某高速公路巖溶路基處治方案研究

盧 波

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

近幾年來(lái)，廣西高速公路發(fā)展高歌猛進(jìn)，這些公路跨過(guò)江河大海，穿過(guò)山川平原等不同類(lèi)型地質(zhì)地貌單元。在高速公路建設(shè)不斷發(fā)展的同時(shí)，公路病害問(wèn)題日益凸顯，喀斯特地貌區(qū)巖溶路基病害層出不窮，針對(duì)病害治理除傳統(tǒng)注漿措施外，微型樁處治方案應(yīng)運(yùn)而生，其處治效果滿(mǎn)足巖溶路基穩(wěn)定性及強(qiáng)度與變形等力學(xué)參數(shù)的要求，施工難度較低，工程質(zhì)量及工期可控[2]。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

某高速公路K194+257～K194+272段半填半挖路基發(fā)現(xiàn)兩處緊挨在一起的巖溶塌陷坑，均位于左側(cè)挖方路基一級(jí)邊坡坡腳區(qū)域。塌陷坑1長(zhǎng)6.0 m、寬4.2 m、深3.8 m，塌陷坑2長(zhǎng)5.0 m、寬3.5 m、深4.3 m，坑內(nèi)未見(jiàn)地下水；同時(shí)右側(cè)填方路基伴隨發(fā)育有一處裂縫，長(zhǎng)約60 m，寬約2～3 cm，已形成約1～2 cm錯(cuò)臺(tái)，沿路基快車(chē)道與慢車(chē)道間縱向發(fā)育。

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌

場(chǎng)地屬巖溶剝蝕丘陵-洼地地貌，自然地面高程在84～130 m之間，相對(duì)高差約45 m。巖溶剝蝕丘陵主要分布在勘察區(qū)西側(cè)，洼地、沖溝主要分布于勘察區(qū)東側(cè)及西北側(cè)。高速公路以半填半挖的形式從丘陵與洼地結(jié)合部位通過(guò)，左側(cè)挖方邊坡最大坡高約28 m，右側(cè)填方邊坡最大填方高度約13 m。邊坡坡面多種植綠化植被，丘陵山體表層多種植桉樹(shù)，洼地及沖溝地段種植水稻等經(jīng)濟(jì)作物。路段北側(cè)約200 m處有一河流，自西向東流，河寬約20 m，水深約0.5～1.5 m。

1.2.2 地層巖性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，場(chǎng)地內(nèi)地層主要有第四系人工填土層(Qml)、沖洪積層(Qal+pl)和泥盆系上統(tǒng)榴江組基巖(D3l)。

素填土由路面結(jié)構(gòu)層和路床素填土組成。路面結(jié)構(gòu)層厚度為0.80～1.00 m；路床素填土主要成分為黏性土混碎石，含少量礫砂，經(jīng)分層壓實(shí)，基本完成自重固結(jié)，厚度為1.80～17.00 m。

沖洪積層，硬塑狀黏土，土質(zhì)不均勻，含少量礫砂，厚度為1.0～15.20 m。

中風(fēng)化灰?guī)r，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體較完整，巖芯呈短柱狀，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅲ級(jí)。

1.2.3 不良地質(zhì)

場(chǎng)地不良地質(zhì)主要為巖溶塌陷，病害路段發(fā)現(xiàn)2處巖溶塌陷坑，均位于左側(cè)挖方邊坡坡腳處。塌陷坑1位于里程K194+260處，呈橢圓形，長(zhǎng)軸6 m，短軸4.2 m，深3.8 m，面積19.8 m2，溶洞底無(wú)積水。塌陷坑2位于里程K194+270處，呈橢圓形，長(zhǎng)5 m，寬3.5 m，深4.3 m，面積13.7 m2，溶洞底無(wú)積水。據(jù)鉆探成果反映，鉆孔遇洞率為62.5%，線巖溶率為14.40%，溶洞垂直高度為1.10～6.40 m，以充填型溶洞為主，洞內(nèi)充填物多為軟塑狀黏土，局部存在無(wú)充填型溶洞，判定本場(chǎng)地為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。

1.2.4 物探成果

物探結(jié)果與鉆探結(jié)果基本吻合，K194+185～K194+235段及K194+250～K194+275段有兩條帶狀巖溶發(fā)育區(qū)，垂直貫穿高速公路兩側(cè)，其發(fā)育走向大體沿巖層走向一致。該區(qū)域?yàn)閳?chǎng)地巖溶發(fā)育區(qū)，發(fā)育有多個(gè)規(guī)模較大的溶洞。

1.3 巖土力學(xué)參數(shù)取值

巖土層各力學(xué)參數(shù)根據(jù)原位測(cè)試成果、室內(nèi)試驗(yàn)成果，結(jié)合有關(guān)規(guī)范綜合確定，巖土層物理力學(xué)及巖土參數(shù)建議值如表1、表2所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)建議值表

