抗滑桩与灰砂桩综合设计在路基沉陷处治中的应用

秦小超

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

随着社会经济的持续快速发展，人民生活水平显著提高，作为大型基础建设的公路，受到了国家和各级政府的高度重视，其中以高速公路最为明显，截止今年，全国高速公路通车总里程已超13万km，高标准建设的高速公路，辅以不断新建及修复的国道、省道、县道等，在全国范围内形成四通八达的公路网，将各个城市有效连通起来，为人们生活带去了诸多便利，为各省、市、县的经济发展提供了强有力的保证，确保各地处于经济发展的大潮中，高速公路凭借其由近及远、由强到弱的高效辐射效果成为地方政府近些年建设规划的重点工程。随着高速公路的不断高速建设发展，在建设和运营过程中出现的问题愈发集中，其中路面病害和路基病害成为制约高速公路通行能力的主要因素。路面与路基病害产生的原因有很多，同时进行处治的方法也比较多，例如挖除重填、固化剂处理、灌浆和设桩等处治方法。本文从工程实际出发，综合考虑路基沉陷状况，采用抗滑桩与灰砂桩综合处治方法，为设桩处治提供工程依托。

1 工程概述

1.1 项目概况

本工程位于霍永高速，对应施工图设计设计桩号为K38+870～K38+930段右幅。霍永高速全称为霍州至永和高速公路，是山西S70黎永高速的霍州至永和关段，山西省高速公路网规划“三纵十二横十二环”第九横的组成部分，也是国家G22青兰高速的联络线国家G2211长延高速的重要组成部分。全线采用四车道高速公路标准建设，设计速度为80 km/h，路基宽度为24.5 m。

1.2 路基沉陷勘察结果

勘察工作以《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)为原则，综合采用工程地质调绘、钻探和取样测试三种方法。从路基病害现状可以看出，K38+870～K38+930段右幅路基产生了滑移破坏，在右幅路面上产生2道纵向弧形裂缝，如图1。其中一条裂缝从K38+875处的右侧路基边缘蜿蜒至K38+900处中央隔离带附近，然后又沿弧形延伸至K38+930处的行车道，裂缝全长约80 m，裂缝水平宽度2～3 cm，垂直落差约1 cm；另一条裂缝从K38+890处行车道中央沿弧形延伸至K38+930处的路基边缘，裂缝水平宽度3～6 cm，垂直落差约8～10 cm。

图1 裂缝远景照片

本路段属溶蚀侵蚀中化工程地质区，病害路基为半挖半填路基，共布设两处钻孔揭露的地层情况，综合两处钻孔岩芯来看，10.0 m以内是回填路基土，其中1.0 m为路面结构层，其余为交错的粉土回填层和卵石回填层。10.0 m以下是原地基，12.0 m以内以粉土和粉质黏土为主，12.0 m以下以强风化的灰岩和泥灰岩为主。勘察范围内未见空洞和地下水。综合钻孔揭露的地层情况可见，在填土与原状土界面附近的岩芯很湿软，抗剪强度低，此处样品含水率为24.6%～25.7%，液性指数为0.78～0.92，抗剪强度指标C=(10.1～19.5 KPa)、φ=(10.3°～13.1°)。

1.3 路基沉陷原因分析

经调查，此段路面在2017年9月份产生路面裂缝和沉陷，业主对路面结构层采取铣刨上面层沥青路面重新进行铺筑，在实时监测中，路面于2018年3月份中旬开始重新出现裂缝，4月份裂缝出现加剧扩展势态，进入年中，裂缝宽度与长度持续增加。根据地质与水文条件，分析病害产生的原因是地表降水沿路面缝隙进入路基后，一部分渗入路基土体，另一部分沿填挖界面下渗，造成路基湿软，并在填挖界面附近形成软弱带，导致路基产生滑移破坏。

2 处治方案

鉴于此段路面去年出现类似状况，已采取铣刨上面层沥青路面重新进行铺筑的方法没有实现对问题的有效处理，路面裂缝于半年后重新出现，故表面铺筑仅能达到短期效果，治表不治里，而行车安全的长期性是高速公路运营最关键的保障，只有对出现的问题进行根治，才能最大限度的保持高速公路的行车安全和高效通车能力，经过分析讨论，最终决定采用抗滑桩支挡+灰砂桩加固+路面修复的措施进行治理。

抗滑桩在高速公路路基滑坡治理中的工作原理具体是通过自身将滑动面传来的滑坡推力传送给其嵌入的下部分土体或岩体中，并依靠自身下部阻力对上部的滑坡推力进行协调，从而使路基滑动面两侧保持稳定平衡。它的主要优点是扰动小以及治理效果好，结构长期稳定性好，具有较高的可靠性。

灰砂桩的工作原理是用生石灰、砂混合均匀后在孔中捣实而形成桩体，生石灰吸收基层水分膨胀而使土基及损坏的稳定土挤紧，提高其承载能力，减小变形；同时生石灰吸水膨胀后，石灰同周围物质发生一系列物理化学反应，使灰砂桩形成具有一定强度的柱体，对路面基层起到加固作用。其优点是既能有效挤密桩间土，提高密实度，消除湿陷性，又能有效降低土体含水率，改变土体状态。同时灰砂桩胀化过程中与砂形成坚硬固化物，且随龄期的增长而提高，灰砂桩与桩间土形成复合地基，大大提高地基承载力。

