软土区高速公路地基处置技术与监测方法分析

■沈庆祥

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司漳州分公司，漳州 363000）

2020 年末中国公路里程将达到16.91 万km，数量将居于全球首位[1]。 但是，许多高速经过软泥区域，在运行过程中，因为不同区域的压缩力大、抗拉强度小和透水性低的特性，高速道路容易出现坍滑和沉陷收缩的病害[2-3]。 关于软土地区的高速公路路基沉降及处置， 不少学者开展了较为深入的研究。张新柱[4]阐述了道路的主要结构与防护，通过对沉降因素进行解析，给出了降低及克服道路沉降问题的办法；张军辉等[5]提出采用沉降板法监测路基沉降，并利用双曲线模型法预测工后沉降；史永宏[6]采用单点沉降计对高填方路段路基进行监测，通过对路基沉降量与时间的关系曲线进行分析得到路基需250 d 趋于稳定；王金明等[7]选择了砾石压实道路、自然道路、复合路基等各种形式的高填方路基经过了细致的研究对比，剖析高填方路基在各个阶段的沉降变化及规律，并对比研究了各种道路的沉降关系，从而得出了砾石压实道路在建设前期可以有效缓解道路沉降的问题及规律。 李明[8]、王锋[9]、李帅印等[10]则根据软土地区道路路基沉降特点，阐述了压浆方法用以解决地基下沉，并详尽阐述了施工工艺、方法优点、存在困难及其具体使用效果。

本研究根据某软土地区高速公路裂缝和沉陷问题，拟采用过渡性设计（注浆+观测处理），即只对路基裂缝进行处置，在路面设置注浆孔，利用PVC注浆软管进行注浆加固，研究结论有益于类似工程应用。

1 背景工程

1.1 工程概况

某高速公路为双向八车道，主要途径于闽东南沿岸冲海积平原圩区，处于亚热带海域型季风天气天气暖和，四季泾渭分明，每年7 月至9 月为台风时期， 在台风期间降水为常年降雨量35%左右，平均降水量为1 100～1 800 mm，每年的测区水系较发育，沿线河流发育，沟渠纵横，河流一般自北西向南东流入海洋。 通常对混凝土不具强腐蚀；但近海河水受海洋涨潮直接影响， 局部为咸水水或上咸下浅，咸水水含侵蚀性，局部则较高浓度，对混凝土具有分解类弱腐蚀性。 本段高速公路抗震基本强度为VII 级。 线路50 年超越概率为10%的一般场地（中硬）地震动峰值加速度为0.10 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s；线路100 年超越概率为10%的一般场地（中硬）地震动峰值加速度为0.15 g。 区内河网发育，水库广布，局部鱼塘较密集。 地势比较平缓且宽广，平均海拔标高在3～10 m。 其间河港汉地发育，大部分为海积及冲海积的泥沙所构成，地表一般已发展为耕地和菜园。 局部剥蚀残丘台地，相对高度一般为20°～40°，自然坡度一般为10°～20°，但自然坡度较稳定，相对高差通常不足20 m。

1.2 裂缝情况

2021 年3 月，在巡查中发现路面主车道和紧急停车带出现大量纵向裂缝及少量横向裂缝，共计71 处路面裂缝及1 处下沉塌陷，最大缝宽为40 mm，最大缝长57 m，不均匀沉降最大高差可达6 cm，主要分布在应急车道，少量分布于第3、4 车道（图1、表1）。

图1 典型病害

表1 现状病害调查

1.3 裂缝原因分析

纵向裂缝是一种比较典型的病害，主要原因有以下2 种：一是抗剪切能力强度不够产生的疲劳开裂，其疲劳开裂形成的主要因素为（1）交通量过大、重轨车辆数量过多，与路面结合厚度不够，以及沥青地面轮轨与带上汽车轮载的重复相互作用，使得混凝土基层提早步入疲劳期而形成疲劳剪切开裂；（2）混凝土面层次之间组合不好，使得基层受力的形态容易出现变化，进而表面易形成疲劳裂纹。 面层的总厚度10 cm，裂纹横贯了整个中上面层。这种病害主要是由铣刨重铺和原路面面层层之间粘接不良而造成的疲劳裂纹；（3）沥青面层混合料材料差，抗剪力也不够强，在行车荷载方面的影响造成了路面裂纹。 二是由地面不均匀下沉而引起的纵向裂缝， 这种病害主要发生在基础填方及施工路段，有时伴随有轻微的地面错台现象，其主要因素有（1）地面边缘压实量不足而引起下沉；（2）地面中存有大量的膨胀土壤，在自然因素影响下含水量持续增加，并由此引起地基开裂；（3）土基层承载力不强；（4）由于局部道路基因中存有较松散土质或由于道路的自然横坡过陡，或在填挖连接处未挖台阶分级填土等因素，致使道路下沉量过大、不均匀沉降，从而引起道路的纵向破坏。

