抗滑樁與灰砂樁綜合設計在路基沉陷處治中的應用

秦小超

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

隨著社會經濟的持續快速發展，人民生活水平顯著提高，作為大型基礎建設的公路，受到了國家和各級政府的高度重視，其中以高速公路最為明顯，截止今年，全國高速公路通車總里程已超13萬km，高標準建設的高速公路，輔以不斷新建及修復的國道、省道、縣道等，在全國范圍內形成四通八達的公路網，將各個城市有效連通起來，為人們生活帶去了諸多便利，為各省、市、縣的經濟發展提供了強有力的保證，確保各地處于經濟發展的大潮中，高速公路憑借其由近及遠、由強到弱的高效輻射效果成為地方政府近些年建設規劃的重點工程。隨著高速公路的不斷高速建設發展，在建設和運營過程中出現的問題愈發集中，其中路面病害和路基病害成為制約高速公路通行能力的主要因素。路面與路基病害產生的原因有很多，同時進行處治的方法也比較多，例如挖除重填、固化劑處理、灌漿和設樁等處治方法。本文從工程實際出發，綜合考慮路基沉陷狀況，采用抗滑樁與灰砂樁綜合處治方法，為設樁處治提供工程依托。

1 工程概述

1.1 項目概況

本工程位于霍永高速，對應施工圖設計設計樁號為K38+870～K38+930段右幅。霍永高速全稱為霍州至永和高速公路，是山西S70黎永高速的霍州至永和關段，山西省高速公路網規劃“三縱十二橫十二環”第九橫的組成部分，也是國家G22青蘭高速的聯絡線國家G2211長延高速的重要組成部分。全線采用四車道高速公路標準建設，設計速度為80 km/h，路基寬度為24.5 m。

1.2 路基沉陷勘察結果

勘察工作以《公路工程地質勘察規范》(JTG C20-2011)為原則，綜合采用工程地質調繪、鉆探和取樣測試三種方法。從路基病害現狀可以看出，K38+870～K38+930段右幅路基產生了滑移破壞，在右幅路面上產生2道縱向弧形裂縫，如圖1。其中一條裂縫從K38+875處的右側路基邊緣蜿蜒至K38+900處中央隔離帶附近，然后又沿弧形延伸至K38+930處的行車道，裂縫全長約80 m，裂縫水平寬度2～3 cm，垂直落差約1 cm；另一條裂縫從K38+890處行車道中央沿弧形延伸至K38+930處的路基邊緣，裂縫水平寬度3～6 cm，垂直落差約8～10 cm。

圖1 裂縫遠景照片

本路段屬溶蝕侵蝕中化工程地質區，病害路基為半挖半填路基，共布設兩處鉆孔揭露的地層情況，綜合兩處鉆孔巖芯來看，10.0 m以內是回填路基土，其中1.0 m為路面結構層，其余為交錯的粉土回填層和卵石回填層。10.0 m以下是原地基，12.0 m以內以粉土和粉質黏土為主，12.0 m以下以強風化的灰巖和泥灰巖為主?？辈旆秶鷥任匆娍斩春偷叵滤?。綜合鉆孔揭露的地層情況可見，在填土與原狀土界面附近的巖芯很濕軟，抗剪強度低，此處樣品含水率為24.6%～25.7%，液性指數為0.78～0.92，抗剪強度指標C=(10.1～19.5 KPa)、φ=(10.3°～13.1°)。

1.3 路基沉陷原因分析

經調查，此段路面在2017年9月份產生路面裂縫和沉陷，業主對路面結構層采取銑刨上面層瀝青路面重新進行鋪筑，在實時監測中，路面于2018年3月份中旬開始重新出現裂縫，4月份裂縫出現加劇擴展勢態，進入年中，裂縫寬度與長度持續增加。根據地質與水文條件，分析病害產生的原因是地表降水沿路面縫隙進入路基后，一部分滲入路基土體，另一部分沿填挖界面下滲，造成路基濕軟，并在填挖界面附近形成軟弱帶，導致路基產生滑移破壞。

