公路高填土路基沉陷病害治理

1、公路高填土路基沉陷病害治理? lo?北方交通公路高填土路基沉陷病害治理梁亚宁(哈尔滨市市政工程设计院,哈尔滨 150001) 姚天宇(哈尔滨市市政工程设计院,哈尔滨 150001) 周岩(东北林业大学 ,哈尔滨 154001) 钟蕾(东北林业大学 ,哈尔滨 154001) 摘要通过对目前国内外路基加固方法的研究,系统介绍了既有公路高填土路基沉陷治理的常用方法和前沿状况,提出了各种方法的适用性和弊端,给出了不同情况下路基沉陷治理的适用方案 . 关键词高填土路基沉陷既有公路治理由于高速公路建设工期短,高填方路基经历的圊结沉降期短 ,施工设计等不合理因素的存在,致使工后的沉陷病害经常发生,严重影响道

2、路的行车舒适性和安全性 ,因此有必要进一步对高填土路基沉陷病害的治理进行探讨和研究. 1 高填土路基沉陷病害形式,形成原因1.1 高填土路基沉陷病害形式高填土路基施工完工后 ,随着时间的延长与载荷的作用 ,路基在垂直方向上常会产生较大的变形和沉陷 .从反映在路面上的结果看 ,沉陷有不均匀下沉,局部沉陷 ,整体下沉三种类型 ;从路基沉陷的产生部位分有路基沉陷和地基沉陷两类.高填土路基沉陷有时并不单单是沉陷一种,常常在沉陷的同时,要伴随着路基横纵向开裂或边坡滑动. 1.2 形成原因1.2.1原地基承载力差原地基承载力差 ,土质天然密实度低 ,加压时具有较大变形和可压缩性 ,像东北 ,华北地区 ,原

3、地面清除表层可耕植土0.5m 后,其承载力一般为 5olookpa,部分在 100150kpa之间,冲积层土的天然密实度一般为 1.451.5g/cm.当路基平均填土高为 4.om,填土干密度为 1.75cm.,地表层单位应力为 70kpa,如果考虑基层 ,面层结构 ,其干密度加权值还要大些 .按地表承载力为 lookpa,干密度1.75g/era., 换算允许填土高度约为5.7m.由于沿线立交桥 ,涵洞的控制 ,实际上每条高速公路的路基填土高度大于 5.7m 的路段 ,约占总长度的 20%左右,再加上车辆的换算荷载 ,使约 22%25%的路基外加荷载大于相应地段的地基承载力.可以认为那些地基

4、承载力小于设计承载力值的地基为软弱地基.而在路基施工前 ,由于种种原因 ,对地基承载力探测不详尽 ,也未对地基承载力不够的路段进行验算和综合处理 ,仅对沟渠 ,坑塘,淤泥层等软弱地基进行了一些处理 .导致路基和路面完成后 ,局部位置和路基仍未稳定 ,发生不均匀沉降 ,从而导致路面的损坏 . 1.2.2设计不合理当公路路线设计有高填方路基时,需对高路基进行稳定性验算和沉降计算,如验算和计算所需的地质条件 ,土工实验资料等不能真实反映现场情况时,就会造成设计的不合理 ,从而产生路基病害 . 1.2.3填料不合理 ,填土不均匀 ,压实不匀如果路基填料土质差 ,填料中混进了种植土 ,腐殖土或泥沼土等劣

5、质土 ,由于这类土壤中有机物含量多,抗水性差 ,强度低 ,那么路基将出现塑性变形或沉陷破坏 .填土不均匀 ,压实指标难以确定 ,导致施工压实不匀 ,造成路基沉降不均匀 ;对于一个施工路段,用同样的压实机械组合和压实遍数以及同一个最大干密度 ,造成压实度随机取样结果不稳定,这给施工和监理均带来一定难度,也给土方施工工期带来影响 .虽对不合格点进行处理 ,但仍有部分路基施工时压实不匀 ,最终造成路基沉降不均匀,导致路面损坏 . 1.2.4路基防护不利路基防护工程不同步 ,防护工程和排水设施不完善,造成高填土路基进水软化和路面的损坏. 1.2.5施工重视不够造成的损坏由于高填土路基 ,占地多 ,取用

