羅得把，米德才，葉瓊瑤

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

膨脹土包芯填筑路基變形開裂原因分析與處治

羅得把，米德才，葉瓊瑤

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

文章結(jié)合南寧外環(huán)公路工程實(shí)際，分析了該膨脹土包芯填筑路基變形開裂情況，揭示路基基底存在軟弱土層是膨脹性泥巖包芯筑填路基變形開裂的主要原因，場地微地形及特定地下水環(huán)境對路基變形開裂也有一定不利影響；提出采用壓力化學(xué)灌漿對基底軟弱土體及填筑土體進(jìn)行固結(jié)增強(qiáng)，并于坡腳設(shè)置微型鋼管群樁加鋼筋混凝土系梁加固穩(wěn)定路堤坡腳，處治效果良好。

南寧外環(huán)公路；膨脹土包芯利用；路基開裂；化學(xué)灌漿；微型鋼管樁

0 引言

南寧外環(huán)公路是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃“7918”網(wǎng)中“橫18”廣州至昆明高速公路的重要路段，于2009年6月23日開工建設(shè)，路線全長81.54 km，設(shè)計(jì)速度120 km/h，雙向4車道，路基寬28 m，于2014年12月26日建成通車。

K6+000～K29+600段自西北向東斜穿南寧盆地。南寧盆地是中國典型的膨脹性巖土分布區(qū)，以灰黃、灰白色粘土及灰綠、青灰色泥巖為典型代表。公路膨脹土路段挖方總量約為240萬方，為了減少膨脹巖土棄方占用更多的土地資源，公路修建期間，專門對膨脹土路堤包芯利用進(jìn)行了研究。

K9+700～K9+800是利用膨脹土包芯填筑路堤的段落之一，路段在鋪筑路面水泥穩(wěn)定碎石基層后，發(fā)生變形開裂。由于是利用膨脹巖土包芯填筑的路段，各方對開裂原因給予了高度關(guān)注，設(shè)計(jì)單位對開裂路段進(jìn)行了詳細(xì)勘察，對裂縫基本特征、路堤巖土體結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育區(qū)內(nèi)的微地形及水文地質(zhì)條件等進(jìn)行了綜合分析，查明了路基基底存在的軟弱土層是路基開裂根本原因。在查明原因的基礎(chǔ)上，制定了開裂路基的處治方案。從目前公路表觀看，路堤穩(wěn)定，路面平整，表明處治效果較好。這一案例為類似膨脹土路基的綜合治理方案設(shè)計(jì)、施工措施提供了一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

南寧外環(huán)公路K9+700～K9+800段為過水塘路段，勘察階段的軟土平均厚度為2.8 m，采用換填透水性良好的材料處理，但實(shí)際施工時(shí)換填不徹底，底層還存在軟弱土層，厚度為0.55～2.0 m不等。

路堤采用膨脹性泥巖包芯利用方案，以弱膨脹土作為路堤包芯填料，其脹縮總率≤0.7%，天然稠度為1.00≤ωc≤1.30；包邊土為非膨脹土，填料選用隔水性、施工碾壓性好的非膨脹性粘土，其標(biāo)準(zhǔn)CBR試驗(yàn)強(qiáng)度在3%以上，包邊寬度大于當(dāng)?shù)馗蓾裱h(huán)顯著影響區(qū)范圍1m。膨脹土包芯層約6m，路基按1∶1.5的坡率進(jìn)行填筑，高度為8～12m。

路堤于2011年3月開始施工，2013年7月完成級配碎石墊層及水泥穩(wěn)定碎石基層，于2013年10月14日發(fā)現(xiàn)路基出現(xiàn)四條裂縫：裂縫①，呈直線形，長67.8m，距路中心10.25m，寬度為1～30mm，其左側(cè)路面有輕微沉陷，起止樁號為K9+700～K9+767.8；裂縫②，呈直線形，長59.8m，距路中心4.6m，寬度為1～30mm，起止樁號為K9+725～K9+784.8；裂縫③，呈曲線形，長約10m，出現(xiàn)在K9+760位置；裂縫④，呈曲線形，長約13.6m，出現(xiàn)在K9+764右半幅位置，路緣石的邊界處水泥漿亦出現(xiàn)裂縫。路堤兩側(cè)邊坡不夠平整，雨水沖刷破壞較嚴(yán)重，局部路堤邊坡骨架鼓脹破壞，出現(xiàn)脫空斷裂現(xiàn)象。

2 路段地質(zhì)條件

采用地質(zhì)測繪、鉆探、探槽、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)等勘察方法，查明路基開裂的范圍、形態(tài)、規(guī)模、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件及巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，共完成鉆孔6個(gè)，取原狀土樣23件，原位測試43次，編制了若干工程地質(zhì)分析圖件和巖土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表。

