陕西关中地区某高速公路路基综合加固施工技术

李 珂 李 娟

(1.西安公路研究院，陕西西安 710065;2.陕西高速公路工程试验检测有限公司，陕西西安 710086)

1 工程概况

某高速公路位于陕西省关中平原东部，路线所经区域广泛分布湿陷性黄土、饱和黄土、低洼湿软地基和盐渍土等不良地质，因而在路基填筑之后局部出现了不同程度的裂缝和沉陷，本文重点分析了该高速K3+510～K3+640段路基沉陷裂缝的综合加固施工技术。

2 工程地质条件

根据现场调查及勘察资料，某高速K3+510～K3+640段为渭河二级阶地构造洼地，其黄土层具Ⅱ级非自重湿陷性，地下水位高程为374.44 m，距原地表有23 m。原地表以下在勘察深度范围内主要由第四系上更新统风积黄土()、下部为中更新残积古土壤()和冲积粉质粘土();路基部分由上向下依次为:①回填灰土，②砂卵石，③碎石土，④夯实黄土，⑤黄土。在裂缝位置进行钻孔取样检测结果表明:②砂卵石，③碎石土层呈松散～稍密状态，动探击数小于10击;②砂卵石中填土含量较大，均匀性差;⑤黄土层呈软塑状态，含水量为25%～25.3%，室内试验结果显示该层黄土具有自重湿陷性。

3 路基沉陷开裂成因分析［1］

3.1 路基沉陷

施工过程中在2010年4月15日发现路基沿挡墙纵向开裂长度100 m，开裂位置距挡墙5 m～6 m，裂缝宽度约2 cm，挡墙高度10 m～12 m。

经过现场钻孔取样检测、调查分析该段路基沉陷裂缝的原因较多，主要可以归纳为以下几点:

1)路基挡墙基础及路基基础浸水导致基底黄土湿陷，雨后排水不畅导致地基土含水量增大，承载力降低。

2)路基填土高度相对较大，施工中未按设计要求分层压实。

3)由于施工周期短，为了赶工期，地基土未加处理或处理不彻底，地基未能固结沉降到位，另外路基施工中填土含水量过大，其含水量大于最佳含水量，填土无法达到压实要求等。

3.2 路基开裂

路基开裂是最普遍的损坏现象之一，只不过是裂缝产生的早晚、多少及裂缝的类型有所不同。路基裂缝有横向裂缝、纵向裂缝、网裂、沉降裂缝等。该处路基压实度不够产生的纵向裂缝主要由于地基土和填土不可避免的不均匀性，特别是在有雨水渗入地基的情况下，地基土产生湿陷下沉导致不均匀沉降，加上在施工车载荷载直接作用下，在轮迹部位产生大的拉应力或剪应力，导致开裂，路基外侧挡土墙在表观上并没有发现变形［2］。

3.3 路基外侧挡土墙变形监测

在路基两侧挡墙墙顶从大桩号开始布设了两排监测点，间距15 m～20 m，路基右幅点号为A1～A7，路基左幅点号为B1～B6，经过两个月4次观测，观测结果如表1和表2所示。

表1 挡土墙沉降监测点成果表(2012年)

监测结果中沉降值最大为－2.3 mm(A1号监测点)，累计最大沉降值为－6.1 mm(A4号监测点)，通过沉降观测结果表明该段挡土墙目前处于稳定状态。

表2 挡土墙水平位移监测点成果表(2012年)

监测结果中位移值最大为－3.5 mm(A1号监测点)，累计最大位移值为－6.8 mm(A1号监测点)，通过位移监测结果表明该段挡土墙目前稳定。

4 路基综合加固施工技术

经过调查、综合分析，路基并没有出现整体变形和位移，拟采用干拌水泥碎石桩加固，对于填土含水量较大处采用生石灰砂桩加固(见图1，图2)，加固桩施工结束后采用注浆加固，最后铣刨重铺路面，中面层铺6 cm厚中粒式沥青混凝土AC-20，上面层铺4 cm厚细粒式沥青混凝土AC-13，保证修补后新旧路面衔接平顺统一［3］。当路基填料下部含水量大于23%及其饱和度大于0.65时，采用生石灰和中粗砂作为桩体下部填料，干拌水泥碎石作为桩体上部填料。根据钻孔取样资料，设计桩径为15 cm，桩长为15 m(上部水泥碎石桩长8.3 m，下部生石灰桩长6.7 m)。孔心距可按下式计算:

其中，L为孔心距，m;d为桩孔直径，m;m为生石灰桩中生石灰占桩体积的百分比，以小数计;e为天然土体孔隙比;e1为加固后土体孔隙比。

经过计算，桩间距确定为1.15 m，梅花形布置。

图1 路面裂缝测量

图2 路基综合加固处理

注浆加固采用单管注浆工艺，注浆导孔孔径为89 mm～150 mm，呈梅花形布置。为了均匀填充路基填料，注浆孔间距取3 m，孔深以深入原状土0.5 m为准，深度根据地形可适当调整。

4.1 加固机理

4.1.1 置换挤密作用

生石灰桩、干拌混凝土碎石桩均是通过机具成孔，利用杆状尖锤的高压强动能，对孔内填料进行冲击夯扩，破坏土体结构，使填料向孔底和孔周强力压实、挤密，从而改善土体结构提高路基承载力，成桩后的挤密桩与桩间土形成复合地基共同承担上部荷载，进而减少总沉降量。