6、土量大 ,工程量第 11 期梁亚宁等 :公路高填土路基沉陷病害治理?11? 大,施工难度也大 ,征地,拆迁,用土征地等协调工作难度大 ,本应先开工 ,先完成的路段 ,往往由于对此工作重视不够 ,工序和工期安排不当导致高填土路段后开工 ,后完成 .并且为了赶上总体进度 ,有赶工期的现象 ,导致施工期间控制不严 ,自然沉降期不够,路面形成后在使用期间高填土段沉降仍在明显发生,导致路面损坏 . 2 对既有公路路基沉陷的处治加固. 路基加固的目的就是要设法提高填方土体的密实度与胶结性能 ,同时部分提高阻止破裂体进一步下滑的抗剪切强度 ;减少填方土体中的孔隙 ,阻止地下水对路基土的渗透破坏,增强土体的密

7、实度 ,均匀性,以提高地基承载力 ,提高边坡稳定性 ,防止路基滑塌和减少土体侧向位移引起的地基下沉. 2.1 换土复填法将原路基出现病害部分的土挖去,更换新的 ,符合规范要求的土 .一般采用级配较好的砂砾 ,并且塑性指数满足规范要求的亚粘土为宜.回填时 ,挖补面积要扩大 ,且逐层挖成台阶状 ,由下往上 ,逐层填筑,碾压密实 ,压实度要求高出原路基压实度1% 一2%为宜,如需要时 ,可结合土工合成材料进行施工. 2.2 强夯法通过对路基持力层振动强夯,破坏原有土体结构,使岩土压密 ,减少孔隙并提高承载力 . 2.3 固化剂法在处理高填土路基的下沉中,如果更换路基填料受到限制 ,且填筑料数量不大时

8、 ,可在原填料中掺人一定品种与数量的固化剂处理路基病害.固化剂作为一种特殊的建筑材料,其不同的物理性质和化学组成成分决定了不同的类别,特点和固化方法 ,路用材料固化剂从形态上看,可分为固态和液态两大类;从化学构成上看 ,可分为主固化剂和助固化剂两大部分 .其中固体粉状固化剂中主固化剂以石灰, 石膏,水泥为主 ,助固化剂采用高聚物如聚丙烯酞氨,聚丙烯酸或含有活性基因的有机化合物;液态状固化剂中主固化剂多采用水玻璃,助固化剂则采用各种无机盐 ,如碳酸镁 ,碳酸钙等 .前者与土混合加压,适合于表层或浅层土的固化;后者使用时 ,采用特殊工艺将浆液注入土中使土固结,适合于深层土的固结 . 2.4 粉喷桩

9、法对于处理 lom 以内路基下沉病害 ,采用粉喷桩加固技术是较为理想的一种方法. 2.5 无砂混凝土小桩这种方法主要应用在新建公路软基后处理(后处理技术是在路基填方达到一定高度(极限高度 ) 后,再对地基进行处理的一种新技术)加固上 ,在既有公路上对路基进行加固在国内还处于研究阶段. 当既有公路高填方区下存在软基处理不达标的区域,而由此引起路基沉降时 ,可以采用本法 .应用本法时路基和软基中应无坚硬的碎石层.根据设计的桩径,在路面上用工程钻机成孔至预定深度位置,然后插入钢质注浆管 (注浆管不拔出 ),随即向桩孔内投放一定级配的碎石至孔口,封孔后通过注浆管向孔内压力注浆 ,在成孔过程中 ,下部软