表2 巖土層物理力學(xué)參數(shù)建議值表

2 巖溶路基病害機(jī)理分析

病害路段下伏巖溶多為淺表覆蓋型巖溶，溶洞頂板較薄，巖層產(chǎn)狀與高速路走向基本一致，為山體上地下水(巖溶水)產(chǎn)生橫向與縱向徑流創(chuàng)造了有利條件，加上高速路開(kāi)挖修建，破壞了原有地表水和地下水徑流補(bǔ)給排泄系統(tǒng)，地表水直接沿高速開(kāi)挖坡面巖溶入滲補(bǔ)給，并沿巖層傾向向下產(chǎn)生徑流至高速路填土路基底面，產(chǎn)生地下水動(dòng)力徑流作用，進(jìn)而造成土體變形累計(jì)和水土流失，導(dǎo)致高速路變形破壞。而在巖溶地下水快速漲落過(guò)程中，會(huì)形成虹吸管真空下拉效應(yīng)，進(jìn)一步促使巖溶頂板及周邊巖土體變形、流失累積，當(dāng)發(fā)展至一定程度時(shí)，將發(fā)育成為巖溶塌陷，于路面形成塌陷坑及路面裂縫、沉降等病害。

3 巖溶穩(wěn)定性分析

3.1 定性分析

勘察成果顯示，頂部溶洞的頂板厚度在0.70～2.10 m之間，溶洞底標(biāo)高在56.35～92.46 m之間，溶洞內(nèi)充填軟塑狀黏土?？辈炱陂g鉆孔控制深度范圍內(nèi)測(cè)得地下穩(wěn)定水位為85.35～91.67 m，水位年變化幅度約3～5 m，變化范圍基本位于頂部溶洞內(nèi)。地下水的反復(fù)漲落及補(bǔ)給排泄，將溶洞內(nèi)填充的軟塑狀黏土帶出，使頂部溶洞逐步被掏空。溶洞的薄層頂板在失去充填物支撐后，在路面車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，形成坍塌失穩(wěn)，從而導(dǎo)致路面塌陷、出現(xiàn)條形裂縫。

3.2 定量分析

依據(jù)鉆探及物探成果顯示，各鉆孔溶洞厚跨比驗(yàn)算見(jiàn)表3，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)第7.6.2條規(guī)定，厚跨比>0.8，認(rèn)為溶洞頂板穩(wěn)定，可不作處理。計(jì)算結(jié)果表明，病害路基段多數(shù)溶洞厚跨比<0.8，可認(rèn)為溶洞頂板不穩(wěn)定。在地下水徑流動(dòng)力作用下，溶洞充填物易軟化及被帶走，極易造成巖溶失穩(wěn)、坍塌，路基變形破壞。

表3 溶洞厚跨比驗(yàn)算一覽表

4 處治方案

4.1 注漿方案與檢測(cè)

4.1.1 注漿加固方案

為了驗(yàn)證傳統(tǒng)注漿加固方案是否可行，在實(shí)施微型樁方案之前，分別選擇ZK2和ZK9鉆孔所揭示的巖溶發(fā)育區(qū)作為試驗(yàn)性注漿1區(qū)和2區(qū)，注漿孔間距為2.0 m×2.0 m，各區(qū)注漿孔布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)性注漿布孔示意圖(cm)

采用純水泥漿進(jìn)行靜壓式注漿，注漿配比及注漿壓力如表4和表5所示，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)部調(diào)整。

表4 注漿材料配比表

表5 注漿壓力參考表

4.1.2 注漿效果檢測(cè)

上述注漿方案實(shí)施后進(jìn)行效果檢測(cè)，檢測(cè)主要采用鉆孔抽芯、原位測(cè)試和物探前后對(duì)比等手段進(jìn)行。

4.1.2.1 物探高密度電法

注漿試驗(yàn)1區(qū)，注漿后電法觀測(cè)結(jié)果與注漿前基本一致，說(shuō)明注漿前后物探測(cè)線段地層結(jié)構(gòu)并無(wú)大的變化。

注漿試驗(yàn)2區(qū)，注漿后電法觀測(cè)結(jié)果較注漿前有較明顯提高(注漿前電阻率約在10～50 Ωm，注漿后電阻率約在50～100 Ωm)，推測(cè)注漿區(qū)有注漿凝固塊體，使得電阻率整體上有所提高，但電阻率仍存在不均勻分布、相對(duì)低阻異常的情況，如表6所示。

表6 高密度電法巖溶注漿效果定性評(píng)價(jià)表

4.1.2.2 鉆孔抽芯

根據(jù)檢測(cè)規(guī)范要求，分別對(duì)注漿試驗(yàn)1區(qū)進(jìn)行3孔抽芯，對(duì)2區(qū)進(jìn)行4孔抽芯，抽芯情況如表7所示。