2.1 路基稳定性分析及滑坡推力计算

(1)稳定性分析

这段路基在霍永高速通车至今，路面裂缝逐渐扩展、增多，局部路基出现下沉，且路基底部挡墙也产生了倾覆变形迹象。这些情况表明路基处于蠕滑阶段，属于欠稳定状态。

(2)滑带土强度指标确定

在综合考虑路基实际稳定状态和样品剪切试验指标的基础上，为获得更接近真实情况的指标，采用反算的方法确定滑带土的强度指标。

根据勘探和试验结果，取正常工况下滑体的重度γ=19.8 KN/m3，连续降雨条件下滑体的重度γ=21.2 KN/m3，另外从滑带土的强度指标看C值离散性较小，φ值离散性相对较大。因此，选取C值，反算φ值，计算结果见表1。

表1 滑动土强度指标表

(3)滑坡推力计算

滑坡推力计算采用《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中要求采用的传递系数法进行计算，其算法原理为

Ti=FsWisinαi+ΨiTi-1-Wicosαitanφi-CiLi

(1)

Ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(2)

式中：Ti、Ti-1为第i块和第i-1滑块的剩余下滑力；Fs为稳定安全系数；Wi为第i块的自重力；αi-1、αi为第i块和第i-1滑块对应滑面的倾角；Ψi为传递系数；φi为第i滑块滑面的内摩擦角；Ci为第i滑块滑面的岩土粘聚力；Li为第i块滑面的长度，m。

根据资料查得，K38+870～K38+930段所在位置基本地震动峰值加速度为0.15 g，根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)和《公路工程抗震规范》(JTG B02-2013)需要进行地震工况下的验算，因此计算需考虑三种工况：正常工况、非正常工况Ⅰ(连续降雨)和非正常工况Ⅱ(地震)，不同工况下稳定安全系选取较大值。计算过程运用理正岩土软件进行计算，计算结果见表2。

表2 不同工况下滑坡推力计算表

2.2 具体处治方案

霍永高速施工图设计桩号K38+870～K38+930段右幅路基沉陷处治示意图见图2。

图2 路基沉陷处治示意图

(1)抗滑桩设置

根据剩余下滑力的计算结果，距路基边缘0.5 m处采用1排抗滑桩进行支挡，共布设20根桩，桩长为18 m，桩径为1.5 m，桩中心距3.0 m，抗滑桩纵向钢筋为直径32 mm的HRB400钢筋，桩身采用C30混凝土浇注，混凝土骨料粒径不大于60 mm，水泥采用强度等级为42.5级及以上的普通硅酸盐水泥，自下而上振捣浇注。

(2)灰砂桩设置

布设7～8排灰砂桩，降低路基土含水量，灰砂桩桩长为12 m，桩径40 cm，按照梅花型布置，桩中心距1.2 m。灰砂桩填筑灰砂体积比为7∶3，石灰采用生石灰，砂采用级配良好的中粗砂；桩顶1 m采用C20水泥混凝土捣实封顶。

(3)路面重新铺筑

路面铣刨至路面基层顶部，重新铺筑路面结构。路面结构采用4 cmAC-13细粒式SBS改性沥青混凝土+6 cmAC-16中粒式普通沥青混凝+6 cmAC-16中粒式普通沥青混凝土，沥青层间洒布改性乳化沥青粘层油。待抗滑桩、灰砂桩施工养护完毕后，清扫路面，洒布一层透层油；喷洒透层油后铺筑稀浆封层，封层的厚度不宜小于6 mm。

3 施工注意事项

抗滑桩与灰砂桩的综合设计，在以往的路基沉陷处治中应用并不广泛，在此需全面考虑两种桩体施工时的注意事项。

抗滑桩施工注意事项具体如：(1)桩身开挖时应跳槽开挖(隔2挖1)，待第一批施工桩混凝土强度达到75%后，方可进行第二批桩的施工。开挖过程中，要随时观测坑壁，及时防护。进入基岩后，要以浅眼松动爆破为原则，严格控制爆破用药量。(2)纵向受力钢筋由等长钢筋束组成，钢筋束沿桩周均匀布置，每束由3根直径均为32 mm的HRB400钢筋组成，钢筋之间用单面焊缝固定连结，每隔2.0 m设焊缝一道。每道焊缝的厚度最小5 mm，宽度最小10 mm，长度最小40 mm。箍筋采用单根螺旋箍筋，螺距为20 cm。加强钢筋环向布置，每1 m设一根。定位钢筋焊接在钢筋骨架上，钢筋混凝土段每2 m左右沿圆周等距离焊4根，上下层错开布置，竖向钢筋与环向钢筋的相交点必须全部绑牢或焊牢。(3)桩身采用C30混凝土浇注，混凝土骨料粒径不大于60 mm。要有备用混凝土搅拌设备，以保证桩身混凝土一次浇筑成型。混凝土自井口倾落的自由高度不应超过2.0 m，浇筑前应先在底部填10 cm厚的水泥砂浆，当浇筑高度超过3.0 m时，应采用串筒、溜管或振动溜管使混凝土下落。待混凝土达到一定厚度时，进行振捣，浇筑与振捣按《混凝土结构工程施工及验收规范》执行。

灰砂桩施工注意事项具体如：施工中按设计要求精确放样，确保成孔位置的准确，成孔过程中可以采用间隔跳打的方式，以减少对原状土的扰动；石灰砂回填钻孔必须保证回填料密实，遇到较大石灰块必须捣碎后才能回填；灰砂桩桩顶1 m采用C20水泥混凝土捣实封顶，防止出现冒顶现象。

4 结 论

高速公路的顺利、安全通行对促进沿线各城市的经济文化交流，加快各类资源的输入与输出，提高周边城市整体经济实力，实现共同富裕具有明显作用。对高速公路建设期与运营期内出现的路基滑移和地基土含水率较高的现实状况，结合抗滑桩与灰砂桩各自的作用及特点，提出两者的综合设计，从产生路面裂缝的源头处治问题，治本达标，同时可操作性强，对周围环境破坏较小，是一种贴合实际的综合设计方案，值得类似路基病害处治设计借鉴与参考。