10、弱土层中的超静水压力得到彻底释放使土颗粒的有效应力发生突增,主固结进程加快 ;插管投石并间隔压力注浆施工过程中 ,首先在压力作用下通过邻近桩将桩间土中的部分自由水置换排出 ,再次在邻近桩孔中压力注浆时,水泥浆继续置换桩周土体中的自由水,并使桩体密实 ,形成竖向无砂混凝土桩体以及桩周水泥复合土体 ;当路基和地基固结趋于稳定和加固体强度达到要求时 ,对路面压实罩面 . 2.6 高压旋喷法这种方法主要应用在新建公路地基加固上,在既有公路上对路基进行加固由于工艺和设备均较复杂在国内甚少应用 .国外采用这种方法进行路基加固时,均是将加固机具 ,注浆泵 ,动力及配套设备安装在车上 ,车边行进边对病害地段进

11、行加固,加固完成后路基内沿深度形成纵向连续的树根桩,路基表面形成柔性封闭层 ,以达到提高路基承载力和防止地表水渗入的目的 . 2.7 注浆法 (静压) 通常所说的注浆法即为静压注浆,注浆法在不破坏持力层上层结构 ,打孔注浆使原土体孔隙充填密实,强度提高 .如何选择和控制注浆压力和浆液浓度等因素 ,是注浆施工中首要解决的问题,在大范围灌注前 ,应先做试验 ,根据注浆段的路基类型 ,结合单孔注浆量选择合适注浆压力. 2.7.1注浆方法的选择(1)渗透注浆 .主要用于桥涵 ,通道台背加固处理中 ,为使浆液在土中渗透并在短时间内凝固而采用间隙注浆 ,使浆液渗入土体孔隙后 ,将孔隙中的自由水 ,气体排除

12、 ,但不破坏土体结构 ,从而防止了浆液从锥坡 (挡墙)砌缝中冒出 ,使灌人锥坡 (挡墙) 土体中的浆液形成一道屏障,达到防渗充填和加固的目的 .对孔隙较大的砂砾石层或裂隙岩层宜采用此法. (2)劈裂注浆 .用于路基软弱变形区加固,是? 12?北方交通. 在相对较高注浆压力作用下,采用分层劈裂 ,挤密, 充填注浆 ,克服地层的初始应力和抗拉强度,引起地层的水力劈裂 ,使地层产生新的裂隙或使原有裂隙扩大,使原来不可灌的地层能顺利进浆,并增加浆液的扩散半径 ,在浆液压力消失后 ,地层的回弹又进而压缩浆液 ,使充填更为密实 ,并使路基土体处于一定的预应力状态 . 另外,由于浆液的水化凝固与地基土排水固

13、结变形不协调 ,致使泥凝结体与地基土之间界面的透水性远大于土体本身的透水性,形成纵横交错的排水通道 ,有利于由注浆引起的超孔隙水压力消散及浆脉与土体的固结 .因此,又进一步提高复合地基的强度 ,降低土的压缩变形 . (3)压密注浆 .由于路基沉陷而导致的路面板下陷,断裂,托空,裂缝等现象 ,可待路基加固处理完毕后,用压密注浆的方法将混凝土面板复抬到原路面标高处 .通过钻浅孔向土中灌人极浓的浆液,使注浆附近土体压密而形成浆泡,初始注浆压力基本上沿径向扩散 ,浆泡周围土体中的孔隙水被置换为浆液,土体强度和变形模量将大大提高;而离浆泡较远的土则发生弹性压缩变形,土的密度和强度亦有明显增加 ,随着浆泡

14、尺寸逐渐增大 ,便会产生较大的上抬力 ,托起混凝土面板上抬 . 2.7.2注浆方式注浆有自上而下孔口注浆和自下而上止浆塞两种注浆方式 .注浆方式的选择 ,要依据钻孔的地质情况而定 ,当表层覆盖层比较松散 ,软弱或破碎时 , 一般选择自上而下进行孔口注浆法,该法可以在表层形成水泥胶结盖板 ,防止下部注浆时冒浆 ,有利于提高注浆质量 .当表层覆盖比较完整时 ,一般选择自下而上注浆法 . 2.7.3浆材及配方设计原则处理高速公路路基下沉一般采用普通硅酸盐水泥浆液 ,浆液浓度通常用水灰比0.60.7 较为合适.在密实度较好的粘土路基中,可适当增大水量 , 使稀浆更易充分进入粘土路基中. 2.7.4注浆

