溝谷型軟基內的涵洞常見病害及地基處治

胥 龍

(四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川 成都 610041)

0 引言

隨著我國基礎設施建設的高速發展，高速及高等級公路廣泛向丘陵、山區地帶推進。涵洞工程作為排水、通道構造物，是公路工程不可或缺的重要結構。通常公路工程所涉及的地質條件復雜多變，不少涵洞修建在山間谷底的軟弱地基上，若涵底軟基處治不當不僅可能導致出現較大不均勻沉降，形成排水不暢、路面起伏，還可能導致結構變形、開裂，嚴重影響其使用功能及公路運營安全。

1 山間谷地軟弱地基

山間谷地因為其特殊的地形、地質及排水條件，往往溝谷中心軟基厚度較大(一般厚幾米至十余米)，兩側臨近山坡處軟弱地基厚度急劇減小。此類軟弱地基不僅具有軟土抗剪強度低、天然孔隙比大、天然含水率高、滲透系數小等特點，而且沿路線短距離范圍內軟基厚度變化大，極易在路堤荷載作用下出現較大不均勻沉降。盡管通常要求涵洞布設于溝谷兩側軟基厚度較小的地方，實際工程中仍不可避免地建設在軟基較深、厚度變化大的路段。因此，因軟基處治不當帶來的涵洞病害尤為常見。

2 涵洞常見病害類型

目前公路工程中所采用的涵洞型式主要有[1]：鋼波紋管涵、圓管涵、蓋板涵、箱涵等。布設于山間谷地內的涵洞病害主要有：圓管涵因涵洞中部沉降較大，出現涵洞淤塞、涵身縱向開裂、基礎不均勻開裂、涵身節段相互錯移等；蓋板涵、拱涵進出口翼墻、一字墻墻身開裂、涵身沉降縫變形、基礎斷板開裂等；箱涵主要表現為涵洞頂路基出現凹陷、隆起等現象，涵身頂、底出現裂縫(見圖1，圖2)。

出現以上病害的原因主要是由于軟基處治方法不當或處治范圍不徹底，在填土荷載作用下出現較大的不均勻沉降或工后沉降。

3 涵洞軟弱地基處理措施方法

為減小山間谷地內的涵洞病害，須強化軟基處治措施，保證處治后的基底具有足夠的承載力和較小沉降(包括不均勻沉降和工后沉降)。通常應用于溝谷型軟基處治方法分為淺層和深層處治兩大類。根據工程實踐，通常將軟土厚度小于4 m劃分為淺層軟基，處治方法主要為換填法、拋石擠淤法、淺層加固法。厚度不小于4 m的劃分為深層軟基，處治方法主要有水泥攪拌樁法、強夯置換法、擠密碎石樁法、CFG樁法、PHC管樁法等。

3.1 淺層軟基地基處治

當軟基深度小于4 m時可以選用的方法有換填置換法、拋石擠淤置換法、淺層加固法等。

3.1.1 換填法

將原位軟土挖除，選用碎石、砂礫石等分層填筑并壓實，這類填料強度較高、透水性較好，可以顯著提高原位基礎承載力，減少沉降量。

3.1.2 拋石擠淤法

通過拋入一定規格的石塊，將淤泥擠出，從而提高基礎的承載力，此法通常用于淤泥場地或常年積水的洼地(見圖3)。

3.1.3 淺層加固法

通過在軟弱地基中摻入一定量的水泥和生石灰，利用土體與水泥和生石灰之間所產生的化學作用，從而改善土層的性質，起到加固土體強度的作用。

以上三種方法施工簡單，是工程上常用的處治方法，但只能夠處理深度在4 m范圍內的軟弱地基。

3.2 深層軟基地基處治

為提高涵洞基底土體承載能力，盡量減小工后沉降，山間谷地軟基主要采用復合地基或剛性地基處治方法，一般不采用單純固結排水法，如塑料插板、袋裝砂井等。

3.2.1 水泥攪拌樁法

該法采用攪拌機在原位將水泥粉或水泥漿同地基土拌和，通過水泥—水—土間的相互作用形成水泥土柱，進而提高地基承載力，減少沉降。通常可以根據地基土的含水率高低選擇拌和方法，此外為提升拌和效果還可以采用雙向攪拌的施工工藝。若原位地基土內塊石含量較高則該法不適用。

隨著攪拌樁的不斷改進，目前已推廣應用釘形水泥土雙向攪拌樁。該法是在水泥攪拌樁施工期間，由施工器具自身的傳力系統，分別帶動鉆桿上的內外拌和葉片同時相向旋轉拌和。通過鉆桿上攪拌和葉片的伸長和縮短使樁身上部尺寸增大，形成釘子狀樁體。不僅具有傳統水泥攪拌樁的優點，同時還具有施工振動小、環境污染小，成樁質量可控等優點。適用于處理粘性土、粉土、淤泥質土和淤泥地基。

3.2.2 強夯置換法[3]