表7 抽芯鉆孔一覽表

4.1.2.3 原位測(cè)試分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，覆蓋層標(biāo)準(zhǔn)貫入測(cè)試擊數(shù)有不同程度的提高，均>10擊，前后均滿(mǎn)足要求，有一定的加固效果。溶洞充填物前后對(duì)比變化不大，共進(jìn)行了4次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，平均擊數(shù)為5.3擊，<10擊，達(dá)不到注漿效果要求，成果對(duì)比分析如表8所示。

表8 標(biāo)準(zhǔn)貫入測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)上述3種方法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析和相互佐證，溶洞充填物性狀無(wú)明顯改變，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)<10擊，基本未見(jiàn)有水泥結(jié)石礫，注漿穿透性差，擴(kuò)散半徑小，注漿效果不理想。

4.2 微型樁方案

4.2.1 微型樁(鋼管樁)方案

微型樁方案直接支承巖石上，有跨越溶洞作用，根據(jù)巖面起伏及巖溶發(fā)育情況，按樁長(zhǎng)、樁徑及分布里程段將微型樁鋼管樁分為3個(gè)區(qū)。Ⅰa區(qū)和Ⅰc區(qū)采用φ108 mm的無(wú)縫鋼管，鋼管壁厚為6 mm，樁長(zhǎng)15 m；Ⅰb區(qū)采用φ130 mm的無(wú)縫鋼管，鋼管壁厚為6 mm，樁長(zhǎng)22.50 m。樁長(zhǎng)控制原則為：當(dāng)覆蓋層厚度<10 m時(shí)，最小樁長(zhǎng)≥10 m且嵌入灰?guī)r≥2 m，當(dāng)遇溶洞時(shí)，穿越溶洞進(jìn)入灰?guī)r底板≥2 m，最大樁長(zhǎng)一般不宜超過(guò)25 m。樁頂設(shè)置高強(qiáng)度鋼筋混凝土面板連接，板厚35 cm。完成樁面板施工后，按瀝青路面鋪設(shè)要求進(jìn)行路面恢復(fù)，同時(shí)在填方邊坡側(cè)布置泄水孔，便于地下水的排泄，如圖2和圖3所示。

圖2 微型樁布置平面圖

圖3 微型樁立面圖(mm)

4.2.2 微型樁方案驗(yàn)算

4.2.2.1 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

利用GEO5 2019版中土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析模塊，計(jì)算典型斷面可能產(chǎn)生滑移的情況，按搜索最危險(xiǎn)滑面來(lái)計(jì)算微型樁抵抗土體側(cè)向變形的能力。計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果如圖4和表9所示。

圖4 微型樁整體穩(wěn)定性計(jì)算模型圖

表9 各工況條件下邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

通過(guò)計(jì)算可知，在外側(cè)土體滑移后產(chǎn)生臨空面時(shí)，失去被動(dòng)土壓力作用下，微型樁支撐能抵抗土體側(cè)向變形的能力，在最不利滑動(dòng)面作用下，穩(wěn)定性系數(shù)能滿(mǎn)足規(guī)范正常工況≥1.30、非正常工況≥1.15的要求。

4.2.2.2 微型樁承載力驗(yàn)算

當(dāng)病害路段產(chǎn)生變形及地下水排泄后，微型樁支撐應(yīng)能滿(mǎn)足承載力要求，利用GEO5 2019版中微型樁模塊，根據(jù)地層剖面計(jì)算微型樁內(nèi)力及變形情況，計(jì)算結(jié)果如表10～12所示，可見(jiàn)在土體流失過(guò)程中，能滿(mǎn)足豎向承載力及變形控制要求。

表10 壓屈穩(wěn)定性驗(yàn)算表

表11 受壓微型樁驗(yàn)算表

表12 耦合截面承載力驗(yàn)算表

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某高速公路K194+180～K194+350段半填半挖巖溶路基處治工程為例，在研究了工程的地質(zhì)條件和水文條件后，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，先采用傳統(tǒng)的注漿加固方案進(jìn)行試驗(yàn)性注漿，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)注漿加固處治后效果不理想，而后采用微型樁治理方案，加固效果良好，經(jīng)濟(jì)效益明顯，值得推廣應(yīng)用，同時(shí)也總結(jié)了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)注漿工藝在溶洞充填物為黏性土?xí)r運(yùn)用，注漿穿透性差，擴(kuò)散半徑小，對(duì)充填物性狀改變不大，處治效果差，達(dá)不到提高巖溶處治的要求。

(2)微型樁具備跨越巖溶發(fā)育區(qū)的優(yōu)勢(shì)，支承作用大，協(xié)調(diào)變形能力強(qiáng)，適用巖溶地質(zhì)變化范圍廣，可靠度高。

(3)與傳統(tǒng)注漿工藝相比，微型樁具備施工質(zhì)量、工期及工程造價(jià)可控等優(yōu)勢(shì)，且有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。