15、深度的确定注浆深度直接影响到水泥注浆的质量,孔深过浅不能有效地改善软弱地基的承载力,过深势必增加工程的造价 .应该依据工程地质情况和公路施工经验数据确定孔深 . 2.8 路基支挡(1)利用反压坡道和挡土墙对高填土路基的侧向约束作用 ,提高高填土路基的整体稳定性. (2)将衡重式挡土墙的衡重台改用钢筋混凝土的短卸荷板 ,利用板的遮帘作用减小下墙土压力,同时又可使板上土重平衡墙体,使墙基应力分布均匀 , 改善了墙身稳定条件 .它与同高度衡重式挡土墙相比,约可减少圬工 3o%. (3)预应力锚索技术与不同抑制件组合,用于加固路基 . (4)钢筋混凝土挖孔桩及其组合结构既用于抗滑,也用于锚固 . 3

16、既有公路路基沉陷病害处治方案的适用性路基病害的处治 ,应本着综合整治 ,不留后患的原则,根据各路段的具体情况 ,从以下几方面进行处治:增加边坡稳定性 ,使其不再发生水平位移 ;提高各碾压层位和边坡水侵软化区的抗剪力;消除已产生的各种裂隙 ,增加路基的整体性 ;提高压实度不足的碾压层位的变形模量 ,降低孔隙率 .因地制宜地制定相应的整治方案 . 3.1 方案一此方案适合于路基小面积的不均匀沉降,这种沉降是由于路基填土不合格,压实度不够 ,路面渗水,路基横移 (路基底与地基摩擦力较小 )造成的 . 在整治路基下沉中 ,采用的技术方法是 :挖除原路基出现病害部分的土 ,对基面进行碾压密实 ,再夯填三

17、合土,三合土中部设土工网一层(使土工网下路基受力均匀 ,减小不均匀沉降的可能 );为了有效减少路面浸水致使路基沉降的可能,在三合土上面填loem 厚中粗砂 ,必要时可以在边坡和路床中打人塑料排水板 (使路基内的水排出边坡以外),板上再垫一层中粗砂 ;上面铺路面结构层 ;在处理路段与原路段搭接处 ,按台阶型端口 ,由下而上 ,逐层填筑进行衔接;同时对路肩 ,路基边的所有排水设施清淤,调坡.在石料较充足的地区 ,可以采用片石垛压稳边坡,为保证抗滑片石有良好的透水性能应在墙后设砂砾反滤层 ;在石料匮乏地区可以采用14m 宽反压护道 (通过对路基横向滑移的限制减小路基范围内的差异沉降 ),加宽路基使边

18、坡变缓 ,增加路基稳定性. 本方案对病害处理较彻底,基本解决了路基下沉,翻浆和排水等问题 ;造价适中 ,但工期相对较长 , 在实施时要封闭交通 ,对道路运营影响较大 . 3.2 方案二对于降雨量较大 ,地表径流较发育 ,冲刷和渗流较强,临近山体滑塌地段 ,路基的病害主要表现为沉陷,受冲刷侧易发生局部坍塌 .对于这种情况可以采用注浆法在公路边坡两侧上按3o.一 60.进行斜向压密注浆 (通过压浆使已经沉陷的路基有所抬第 11 期梁亚宁等 :公路高填土路基沉陷病害治理?l3? 升,阻止了沉陷的继续 ,在边坡区形成了覆盖 ,即防治了边坡滑塌又能有效防水),压浆深度应达到路基稳定层 (可以通过地质雷达