此法采用強夯機械在軟土地基上沖擊，形成有序排列的坑槽，隨后在坑槽內投放碎石等粗骨料后，再次使用對原位進行沖擊，最后形成強夯墩。強夯置換形成的碎石墩作用骨架與未置換土體形成復合地基，共同承受荷載。該方法施工簡單、工藝成熟，適用于處治低飽和度粉質土、雜填土、軟粘性土、素填土等。但施工時產生的噪聲、震動較大，同時對于厚度大于6 m的軟基應謹慎采用。

3.2.3 碎石擠密樁[4]

該法同強夯置換法原理一致，都是將軟土地基改造成復合地基從而提高地基承載能力(見圖4)。不同的是此法是通過沖擊、振動或水沖等方式在原位形成孔洞，然后在孔洞中填入碎石等材料，通過壓縮使碎石或其他材料進入地基中，將孔四周及底部土體擠壓密實，這些密實的樁體與樁間土相互作用能夠有效的提高地基承載力。該方法成熟穩定、對環境友好、加固效果良好。常常用于處治可液化土、粉砂土、砂性土等軟土地基。

3.2.4 CFG樁法[5]

CFG樁指水泥粉煤灰碎石樁，其主要成分包括碎石、粉煤灰、石屑或砂、水泥及水，它們經過混合、攪拌，利用各種制樁機制作而成。其強度較低且可變，強度等級一般不超過C25。CFG樁通過振動沉管或振沖成孔后，將樁料投入孔內成樁。通常在樁頂還會設置一定厚度褥墊層用于平衡樁與土之間的應力。這種方法使得樁與土共同參與受力能夠顯著改善地基土的承載力，且施工質量易控，機械設備成熟，但容易造成環境污染。常常用于處置粘性土、粉土、淤泥質土等軟土地基。

3.2.5 PHC管樁法[6]

PHC管樁是一種高強度混凝土管樁，其樁身強度通常不小于C80，PHC管樁采用先張法施工工藝，在嚴格的養護條件下制作而成。通常PHC管樁在工廠內預制為成品，然后在現場通過錘擊、靜壓等措施將其埋入軟土地基內。使得地基形成承載力較高的復合地基。其優點有機械化程度高，環境友好。相同條件下單樁承載力較鉆孔或人工挖孔樁大，能夠有效提高樁端承載力及樁周側摩阻力，抗彎、拉性能好、樁身耐擊打、穿透力強、樁基檢測方便。適用于細砂、粉砂、粘性土、粉土、淤泥質土、人工填土等軟土地基。

3.2.6 釘形水泥土雙向攪拌樁

該法是在水泥攪拌樁的基礎上進行研究而開發出來的，在水泥攪拌樁施工期間，由施工器具自身的傳力系統，分別帶動鉆桿上的內外拌和葉片同時相向旋轉拌和。通過鉆桿上攪拌和葉片的伸長和縮短使樁身上部尺寸增大，形成釘子狀樁體。該方法具有傳統水泥攪拌樁的優點，同時還具有施工振動小、環境污染小，成樁質量可控等優點。適用于處理粘性土、粉土、淤泥質土和淤泥地基。

4 涵洞病害處治方法

在涵洞出現沉降變形、開裂等病害后，由于特殊的邊界條件，譬如空間狹小、需要公路保通或管制通行，涵洞處治方法應結合場地條件因地制宜。通常的處治方法包括涵背或涵底注漿、小直徑鋼花管加固、修復開裂破壞的涵身及基礎等。以某高速公路建設于山間谷地內的涵洞為例，介紹小直徑鋼花管加固的病害處治方法。

某高速公路一處蓋板涵修建于山間谷地內的軟基上，原設計采用換填沙礫石處治軟基，因為軟基厚度較大，換填深度未能徹底。由于軟基固結時間長、不均勻沉降量大，高速公路運行通車一段時間后發現涵洞墻體開裂，裂縫寬0.5 cm～5 cm，且裂縫從墻頂向下逐漸蔓延，系不均勻沉降造成的拉裂所致，需要加固處治(見圖5)。

針對涵洞病害特征，為盡可能減小對公路運營的干擾，通過方案論證、采用涵洞內向基底斜打小直徑鋼花管加固(見圖6)。通過鋼花管內壓力注漿對涵洞基礎以下的軟粘土進行加固處治，提高地基承載力、消除差異沉降。鋼花管采用φ108 mm，于涵洞中心線兩側各0.65 m，對稱設置兩排鋼花管，鋼花管間距1 m，鉆孔方向與地面夾角成50°，灌漿范圍為涵臺底部2.75 m鉆孔區間內，注漿完成后，上部2.25 m鉆孔直接注漿封堵。

根據沉降觀測資料，經過處治后涵身側墻變形開裂未持續發展，鋼花管壓力灌漿擠密法對此類病害效果良好。

5 結語

位于山間谷地軟土地基上的涵洞若處治方法不當，會導致涵洞不均勻沉降、涵身節段錯移，嚴重的還會威脅到公路路基的安全。本文提供了目前工程中通常使用到的布設于山間谷地軟弱范圍地基處治辦法、適用條件，并針對涵洞病害提出了實用處治方法，通過某高速公路涵洞病害處治驗證，效果良好，可推廣應用于類似工程。