2 路基路面处置方案

路段养护修复处理设计为动态过渡性设计（注浆+观测处理），即只对路基裂缝进行处置，在路面设置注浆孔，利用PVC 注浆软管进行注浆加固。

2.1 灌浆孔的布设

保证所有被加固结构都在平面的一定深度范围内，将所有稳定地基连成一整体。 在沉陷的缺陷区域内按2～3 m 公司起布置注浆料口，布缝处为避免损伤路床结构，尽量距路肩1.5 m。 按梅花形方向布置三排孔。

孔深应以PVC 注浆制动软管长度入原始状态土1 m 左右为宜，土层的最大深度不得大于10 m。裂缝宽度小于1.5 cm 的采用间距b 为2.5 m×2.5 m注浆处理； 裂缝宽度1.5～2.0 cm 的采用间距b 为2.0 m×2.0 m 注浆处理；裂缝宽度2～3 cm 的采用间距b 为1.5 m×1.5 m 注浆处理。 钻孔的选择由施工单位或总监按照此原理当场决定（图2）。

图2 沉陷路段注浆示意图

2.2 成孔技术要求

（1）用XY-100 型液压钻机，或用SM-400 钻机、干钻头等撞击成孔，最大钻进口径φ91 mm。 上部层通常用金刚石钻具穿孔，也会先穿底基层再用合金钻具或锥形探头至终孔深部；（2）钻孔时要保证垂直方向平顺，最大倾斜度不超过1 cm，孔内清洁干净；（3）钻孔口径与孔深严格按照规定尺寸的终孔。

2.3 PVC 注浆软管及注浆管道

（1）采用φ50 mm 的PVC 软管制作；（2）各距地面20～25 cm， 旋转450 钻φ5～6 mm 的对穿射浆洞，上部1.5 m 不进洞。 PVC 注浆制动水带的射浆口以外用药物胶布封好，胶带沿射浆口眼整体型缠成3 层，每隔约30 cm 缠绕一圈固定，缠绕前先把管壁重新清洗一遍，用胶带压平再黏固，在下入钻孔处尽可能居中，以确保密封胶粘剂带在使用中不被损伤；（3）软管固定时要使软管的中间部位，即所谓的长度，在此方向的情况下，软管在接受轴向载荷后能有2 个位移方向，否则如果仅有1 个横向位移，就会降低制动软管的质量，从而减少使用寿命。

2.4 压浆技术要求

浆液注射方式共分为2 段， 第1 个采取静压（自流式）注浆方式，第2 个采取分段劈裂注浆方式。按每1 m 定点分期劈裂。 其方法：（1）将高压注浆管道直接连接在PVC 注浆料水带上，再通过自流式静水压力浇注，当孔中出现溢浆现象，立即停机浇注。经过规定的最初凝析的时间后，在孔口处将用砂浆基层料加水的溶液均匀灌注孔中， 并补平封堵孔中；（2）在第1 次注浆材料5～6 h 后进行二次分段劈裂注浆材料。 在单向制动水带中，嵌入双向密封的注浆芯管进行分层注浆方法材料时，先提高注浆压力使浆顶开贴胶布，再挤破胶带层，使水泥体发生劈裂，并沿着缝隙延伸，延展范围受注浆方法材料压力、时间、水泥比重、土层类型等各种因素的共同作用，在最底层每1 m 注浆方法材料1 次，当各个层次的注浆方法材料均满足压力设计规范要求时，再自下而上逐次推进芯管完成施工。 待全洞浇筑完毕，进入下一次浇筑孔。 灌注完毕后，清除管内残余浆液。

2.5 注浆压力及浆液配比

灌注材料用P32.5R 普通硅酸盐砂浆， 和水泥混合后搅拌而成纯混凝土浆液。 第1 次浇注时使用静水压力自流型，水灰比使用1∶0.8；第2 次劈裂注浆料终灌水压为0.8～1.2 MPa 并持荷固定时限，具体时限在经过测试后再决定。 若水灰比采取0.5～0.8∶1 或依据场地的实际状况适当调节，可获得最佳效果；注浆料结束，及时用清液冲刷注浆料管，以防止管中的沉浆凝固，避免堵管现象发生。