2 處治方案

鑒于此段路面去年出現類似狀況，已采取銑刨上面層瀝青路面重新進行鋪筑的方法沒有實現對問題的有效處理，路面裂縫于半年后重新出現，故表面鋪筑僅能達到短期效果，治表不治里，而行車安全的長期性是高速公路運營最關鍵的保障，只有對出現的問題進行根治，才能最大限度的保持高速公路的行車安全和高效通車能力，經過分析討論，最終決定采用抗滑樁支擋+灰砂樁加固+路面修復的措施進行治理。

抗滑樁在高速公路路基滑坡治理中的工作原理具體是通過自身將滑動面傳來的滑坡推力傳送給其嵌入的下部分土體或巖體中，并依靠自身下部阻力對上部的滑坡推力進行協調，從而使路基滑動面兩側保持穩定平衡。它的主要優點是擾動小以及治理效果好，結構長期穩定性好，具有較高的可靠性。

灰砂樁的工作原理是用生石灰、砂混合均勻后在孔中搗實而形成樁體，生石灰吸收基層水分膨脹而使土基及損壞的穩定土擠緊，提高其承載能力，減小變形；同時生石灰吸水膨脹后，石灰同周圍物質發生一系列物理化學反應，使灰砂樁形成具有一定強度的柱體，對路面基層起到加固作用。其優點是既能有效擠密樁間土，提高密實度，消除濕陷性，又能有效降低土體含水率，改變土體狀態。同時灰砂樁脹化過程中與砂形成堅硬固化物，且隨齡期的增長而提高，灰砂樁與樁間土形成復合地基，大大提高地基承載力。

2.1 路基穩定性分析及滑坡推力計算

(1)穩定性分析

這段路基在霍永高速通車至今，路面裂縫逐漸擴展、增多，局部路基出現下沉，且路基底部擋墻也產生了傾覆變形跡象。這些情況表明路基處于蠕滑階段，屬于欠穩定狀態。

(2)滑帶土強度指標確定

在綜合考慮路基實際穩定狀態和樣品剪切試驗指標的基礎上，為獲得更接近真實情況的指標，采用反算的方法確定滑帶土的強度指標。

根據勘探和試驗結果，取正常工況下滑體的重度γ=19.8 KN/m3，連續降雨條件下滑體的重度γ=21.2 KN/m3，另外從滑帶土的強度指標看C值離散性較小，φ值離散性相對較大。因此，選取C值，反算φ值，計算結果見表1。

表1 滑動土強度指標表

(3)滑坡推力計算

滑坡推力計算采用《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)中要求采用的傳遞系數法進行計算，其算法原理為

Ti=FsWisinαi+ΨiTi-1-Wicosαitanφi-CiLi

(1)

Ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(2)

式中：Ti、Ti-1為第i塊和第i-1滑塊的剩余下滑力；Fs為穩定安全系數；Wi為第i塊的自重力；αi-1、αi為第i塊和第i-1滑塊對應滑面的傾角；Ψi為傳遞系數；φi為第i滑塊滑面的內摩擦角；Ci為第i滑塊滑面的巖土粘聚力；Li為第i塊滑面的長度，m。

根據資料查得，K38+870～K38+930段所在位置基本地震動峰值加速度為0.15 g，根據《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)和《公路工程抗震規范》(JTG B02-2013)需要進行地震工況下的驗算，因此計算需考慮三種工況：正常工況、非正常工況Ⅰ(連續降雨)和非正常工況Ⅱ(地震)，不同工況下穩定安全系選取較大值。計算過程運用理正巖土軟件進行計算，計算結果見表2。

表2 不同工況下滑坡推力計算表

2.2 具體處治方案

霍永高速施工圖設計樁號K38+870～K38+930段右幅路基沉陷處治示意圖見圖2。

圖2 路基沉陷處治示意圖

(1)抗滑樁設置

根據剩余下滑力的計算結果，距路基邊緣0.5 m處采用1排抗滑樁進行支擋，共布設20根樁，樁長為18 m，樁徑為1.5 m，樁中心距3.0 m，抗滑樁縱向鋼筋為直徑32 mm的HRB400鋼筋，樁身采用C30混凝土澆注，混凝土骨料粒徑不大于60 mm，水泥采用強度等級為42.5級及以上的普通硅酸鹽水泥，自下而上振搗澆注。

