黃土地區公路路面沉陷處理分析與對策

董英杰

(遼寧省交通規劃設計院，遼寧 沈陽 110166)

1 概述

黃土的孔隙比在1.0左右或更大，多有肉眼可見的大孔隙，顆粒間具有較大的結構強度，在天然干燥狀態下承載力較高，可達150 kN/m2～200 kN/m2。但黃土在自重或一定荷載的作用下，受水浸濕后，黃土結構迅速破壞并發生顯著的附加沉降，以致其上的建筑物遭到破壞。這是黃土具有的特殊工程性質，具有這種性質的稱為濕陷性黃土。公路工程作為一種線狀建筑物，穿越的地形地貌復雜多變，位于黃土地區的公路項目不可避免的要穿越濕陷性黃土路段，由于受工程造價控制，多采用挖方段的黃土填筑填方段的路基，如果設計方案考慮不周或施工處理不到位，極易引起路界內外的匯水入滲，導致黃土地基及黃土路堤產生濕陷性，引起公路路面的凹陷開裂等情況，影響工程質量和行車安全。

2 黃土地區公路路面沉陷的原因分析

2.1 常用的黃土地基處理方法

根據黃土的特點和建筑物類別的要求，黃土地基處理主要從消除黃土的濕陷性和阻止水分的入侵兩個方面考慮。消除黃土的濕陷性的方式按處理深度能力從淺到深分為沖擊碾壓、強夯、灰土樁、樁基等幾種，阻止水分的入侵主要考慮采用灰土墊層和防滲土工布等。多數工程設計方案綜合采取兩類措施。

2.2 黃土地區公路路面沉陷的原因分析

1)從工程勘察角度看，公路工程面長點多，平均造價低、地質變化多，不像單體建筑可以詳細布點，較徹底的查明黃土的細微變化和各種物理力學特性來指導設計。線狀工程只能通過盡可能合理的布設勘探點來了解路線內的地質情況，精度難以達到單體建筑的程度，可稱為“一孔之見”。公路工程多位于野外，遇到的地形地貌和地質的變化遠非城市所能比，也難有周邊工程可供類比，可以說每一條沖溝、每一個山丘和谷地的沉積條件、濕陷黃土層厚度和濕陷程度均不同。這就造成優秀的勘察和設計工作者也難以在有限的條件下完成完美的設計作品。受勘測條件限制，設計中難以準確把握每一路段的細微變化而采用準確的處理措施，況且頻繁變換處理方式和處理強度在工程實施中也是不現實的。2)從工程設計角度看，由于現有的技術手段處理的濕陷性黃土厚度有限，而高路堤的附加應力影響深度較大，從工程實施的經濟性和處理的難易程度角度看，只能將表層濕陷性較大的影響工程質量的部位處理好。例如對于橋涵構造物與路基的銜接部位，極易產生差異沉降，設計中做重點處理，而一般路段考慮均勻沉降對于公路運營后影響較小，設計中做一般處理，因此不同路段之間及同一路段不同填高、不同黃土厚度情況下均會產生沉降差異。3)從工程施工角度看，施工場地條件千變萬化，施工機具難以完好的處理到路基的各個部位。例如:黃土沖溝溝壁深而且陡，采用灰土樁或強夯等處理，機具均難以處理到位，個別位置甚至難以處理，而且沖溝在雨季中極易受水浸淹，產生黃土濕陷，因此一般黃土沖溝路段多是路基沉陷病害多發路段。又如在方圓幾十千米甚至幾百千米范圍均為黃土的地區，想得到理想的路基填料極為困難，遠運利用造價昂貴，多采用CBR試驗等指標滿足規范的黃土填筑路基或黃土摻灰土，因此正常情況下滿足使用要求，但如果局部存在積水匯水或摻拌、碾壓不到位時，黃土路基易產生凹陷、邊坡滑塌等病害。4)從公路運營角度看，基于以上的不利因素，使得公路局部路段形成了薄弱部位，隨著時間而不斷發展，特別是水的作用，黃土濕陷的病害進一步發展，造成路面凹凸不平，形成積水匯水并不斷惡性循環。另外目前我國重載交通比重大，超載現象廣泛存在，因此對于路基路面的損壞較大，尤其是多車道公路，在大車道和小車道之間形成明顯的不均勻沉降。目前我國公路在養護的投入上較為薄弱，很多公路路段位于較為荒僻的地區，對于公路養護提出了更高要求。

3 黃土地區公路運營期沉陷處理的特殊要求

根據以上對于黃土地區公路病害形成原因的分析，可見濕陷性黃土作為一種不良地質對于公路建設質量和運營安全的影響是巨大的，運營期的病害處理是必須考慮的。由于公路運營期的特點決定我們處理的方式必然與施工期不同。

首先由于路基的填筑和路面的鋪設和保證通車，因此難以對于病害部位采取挖除進行地基處理的方式進行，盡量采取工程作業面小、社會影響小、施工期短和造價低的措施。

其次在養護大修中必須根據以上分析從勘察設計施工到管理各個環節分析產生病害的原因才能對癥下藥，不分析原因盲目修補不能根本解決問題。

另外處理的時效性要準確把握，需各個部門通力合作。例如公路剛通車試運營到竣工驗收一般有1年～2年，這是各種病害集中爆發期，也是建設工程的保修期，因此應積極利用這一時期，在建設單位的主持下，在設計施工監理單位的積極配合下，盡量在竣工驗收前將問題基本解決。