2.6 注浆量的控制

混凝土灌注的砼管用量应根据施工现场状况，或依据路基填料的不同特性以及依据被护结构上所覆搭板的强度和沉降情况的变化情况而进行调整。 一般情况下，应遵守以下的参数规定：最大单孔砼浇注流量为150～200 kg/m。

2.7 封口及路面补平

（1）注浆施工完毕后，割除顶部8 cm 区域内的PVC 注浆软管，用钻机上下斜向45°开3 条口径2.0 cm、深18 cm 的孔（三条孔成“品”字型布置）并灌注植筋胶，随即再植入3 根20 cm 的φ12 钢筋直径管，并相互连接。 钢筋混凝土固化完毕后，再用环氧树脂类的填料充满孔口以及路面标高，填料须充分调配至类似于混凝土颜色；（2）在灌浆结束时，将路面下陷区的地面全部凿毛，并铺设聚砜树脂瓜米石至原设计标高。 全部作业须一次性进行，避免二次冲击道路。 全部作业完成后，及时打扫清洗场地，彻底把道路冲刷一遍，切实保持道路干净，方能离开施工现场。

3 路基监测

3.1 监测目的

根据高速公路的现状工况条件、 拓宽工程确定拟采用的技术方案，监测主要为了达到以下目的：（1）监控整个注浆施工过程中路基的稳定性；（2）了解注浆后路基之间的沉降规律和差异沉降；（3）了解在新增荷载作用下，路基下卧土层附加应力变化情况；（4）了解复合地基的力学与变形性状。

3.2 监测内容

根据上述监测目的以及目前的监测技术水平，建议进行下列项目的监测：（1）测斜管的侧向位移观测，主要用于监控在施工过程中路基的整体稳定性；（2）沉降标，路基上的沉降标用于观测路基的沉降规律和分析差异沉降；（3）研究高速公路不良填土路基的沉降规律；（4）预测沉降趋势，估算路基沉降并验证结果正确性。

3.3 监测技术要求

（1）埋设要求。 根据相关的技术规范或标准，结合监测项目的特点，提出本监测项目的埋设要求，并报有关方面审批；（2）观测频次。 监测频率应根据地质情况、设计施工图要求和有关规范规程及监测建议确定。施工期间监控频率可参照表2，观测频率应与变形速率相适应，变形速率小，观测频率可适当减小；变形速率大，观测频率应适当增加。 当变形曲线突然变陡时，要跟踪加密观测，分析原因，并确定是否需要采取措施；（3）资料整理。 监控资料要求当天整理及时分析；分析路堤的稳定性，如果分析结果表明情况异常，须立即通知有关部门，采取相关措施保证路堤的稳定。

表2 监测频率

3.4 土体深层水平位移监测

该监测点高速路堤旁下边坡水沟外侧布置18个土体深层水平位移监测点：AK1～AK10、BK1～BK8，共累计完成10 次监测。 采用精度便携式测斜仪测量（图3），详细点位见图4。

图3 精度便携式测斜仪

图4 监测点布置示意图

本阶段、AK4、AK5、AK6、AK7、AK9、AK10、BK1、BK3、BK4、BK5、BK8 本阶段未见变形反应，其余各点的波动变形方向、累计位移和阶段位移见表3，典型变化见图5。

图5 土体深层典型水平位移变化

表3 土体深层水平位移变化

3.5 地下水动态变化监测

根据JTG/T D31-02-2013 《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》规范要求，采用地下水位计进行地下水位测量，共累计完成10 次监测。 地下水动态变化监测点位与土体深层水平位移监测共用（图6），孔位埋深见表4。

图6 地下水位计

表4 地下水动态变化监测孔深

本阶段监测AK1-AK10、BK1-BK8 地下水位小幅波动，监测显示该坡地下水埋深较浅，具体情况见图7。

图7 地下水位测量

4 路基病害处治后地表宏观变形巡查

路基病害处治结束后，对路面宏观变形巡查结果见图8。

图8 病害处治后路面巡查情况

5 结论

（1）软土地区高速公路路基沉陷采用注浆技术进行修复即在路面设置注浆孔， 利用PVC 注浆软管进行注浆（自流式）+分段劈裂注浆加固效果尤佳；（2）采用沉降观测标及测斜管可及时监测软土地区高速公路路基的沉降规律和路基整体稳定性、土体深层水平位移及地下水动态变化。