2.1 地形地貌

場地屬剝蝕殘丘地貌。路段原始地形波狀起伏，地面高程為110～138m，坡度10°～15°；路基基底地形標(biāo)高111.60～109.65m。開裂段沿路線方向中間低兩頭高，橫向上由右向左傾斜。

2.2 巖土層結(jié)構(gòu)

開裂路段路堤可劃分為3大類6個(gè)巖土結(jié)構(gòu)層：

(1)第四系人工填筑層

③-4層：為路面的4%～5%水泥穩(wěn)定碎石基層及級配碎石墊層，呈密實(shí)狀，層厚0.75m。

③-3層：黃白色，成分為含砂粘土，土質(zhì)不均勻，局部含少量碎石、礫砂，呈密實(shí)狀，層厚1.95～3.00m。

③-2層：深灰色，為膨脹性泥巖包芯利用填筑層，成分為泥巖碎塊，局部含煤塊，呈密實(shí)狀。路基填筑時(shí)即為邊坡開挖后直接調(diào)運(yùn)填筑，層厚3.60～5.40m。

③-1層：黃、褐紅色，夾條帶狀白色，成分以粘土為主，局部含較多粉砂，呈密實(shí)狀，層厚1.95～6.30m。

(2)第四系殘坡積層②：粘土，灰黃、灰色，局部含較多粉砂，呈軟塑狀，層厚0.55～2.00m。

(3)新近系①：泥巖，深灰、灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，半成巖，巖質(zhì)極軟，遇水易軟化，失水易干裂，局部為粉砂質(zhì)泥巖。

路基土層分布如圖1所示。

圖1 路基土分布斷面圖

2.3 水文地質(zhì)

區(qū)域內(nèi)地表水主要為路基兩側(cè)的大水塘，左側(cè)水位為114.47m，右側(cè)水位為114.16m；水塘水位受人為因素影響大，會出現(xiàn)左高右低或左低右高的更替現(xiàn)象。該區(qū)域內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水，主要為地表水補(bǔ)給，鉆孔揭示的穩(wěn)定地下水位為110.80～112.40m，主要賦存于殘積軟土層及下部填土層內(nèi)。地表水位整體高于地下水，加上路基兩側(cè)水位的更替現(xiàn)象，當(dāng)左側(cè)水位高時(shí)，地下水向右側(cè)滲透，反之，地下水向左側(cè)滲透。

3 路基開裂原因分析

可以從路基巖土層特性、場地微地形及地下水等因素，分析路基開裂的原因。

(1)地基殘坡積軟弱土層的壓縮變形是路基開裂的根本原因

綜合分析路基各巖土結(jié)構(gòu)層的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)和主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(見表1)，可以看出：包芯利用的膨脹性巖土層③-2，雖然其自由膨脹率為41%，屬弱膨脹性粘土，但其表現(xiàn)出較好的力學(xué)特性，且各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)具較好的一致性。第四系殘坡積層②，為軟塑狀粘土，在路基各結(jié)構(gòu)層中性狀最差，標(biāo)貫擊數(shù)僅5擊，各項(xiàng)指標(biāo)均顯示其為軟弱土，其壓縮變形是路基開裂的根本原因。

表1 路基結(jié)構(gòu)層巖土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

(2)微地形

路基開裂處微地形總體呈縱向由兩頭向中間傾斜，橫向上由右向左傾斜，橫坡約為1∶32.8～1∶2.56，矢量方向與裂縫方向基本一致。在膨脹土地區(qū)，很小的地形高差就可能導(dǎo)致坡體或構(gòu)造物沿基底滑移或使這種滑移趨勢加大。因此，場地微地形對路基開裂有一定的不利影響。

(3)地下水

地下水主要富存于殘積軟土層及下部填土層內(nèi)，由于受地表水位更替變化影響，地下水總是向低水位方向滲透，路基處于微承壓不對稱的地下水動(dòng)力條件下，由于地下水的滲透會產(chǎn)生水力劈裂作用，加快通道的擴(kuò)張，路堤底部的軟弱土層受地下水的作用，其本身的水穩(wěn)性就差，再加上長期浸泡，力學(xué)性質(zhì)將會不斷降低，引起軟弱層壓縮變形增大并最終導(dǎo)致路堤變形開裂。

綜上所述，路堤開裂主要受軟弱土層、微地形坡度、地下水綜合作用所致。

4 治理方案設(shè)計(jì)