4 黃土地區公路運營期沉降的主要技術措施

4.1 高壓旋噴樁處理黃土地基

分析產生病害的原因，應從地質條件開始，對于由于地質條件有變異，濕陷性黃土厚度有變化或濕陷等級有差異的情況，綜合分析其他因素后，可將黃土地基產生濕陷性作為病害的主因加以處理，再輔以其他技術措施。此種病害類型的確定必須慎重考慮，不能確定時應增加地勘和室內試驗加以印證，因為同建筑物的后期地基處理一樣，后期處理黃土地基費用是最高的，所能采取的措施又是有限的。能保證基本不破壞路基路面，施工機具方便靈活且工期較短的處理措施是高壓旋噴樁。

高壓旋噴樁是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進至土層的預定位置后，以高壓設備使漿液或者水成為高壓流從噴嘴噴出沖擊破壞土體，噴嘴旋轉則形成柱狀水泥加固體。施工占地少、振動小、噪聲較低，有局部泛漿對環境有一定影響，成本較高。高壓噴射注漿法適用于處理淤泥、淤泥質土、流塑、軟塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地基。高壓噴射注漿法分為單管、二重管、三重管和多重管法，區別在于高壓沖擊破壞土體的介質不同，形成的樁體直徑依次變大。單管法采用20 MPa以上高壓噴射漿液破壞土體，成樁直徑最小(0.5 m～0.8 m);二重管法同時噴射高壓液體和空氣，固結體直徑明顯增大;三重管法分別輸送水、氣、漿沖擊土體，形成更大直徑固結體;多重管法采用高壓水流切削破壞土體后用真空泵抽出泥漿，在地下形成較大空間再充填各種材料。黃土路段不適用射水的三重管和多重管法，因此造價最低廉的單管法較為適用。

高壓旋噴樁的成樁后狀況與水泥濕噴樁類似，均是形成水泥土樁體，只是旋噴樁通過高壓噴射破壞土體成樁，濕噴樁通過葉片攪拌土體成樁，水旋噴樁處理深度可達30 m以上。由于水泥土樁體強度增長慢，可加入氯化鈣、三乙醇胺等外加劑促凝、早強。水泥摻入比約15%，水灰比一般1∶1。在原地面位置可加強復噴，提升到路基部位由于高壓旋噴不如灌漿的效果，旋噴樁終樁高度一般為原地面，噴頭再向上提升改為壓力灌漿。

對于路基，利用高壓旋噴的鉆孔進行水泥粉煤灰漿體灌注，粉煤灰中SiO2，Al2O3和Fe2O3，CaO等含量應大于85%～95%，燒失量不宜大于4%～8%，摻入含量為20%～30%，建議水灰比采用0.8∶1～1∶1。

本方案的優點是技術成熟施工迅速，對既有建筑擾動小，缺點是造價較高，為隱蔽工程，泛漿易污染環境，可考慮回灌路基的空隙和裂縫。

4.2 路基壓力注漿(灌漿)處理路基

路面沉陷頻發部位多集中在橋涵臺后、涵頂、沖溝和填挖結合部位，這些部位也是路基施工質量較難控制之處。如臺后換填材料質量及其壓實、沖溝處填筑厚度及其壓實、沖溝溝壁臺階的開挖和壓實、填挖結合部的基底壓實和挖方段換填厚度、灰土拌合質量，路基填筑黃土由于滲水產生濕陷性下沉等。對于地基處理符合設計要求，產生病害的原因是路基碾壓不實或產生濕陷性時，可采取鉆孔壓力注漿(灌漿)處理路基。一般采用水泥漿液，如采用滲入性灌漿，則先按地基處理手冊進行理論計算初定鉆孔間距，再在實際工地進行試灌修正。對于滲透性較差的路基填料，可采用壓力注漿，一般壓力不大于2 MPa。

4.3 排水隔水措施的完善

路面沉陷現象頻發部位也是排水、匯水的重點破損位置，水的匯集和滲流可能導致路基以及地基浸泡軟化引發路基變形，常見如下幾個方面:

1)路面下沉加鋪后高緣石變為平緣石甚至低洼，集中排水設施失效，局部變為散排水，滲入路基。此種情況應及時上抬路緣石，修整泄水槽出口，將路面水引入路基邊溝，防止路面水滲入土路肩。

2)泄水槽、填挖交界急流槽破損嚴重，水分入滲邊坡影響路基。應修整破損的泄水槽和急流槽，槽下的墊層應采用防滲的灰土墊層。

3)超高段中分帶集水井由于路面沉陷加鋪或綠化培土致使進水口堵塞、井內淤積、路緣石下沉等，嚴重削弱排水功能。道路中分帶的排水系統必須完善，超高段的集水井和橫向排水設施應保持暢通。一般路段也應設置中分帶排水溝，不能采取直接培土的方式，防止水分的入滲引起黃土濕陷。

4)縱向邊溝排水不暢，未能按設計標高和縱坡施工，造成局部路段邊溝積水。此種情況必須調整邊坡縱坡將水盡快排至路界外，防止積水下滲影響黃土地基。

針對黃土遇水濕陷的特性，因此疏通排水網絡和做好路基路面的防水措施是最為經濟易實現的措施，應按各種狀況分析排水設施的不足，采取相應的解決措施。

[1] 《地基處理手冊》編委會.地基處理手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，1996.

[2] GB 50025-2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[3] JTG D30-2004，公路路基設計規范[S].