19、或多点钻探对软弱层的深度进行探测 );必要时可以在边坡上设置排水管,防止因坍塌天然排水沟堵塞;或者在公路边坡侧增加支撑渗沟 (即有排水作用又有支撑加固路基作用)数量,减小支撑渗沟距离 ,并在支撑渗沟出水口处设一钢筋混凝土短卸荷板(即防水又增加了路基稳定性 ,与重力式挡墙相比圬工量大大减少),由渗沟汇集的地下水由挡墙上泄水:eiie 出.还应修建天沟及吊沟等地表排水设备,完善排水系统 .同时在挡墙背后支撑渗沟之间夯填由主滑段减重而削减的土方,增加抗滑段土体自重 ,从而增加阻滑力 . 此方案对路段长短没有限制,但对于长路段的处理技术经济效果更佳 ,本方案不破坏路面 ,不会影响交通 ,工期较短 ,造

20、价较低 . 3.3 方案三此方案适用于由于公路一侧山体滑动牵引路基横移下沉和受水渗浸引起的路基沉陷.对于这种病害主要采用减重反压和注浆联合整治.将滑坡主滑段减重土方反压到抗滑段上,从而既消除了滑坡前缘的临空面 ,又充分地利用对面山体的支挡作用增加抗滑力 ,阻止滑坡继续滑动 ;当地下水位较高 ,山体牵引较严重时 ,为防治水位较高渗浸路基而产生的沉陷和阻止滑移 ,必要时可以在路基横移一侧采用封井注浆帷幕加固处理,注浆时采用渗透注浆方法灌注 ,坡脚处钻设一排注浆孔 ,钻孔深度应该满足防水和阻隔滑移要求 ;路肩上采用劈裂法注浆 ,注浆钻孔采用直孔与斜孔相隔布置. 此方案有效治理了路基横移引起的沉降,防

21、止了地下水对路基的渗浸 ,综合加固效果较好 ,工期适中,不会影响交通 ,但造价较高 . 3.4 方案四此方案适合于路基土体局部含水量较高,土体软弱,路基填土厚度较大 ,侧向约束能力差的路段 , 病害主要表现为路基沉陷,路面开裂 .对此可以采用注浆技术进行处理 .横向裂缝部分处理以压密注浆为主 ,以解决路面垂直沉降问题 .纵向裂缝部分采用与水平夹角为30.的斜孔 ,按袖阀管式注浆 (袖阀管式注浆是在路基中按某一角度布置一定深度的钻孔,放灌套壳料 ,设置注浆外管 ,注浆外管将永久留在土体中 ,注浆外管每隔一定间距预留出浆口,在出浆口处加设截止阀 ,注浆时将带封堵装置的注浆内管置人注浆外管内 ,对需

22、要注浆部分进行注浆. 这样在土体中产生以钻孔为核心的桩体,且在桩体外围土体裂隙中形成抗剪能力强的树根网状浆脉复合体.采用袖阀管式静压注浆 ,使土体强度在多次注浆中得到提高 ,使土体与凝结体结合在一起,具有加筋土 及树根桩 的双重优点 ,增强整体抗滑能力.另外,因袖阀管注浆中截止阀的单向性,可以多次地人为控制注浆量 ,减少注浆对土体的扰动破坏程度,使路面抬升控制在合理控制范围),以解决路基土侧移问题 . 该方岸有效的增加了土体抗剪强度,增强了路基土体的整体性 ,使路基土体的变形减少 ,增强了路基抗侧滑能力 .不破坏路面 ,不影响交通 ,工期较短,造价较低 . 3.5 方案五该方案适用于路基不均匀沉降较轻微,路面裂缝较窄的高填方路段 ,这种病害主要是由于基底存在软塑土壤造成的 .对于这种情况由于路基较高直接加固基底困难较大 ,况且路基沉降较轻微 ,加固基底造价较高 .可以采用 ,挖除路面结构上基层 ,用高压水清洗下基层 (防止有粉碴存在 ).在