)裂破壞原因進(jìn)行有效分析，提出“抗滑樁+鋼筋錨桿樹(shù)根樁+鋼錨管樹(shù)根樁+路面注漿+深層排水”的組合式綜合治理方案，為防止進(jìn)一步的開(kāi)裂失穩(wěn)從而導(dǎo)致整個(gè)路堤破壞，并對(duì)有地下水的位置進(jìn)行降水措施處理，最后對(duì)治理方案的處治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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(chǎng)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(duì)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(jiàn)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(wú)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(bǔ)給為主，勘探期間測(cè)得穩(wěn)定地下水位為184.15～187.37 m，水文地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)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(duì)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(qiáng)，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(qiáng)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(jiān)硬黏土狀，沖擊可進(jìn)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(zhǎng)、短柱狀，最大揭示厚度約為9.80 m。通過(guò)巖石樣的天然單軸抗壓試驗(yàn)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(jìn)行土的物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定，試驗(yàn)按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的要求進(jìn)行，試驗(yàn)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(jì)規(guī)范》對(duì)膨脹土的等級(jí)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(kāi)裂原因分析

3.1 開(kāi)裂情況

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

圖2 路基初始開(kāi)裂平面圖

從圖2可以看出：裂縫彎折，并分段呈直線，初始開(kāi)裂時(shí)裂縫長(zhǎng)而細(xì)。隨著時(shí)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(tái)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(shí)，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(tái)風(fēng)帶來(lái)的超強(qiáng)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(wú)法及時(shí)處理，后裂縫進(jìn)一步發(fā)展，雨水進(jìn)入路基導(dǎo)致沉陷滑移。

3.2 開(kāi)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(tái)風(fēng)侵襲；同時(shí)，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(qiáng)度和黏聚力不斷降低，在強(qiáng)降雨后導(dǎo)致局部膨脹土地基上路堤發(fā)生開(kāi)裂破壞。

為了模擬強(qiáng)降雨對(duì)膨脹土地基上路堤開(kāi)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(qiáng)降雨不同降水歷時(shí)對(duì)路堤的穩(wěn)定性影響。計(jì)算表明：在降雨歷時(shí)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(dòng)面距離左側(cè)路基頂面約7 m處，與圖2的初始開(kāi)裂斷面相吻合(圖3)。

圖3 失穩(wěn)時(shí)的可能滑動(dòng)面

4 處治方案設(shè)計(jì)與施工

為減緩路面裂縫擴(kuò)展并防止路堤失穩(wěn)滑移破壞，對(duì)該路段左幅填方開(kāi)裂路基進(jìn)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(guò)方案比選后，決定采用“抗滑樁+鋼筋錨桿樹(shù)根樁+鋼錨管樹(shù)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(dòng)，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(shù)根樁和鋼錨管樹(shù)根樁；為防止路面裂縫擴(kuò)張及修復(fù)開(kāi)裂土體，采取注漿封閉處理；同時(shí)，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(duì)地下水位進(jìn)行下降處理。左幅填方路基開(kāi)裂處理立面圖及橫斷面設(shè)計(jì)圖分別如圖4、5所示。

圖4 開(kāi)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(jì)算的推力較大，結(jié)合該工程實(shí)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(jìn)入泥巖的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)16 m，冠梁高1.2 m，寬1.5 m?；炷翗逗蜆俄敼诹壕渲肏RB335鋼筋，采用C25混凝土進(jìn)行澆筑，樁身澆筑時(shí)要保證其連續(xù)和完整性。

4.2 坡面鋼錨桿樹(shù)根樁

設(shè)置3排樹(shù)根樁，以保證下部坡面的穩(wěn)定。樹(shù)根樁設(shè)置如圖5所示，第1、2排的樹(shù)根樁長(zhǎng)為9 m，第3排樹(shù)根樁長(zhǎng)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(shù)根樁與坡面方向的關(guān)系示意如圖6所示；坡腳和坡腰樹(shù)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(shù)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(shù)根樁、鉆孔樁與構(gòu)造物位置有沖突時(shí)，可另外適當(dāng)調(diào)整。

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

圖6 樹(shù)根樁與坡面方向的關(guān)系

4.3 坡腰鋼錨管樹(shù)根樁

坡腰鋼錨管樹(shù)根樁也設(shè)置3排，每根長(zhǎng)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(shù)根樁的設(shè)計(jì)抗拔力不小于50 kN。鋼錨管鉆孔建議采用地質(zhì)鉆機(jī)干鉆成孔，注漿從管內(nèi)向外進(jìn)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(shí)，先將已經(jīng)破壞的路面結(jié)構(gòu)挖除。后對(duì)該段左幅填方路基裂縫進(jìn)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(cuò)開(kāi)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(guò)壓力注漿以加強(qiáng)裂縫兩側(cè)土體自身的強(qiáng)度并充填裂縫，從而提高路基整體穩(wěn)定性。在注漿過(guò)程中若出現(xiàn)串漿現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)對(duì)串漿孔進(jìn)行堵塞，并對(duì)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(duì)膨脹土自身強(qiáng)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(duì)路基土的侵蝕軟化破壞，采用了軟式彈簧透水管進(jìn)行深層排水設(shè)計(jì)，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(shí)對(duì)地表徑流的水也要引入排水溝，盡量減少地表徑流水對(duì)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(shù)根樁+鋼錨管樹(shù)根樁+路面注漿+深層排水”的組合式加固處理措施后，通過(guò)施工后期的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(méi)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(jì)合理，處治取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5 結(jié)論

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

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

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

(3)通過(guò)數(shù)值模擬分析表明，在強(qiáng)降雨歷時(shí)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(kāi)始出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，路基可能的滑動(dòng)面距離左側(cè)路基頂面約7 m處，與左幅路段初始開(kāi)裂斷面相吻合。

(4)采用了“抗滑樁+鋼筋錨桿樹(shù)根樁+鋼錨管樹(shù)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(jī)進(jìn)行施工，快捷高效，加固效果顯著，處治方法的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著，為局部類(lèi)似膨脹土地區(qū)的路基處治研究提供了經(jīng)驗(yàn)。