(2)灰砂樁設置

布設7～8排灰砂樁，降低路基土含水量，灰砂樁樁長為12 m，樁徑40 cm，按照梅花型布置，樁中心距1.2 m。灰砂樁填筑灰砂體積比為7∶3，石灰采用生石灰，砂采用級配良好的中粗砂；樁頂1 m采用C20水泥混凝土搗實封頂。

(3)路面重新鋪筑

路面銑刨至路面基層頂部，重新鋪筑路面結構。路面結構采用4 cmAC-13細粒式SBS改性瀝青混凝土+6 cmAC-16中粒式普通瀝青混凝+6 cmAC-16中粒式普通瀝青混凝土，瀝青層間灑布改性乳化瀝青粘層油。待抗滑樁、灰砂樁施工養護完畢后，清掃路面，灑布一層透層油；噴灑透層油后鋪筑稀漿封層，封層的厚度不宜小于6 mm。

3 施工注意事項

抗滑樁與灰砂樁的綜合設計，在以往的路基沉陷處治中應用并不廣泛，在此需全面考慮兩種樁體施工時的注意事項。

抗滑樁施工注意事項具體如：(1)樁身開挖時應跳槽開挖(隔2挖1)，待第一批施工樁混凝土強度達到75%后，方可進行第二批樁的施工。開挖過程中，要隨時觀測坑壁，及時防護。進入基巖后，要以淺眼松動爆破為原則，嚴格控制爆破用藥量。(2)縱向受力鋼筋由等長鋼筋束組成，鋼筋束沿樁周均勻布置，每束由3根直徑均為32 mm的HRB400鋼筋組成，鋼筋之間用單面焊縫固定連結，每隔2.0 m設焊縫一道。每道焊縫的厚度最小5 mm，寬度最小10 mm，長度最小40 mm。箍筋采用單根螺旋箍筋，螺距為20 cm。加強鋼筋環向布置，每1 m設一根。定位鋼筋焊接在鋼筋骨架上，鋼筋混凝土段每2 m左右沿圓周等距離焊4根，上下層錯開布置，豎向鋼筋與環向鋼筋的相交點必須全部綁牢或焊牢。(3)樁身采用C30混凝土澆注，混凝土骨料粒徑不大于60 mm。要有備用混凝土攪拌設備，以保證樁身混凝土一次澆筑成型。混凝土自井口傾落的自由高度不應超過2.0 m，澆筑前應先在底部填10 cm厚的水泥砂漿，當澆筑高度超過3.0 m時，應采用串筒、溜管或振動溜管使混凝土下落。待混凝土達到一定厚度時，進行振搗，澆筑與振搗按《混凝土結構工程施工及驗收規范》執行。

灰砂樁施工注意事項具體如：施工中按設計要求精確放樣，確保成孔位置的準確，成孔過程中可以采用間隔跳打的方式，以減少對原狀土的擾動；石灰砂回填鉆孔必須保證回填料密實，遇到較大石灰塊必須搗碎后才能回填；灰砂樁樁頂1 m采用C20水泥混凝土搗實封頂，防止出現冒頂現象。

4 結 論

高速公路的順利、安全通行對促進沿線各城市的經濟文化交流，加快各類資源的輸入與輸出，提高周邊城市整體經濟實力，實現共同富裕具有明顯作用。對高速公路建設期與運營期內出現的路基滑移和地基土含水率較高的現實狀況，結合抗滑樁與灰砂樁各自的作用及特點，提出兩者的綜合設計，從產生路面裂縫的源頭處治問題，治本達標，同時可操作性強，對周圍環境破壞較小，是一種貼合實際的綜合設計方案，值得類似路基病害處治設計借鑒與參考。