溝谷型軟基內(nèi)的涵洞常見(jiàn)病害及地基處治

胥 龍

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，高速及高等級(jí)公路廣泛向丘陵、山區(qū)地帶推進(jìn)。涵洞工程作為排水、通道構(gòu)造物，是公路工程不可或缺的重要結(jié)構(gòu)。通常公路工程所涉及的地質(zhì)條件復(fù)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(dāng)不僅可能導(dǎo)致出現(xiàn)較大不均勻沉降，形成排水不暢、路面起伏，還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、開(kāi)裂，嚴(yán)重影響其使用功能及公路運(yùn)營(yíng)安全。

1 山間谷地軟弱地基

山間谷地因?yàn)槠涮厥獾牡匦?、地質(zhì)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(cè)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(qiáng)度低、天然孔隙比大、天然含水率高、滲透系數(shù)小等特點(diǎn)，而且沿路線短距離范圍內(nèi)軟基厚度變化大，極易在路堤荷載作用下出現(xiàn)較大不均勻沉降。盡管通常要求涵洞布設(shè)于溝谷兩側(cè)軟基厚度較小的地方，實(shí)際工程中仍不可避免地建設(shè)在軟基較深、厚度變化大的路段。因此，因軟基處治不當(dāng)帶來(lái)的涵洞病害尤為常見(jiàn)。

2 涵洞常見(jiàn)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(shè)于山間谷地內(nèi)的涵洞病害主要有：圓管涵因涵洞中部沉降較大，出現(xiàn)涵洞淤塞、涵身縱向開(kāi)裂、基礎(chǔ)不均勻開(kāi)裂、涵身節(jié)段相互錯(cuò)移等；蓋板涵、拱涵進(jìn)出口翼墻、一字墻墻身開(kāi)裂、涵身沉降縫變形、基礎(chǔ)斷板開(kāi)裂等；箱涵主要表現(xiàn)為涵洞頂路基出現(xiàn)凹陷、隆起等現(xiàn)象，涵身頂、底出現(xiàn)裂縫(見(jiàn)圖1，圖2)。

出現(xiàn)以上病害的原因主要是由于軟基處治方法不當(dāng)或處治范圍不徹底，在填土荷載作用下出現(xiàn)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(nèi)的涵洞病害，須強(qiáng)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(yīng)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(jù)工程實(shí)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(qiáng)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(dāng)軟基深度小于4 m時(shí)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(shí)，這類填料強(qiáng)度較高、透水性較好，可以顯著提高原位基礎(chǔ)承載力，減少沉降量。

3.1.2 拋石擠淤法

通過(guò)拋入一定規(guī)格的石塊，將淤泥擠出，從而提高基礎(chǔ)的承載力，此法通常用于淤泥場(chǎng)地或常年積水的洼地(見(jiàn)圖3)。

3.1.3 淺層加固法

通過(guò)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(chǎn)生的化學(xué)作用，從而改善土層的性質(zhì)，起到加固土體強(qiáng)度的作用。

以上三種方法施工簡(jiǎn)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(nèi)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(fù)合地基或剛性地基處治方法，一般不采用單純固結(jié)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(jī)在原位將水泥粉或水泥漿同地基土拌和，通過(guò)水泥—水—土間的相互作用形成水泥土柱，進(jìn)而提高地基承載力，減少沉降。通?？梢愿鶕?jù)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(nèi)塊石含量較高則該法不適用。

隨著攪拌樁的不斷改進(jìn)，目前已推廣應(yīng)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(tǒng)，分別帶動(dòng)鉆桿上的內(nèi)外拌和葉片同時(shí)相向旋轉(zhuǎn)拌和。通過(guò)鉆桿上攪拌和葉片的伸長(zhǎng)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(tǒng)水泥攪拌樁的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有施工振動(dòng)小、環(huán)境污染小，成樁質(zhì)量可控等優(yōu)點(diǎn)。適用于處理粘性土、粉土、淤泥質(zhì)土和淤泥地基。

3.2.2 強(qiáng)夯置換法[3]

此法采用強(qiáng)夯機(jī)械在軟土地基上沖擊，形成有序排列的坑槽，隨后在坑槽內(nèi)投放碎石等粗骨料后，再次使用對(duì)原位進(jìn)行沖擊，最后形成強(qiáng)夯墩。強(qiáng)夯置換形成的碎石墩作用骨架與未置換土體形成復(fù)合地基，共同承受荷載。該方法施工簡(jiǎn)單、工藝成熟，適用于處治低飽和度粉質(zhì)土、雜填土、軟粘性土、素填土等。但施工時(shí)產(chǎn)生的噪聲、震動(dòng)較大，同時(shí)對(duì)于厚度大于6 m的軟基應(yīng)謹(jǐn)慎采用。