根據(jù)路基開裂原因及特點(diǎn)，為避免裂縫繼續(xù)發(fā)展導(dǎo)致路堤整體破壞，需對開裂路段進(jìn)行加固處治。經(jīng)多方案比選，確定采用壓力化學(xué)灌漿對填方土體及基底軟弱土層進(jìn)行固結(jié)，以改善軟弱土層的力學(xué)特性，增強(qiáng)土體自穩(wěn)能力，并于坡腳設(shè)置鋼管群樁+鋼筋混凝土系梁加固穩(wěn)定坡腳，確保路基整體穩(wěn)定。

處治設(shè)計(jì)示意圖見圖2～3。

圖2 路基灌漿平面設(shè)計(jì)圖

圖3 路基開裂處治設(shè)計(jì)圖

(1)路基灌漿孔按梅花形布設(shè)，縱向排距為3.0m，橫向排距為2.5m，灌漿深度平均為14.2m，穿過軟弱土層進(jìn)入泥巖層。

(2)軟弱土層段灌漿壓力為0.2～0.5MPa，以上填土層灌漿壓力為0.1～0.3MPa。

(3)純水泥漿采用強(qiáng)度等級為P.C32.5的復(fù)合硅酸鹽水泥配制，水灰比為0.6∶1.0，并摻入2%的速凝材料。

(4)灌漿施工遵循“圍、擠、壓”順序：平面上各區(qū)段先灌四周最外側(cè)一排，再由外至內(nèi)逐排灌注，每排則隔孔灌注；垂直方向上低壓自下而上逐段灌注。

(5)為防止路基邊坡整體滑移及提高坡腳、坡體土體的力學(xué)性能，采取了以下措施：①于左側(cè)下邊坡第一級坡平臺，按梅花形布設(shè)3排φ57鋼管群樁，鋼管樁縱橫向排距為1.0×0.5m，鋼管樁長約8.5m，進(jìn)入泥巖層≥3.0m；②利用鋼管群樁孔(孔徑≥φ90mm)進(jìn)行壓力化學(xué)灌漿；③群樁樁頂采用C25鋼筋混凝土系梁(規(guī)格為寬×厚=1.2m×1.0m)連接，形成整體，增加固腳效果。

(6)完善路基、路面上的排水系統(tǒng)。從施工期間及施工后的監(jiān)測資料獲悉，處治后的路基，變形均控制在有效范圍內(nèi)，建成通車之后路面沒有再出現(xiàn)裂縫及不均勻沉降，路基坡腳亦沒有出現(xiàn)新的位移及隆起變形，綜合治理取得明顯成效。

5 結(jié)語

通過對本段膨脹土包芯利用填筑路段路基開裂的原因分析和成功處治，可得以下結(jié)論：

(1)在膨脹土地區(qū)，利用膨脹土包芯填筑路堤是可行的。

(2)在膨脹土地基上填筑路基，對基底處治應(yīng)徹底，做到“一次解決，不留后患”。

(3)對存在一定坡度的膨脹土基底上填筑路基，應(yīng)更加重視路基的穩(wěn)定性。

(4)膨脹性巖土對水十分敏感，應(yīng)充分重視場地水環(huán)境及地下水動(dòng)力作用對公路等構(gòu)造物穩(wěn)定的影響。

(5)壓力化學(xué)灌漿加固填方土體及處治基底軟弱土層和鋼管群樁穩(wěn)固坡腳的處治措施，對路堤開裂滑塌破壞具較好的適用性。

[1]鄭健龍，楊和平.公路膨脹土工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]JTGD30-2004，公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]JTGC20-2011，公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[4]唐咸遠(yuǎn).膨脹土地基失穩(wěn)引起路堤滑坡的綜合處治技術(shù)[J].公路，2011(12)：6-10.

Deformation Cracking Cause Analysis and Treatment of Cored Filling Expansive Soil Embankment

LUO De-ba，MI De-cai，YE Qiong-yao

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Combined with the practical engineering of Nanning Outer Ring Road，this article analyzed the de-formation cracking situation of this cored filling expansive soil embankment，revealed that the presence of soft soil layer in roadbed subgrade is the main cause for the deformation cracking of expandable mudstone cored filling embankment，and the venue microtopography and specific groundwater environment also have a certain negative impact on the roadbed deformation cracking.It proposed using the pressure chemical grou-ting for consolidation reinforcement of subgrade soil body and filling soil body，and setting the micro steel-pipe group pile and reinforced concrete tie beams to reinforce and stabilize the embankment toe，which has a good treatment effect.

Nanning Outer Ring Road；Expansive soil cored utilization；Roadbed cracking；Chemical grouting；Micro steel-pipe piles

U416.1+67

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.004

1673-4874(2015)04-0014-04

2015-03-05

羅得把，高級工程師，從事公路工程、地質(zhì)災(zāi)害、巖土工程勘察與設(shè)計(jì)工作。