4.1.2 复合地基作用

复合地基是由基体(地基、路基土体)和增强体(桩体)组成，它是两种刚度(或者模量)不同材料的集合体，因而复合地基是非均匀和各向异性的，在荷载作用下，基体与增强体共同承担荷载压力。成孔在被填满压紧后形成桩体，桩体具有较高的承载能力，这样使得群桩的面积约占松散土加固面积的20%，以致生石灰桩和干拌水泥碎石桩与原土组成复合地基、复合路基，达到加固的目的，有利于提高地基、路基的整体强度，降低压缩性。

利用液压、气压将水泥浆注入路基，在砂砾、粘性土等填料路基内发生径向劈裂，浆液沿裂隙流入土体，并将土体切割成不规则的块体，在块体之间形成互相穿插的胶状水泥结石，粘性土又受到充填浆液时的压缩，形成一种复合型岩土，防止或减弱路基再下沉，压密注浆形成的土能使路面上抬，使路面回升，是用浓浆置换和挤密土体的过程。通过注浆形成的水泥桩桩体也可作为半刚性基层的桩基础，有效地支撑路面结构层，起到双重作用。

4.1.3 吸水作用

吸水作用是由于生石灰吸水生成的Ca(OH)2中一部分与土中的二氧化碳和氧化铝产生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化物。水化物对土颗粒产生胶化作用，使土聚体增大，从本质上改变了土的结构，提高了土的强度，而土体的强度将随龄期的增长而增加。1 kg生石灰的消解要吸收0.32 kg的水，同时，由于反应中放出大量热量提高了地基的温度，实测桩间土的温度在50℃以上，使土产生一定的汽化脱水，从而使土中含水量下降、孔隙比减小、土颗粒靠拢挤密，其加固机理包括打桩挤密、吸水膨胀挤密、离子交换、胶凝、升温加热作用。

根据以往在高速路基处理的实践中可以体现，生石灰桩对处理地表水入渗导致路基土含水量增大，承载能力降低等收到较好的效果，形成复合地基后对于消除黄土湿陷性也是一种很好的方法［4］。

4.2 材料及配比要求

参照以往路基加固中采用的配合比，定为干拌水泥碎石桩配合比为碎石(1 306 kg)∶砂(761 kg)∶水泥(354 kg)。

生石灰桩回填材料采用生石灰、中粗砂混合料，配合比为生石灰∶中粗砂=8∶2(体积比)。

干拌水泥碎石桩采用等同于C20混凝土标号，水泥料应使用32.5R及以上合格产品，碎石的含泥量小于0.5%，压碎值达到设计及室内试验要求，采用粗砂的含泥量小于0.5%，石灰材料应选用新鲜的生石灰块，有效氧化钙含量不低于70%，含粉量(即消石灰)不宜超过15%。

采用注浆加固的浆液配合比(每立方米浆液材料用量)为水泥∶粉煤灰∶水 =375 kg∶375 kg∶750 kg，注浆比重1.55 g/cm3～1.60 g/cm3，压力 0.2 MPa～1.0 MPa［5］。

4.3 施工工艺

1)依据设计桩位布置图现场放线，确定路基病害处置的桩位及注浆孔位。

2)采用XY-200型岩芯钻机成孔，成孔直径15 cm，成桩直径可达20 cm，保证成孔竖直，以免成桩倾斜，同时施工时允许偏差应符合规范要求。

3)按照设计配合比拌料，每贯入30 cm的拌合料，用重120 kg，落距大于70 cm的夯锤夯击密实。

4)施工流程:孔位布置→钻机就位→成孔→钻杆提出→插入注浆管→封孔→注浆→停止注浆封闭注浆管［6］。

4.4 试桩

在正式施工前应按照施工工艺进行试桩，考察设备能力、成桩直径及密实度，确定最佳的夯击次数。根据以往成功经验，并结合目前的实际情况要求大于7次为击实。同时规定挤密后桩间土最小干密度不得小于1.5 t/m，桩间土的平均压实系数为0.90～0.93，桩体的极限承载力达到 250 kPa～500 kPa。

4.5 排水

由于地处湿陷性黄土地带，对路基排水系统进行及时修复和增补，将汇水实行早接远送的措施，保持路基排水及时、通畅，并加强薄弱环节的重点防治。

5 结语

路基是道路的基础，更是保证路面质量和稳定的关键，路基病害的产生与地质、设计、施工等各个环节有关，必须从各个环节注意，采取相应的措施提前治理和预防路基病害的产生，防患于未然［7］。通过处理后，路基的压实度和含水量均达到规范要求，增强了原有路基土的挤密强度。相对于以往采用换填土层法而言，其工程量较小，节省了造价成本，受气候影响小，占用施工场地较小，不会影响其他工作面的施工。因此，生石灰桩挤密法和干拌水泥碎石桩挤密法在施工过程中发挥了较大作用，从监测结果和目前通车情况来看，确保了路基的施工质量，是一种行之有效的路基加固方法。

［1］陈国勇，陈智贤.充填渗透灌浆法在软弱路基加固处理中的应用［J］.探矿工程，2007(5):41-42.

［2］贺茉莉.高速公路路基注浆加固施工技术［J］.探矿工程，2001(3):75-77.

［3］赵大军，计胜利.滨绥铁路线某段路基加固技术［J］.探矿工程，2000(1):33-37.

［4］郑朝阳.高速公路路面破坏和路基病害的特征及成因分析［J］.民营科技，2009(9):23-24.

［5］西安公路研究院.青岛至兰州公路陕西境壶口至雷家角高速公路桥涵台背加固设计［Z］.2009.

［6］李 启，张勃蓬.西宝高速公路路基病害处治分析［J］.山西交通科技，2005(3):15-17.

［7］张凤凌.某公路软土路基病害分析及整治［J］.岩土工程界，2007(8):29-32.