3.2.3 碎石擠密樁[4]

該法同強(qiáng)夯置換法原理一致，都是將軟土地基改造成復(fù)合地基從而提高地基承載能力(見(jiàn)圖4)。不同的是此法是通過(guò)沖擊、振動(dòng)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(guò)壓縮使碎石或其他材料進(jìn)入地基中，將孔四周及底部土體擠壓密實(shí)，這些密實(shí)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(wěn)定、對(duì)環(huán)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(jīng)過(guò)混合、攪拌，利用各種制樁機(jī)制作而成。其強(qiáng)度較低且可變，強(qiáng)度等級(jí)一般不超過(guò)C25。CFG樁通過(guò)振動(dòng)沉管或振沖成孔后，將樁料投入孔內(nèi)成樁。通常在樁頂還會(huì)設(shè)置一定厚度褥墊層用于平衡樁與土之間的應(yīng)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(zhì)量易控，機(jī)械設(shè)備成熟，但容易造成環(huán)境污染。常常用于處置粘性土、粉土、淤泥質(zhì)土等軟土地基。

3.2.5 PHC管樁法[6]

PHC管樁是一種高強(qiáng)度混凝土管樁，其樁身強(qiáng)度通常不小于C80，PHC管樁采用先張法施工工藝，在嚴(yán)格的養(yǎng)護(hù)條件下制作而成。通常PHC管樁在工廠內(nèi)預(yù)制為成品，然后在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)錘擊、靜壓等措施將其埋入軟土地基內(nèi)。使得地基形成承載力較高的復(fù)合地基。其優(yōu)點(diǎn)有機(jī)械化程度高，環(huán)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(cè)摩阻力，抗彎、拉性能好、樁身耐擊打、穿透力強(qiáng)、樁基檢測(cè)方便。適用于細(xì)砂、粉砂、粘性土、粉土、淤泥質(zhì)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(chǔ)上進(jìn)行研究而開(kāi)發(fā)出來(lái)的，在水泥攪拌樁施工期間，由施工器具自身的傳力系統(tǒng)，分別帶動(dòng)鉆桿上的內(nèi)外拌和葉片同時(shí)相向旋轉(zhuǎn)拌和。通過(guò)鉆桿上攪拌和葉片的伸長(zhǎng)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(tǒng)水泥攪拌樁的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有施工振動(dòng)小、環(huán)境污染小，成樁質(zhì)量可控等優(yōu)點(diǎn)。適用于處理粘性土、粉土、淤泥質(zhì)土和淤泥地基。

4 涵洞病害處治方法

在涵洞出現(xiàn)沉降變形、開(kāi)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(yīng)結(jié)合場(chǎng)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(fù)開(kāi)裂破壞的涵身及基礎(chǔ)等。以某高速公路建設(shè)于山間谷地內(nèi)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(nèi)的軟基上，原設(shè)計(jì)采用換填沙礫石處治軟基，因?yàn)檐浕穸容^大，換填深度未能徹底。由于軟基固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、不均勻沉降量大，高速公路運(yùn)行通車一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)涵洞墻體開(kāi)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(jiàn)圖5)。

針對(duì)涵洞病害特征，為盡可能減小對(duì)公路運(yùn)營(yíng)的干擾，通過(guò)方案論證、采用涵洞內(nèi)向基底斜打小直徑鋼花管加固(見(jiàn)圖6)。通過(guò)鋼花管內(nèi)壓力注漿對(duì)涵洞基礎(chǔ)以下的軟粘土進(jìn)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(cè)各0.65 m，對(duì)稱設(shè)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(tái)底部2.75 m鉆孔區(qū)間內(nèi)，注漿完成后，上部2.25 m鉆孔直接注漿封堵。

根據(jù)沉降觀測(cè)資料，經(jīng)過(guò)處治后涵身側(cè)墻變形開(kāi)裂未持續(xù)發(fā)展，鋼花管壓力灌漿擠密法對(duì)此類病害效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

位于山間谷地軟土地基上的涵洞若處治方法不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致涵洞不均勻沉降、涵身節(jié)段錯(cuò)移，嚴(yán)重的還會(huì)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(shè)于山間谷地軟弱范圍地基處治辦法、適用條件，并針對(duì)涵洞病害提出了實(shí)用處治方法，通過(guò)某高速公路涵洞病害處治驗(yàn)證，效果良好，可推廣應(yīng)用于類似工程。