山区公路结构物基础设计探讨

魏明岗　王轩隆

【摘 要】某高速公路，该工程里程K14+440～K14+620段路基处于一个多年乱采形成的废弃矿坑范围内。矿坑长约180m、宽5～30m，坑底距山坡地表5～35m。矿坑平面形状不规则，现状坑底地面起伏很大，初步调查，矿坑大部分范围内有堆积物，堆填的弃渣厚度及粒径变化较大、无规律性，且堆填时间不详。该段高速公路路基的两端设计有两个下穿的排水盖板涵，涵洞长41～61m，净高4.8m，宽3.5m，上覆土厚2～8m，设计要求地基承载力不小于400kPa。该段高速公路路基、涵洞基础所处的废弃矿坑地形变化大，地质条件相当复杂，同时高速公路设计要求的地基承载力、路基沉降及差异沉降要求都很高，这给路基处理施工带来了很大难度。建设单位和设计、施工单位多次开会探讨，均感觉地质情况不明，矿坑处理难以进行，因此委托我单位进行矿坑的详细工程地质勘察工作，并要求提供适宜、可行的地基处理方案。

【关键词】山区公路；矿坑；地基处理；强夯

1.工程地质条件

1.1地质构造

区域地质构造较为发育，主要以东西向、北东向、北北东向褶皱、断裂构造体系为主，多集中成带状分布，其中以北东向和近东西向断裂构造变形最为强烈。受构造作用影响，工程场地岩体较破碎～破碎，岩石风化程度较高。

1.2地形地貌

工程场地处于秦岭余脉的延伸地带，为构造剥蚀低山地貌，地形起伏中等。矿坑位于山体斜坡的下部。

1.3地层岩性

经过对废弃矿坑的现场调查，该矿坑开采矿区位于太古代片麻岩体内，矿产种类为铁矿，大致于20世纪90年代后期开始开采，近期关闭后矿坑内堆填有废弃矿渣，因此矿坑具体的开挖范围、深度等情况不明。因此我们针对性地策划了勘察方案，在加强现场地质调查、测绘的同时，布置了勘探钻孔，并在钻孔中进行标准贯人和重型动力触探原位测试。

1.4地下水情况

勘探时发现矿坑内堆积物中分布有地下水，分布不均匀，水位距坑底0.5～2.Om.为大气降水人渗及周围地面流人汇集而成，属滞水，水量随季节具有较大变化。

2.勘察建议的地基处理方案

2.1场地整平

场区地形变化大，为便于机械施工，缩短工期，降低造价，勘察建议先进行场地的整平工作，以为下一步地基处理工作打好基础。填方整平的地面应根据设计路面高程并结合现状地形回填整平（需要在回填过程进行初步压实）至涵洞基础底面以下一定高度，在此基础上再进行下一步的路基及涵洞基底下地基加固处理亡作。

2.2方案及技术建议

场地整平后，考虑到目前已堆填矿渣以砂状、碎屑状为主，颗粒相对较均匀，整体上含水量较低。勘察报告中提出以下三种路基及涵洞基础的处理措施及技术建议，以供设计、施工比选。

2.2.1方案1—强夯法加浆砌片石回填

①强夯处理平面范围及方案的设计、施工须严格按有关规范执行，确保强夯处理后的地基能够满足高速公路设计关于地基容许承载力、变形及地基稳定性等方面的要求。

②强夯施工前须对目前矿坑区域内表层已杂乱堆积的松软土、杂物及树木等进行清除，做好整平工作。

③由于场地内矿坑深浅不一，堆填物质密度具有一定差异，在设计有效加固深度、单位夯击能基础上，结合场地地层条件，合理设计夯点布置、夯击方法及夯击次数。

④建议在施工现场选择代表性场地作为试验区进行试夯或试验性施工，根据预计加固处理效果，选择适宜的施工机械，在现场试夯时，要根据夯沉量或地面隆起情况、起锤难度等及时调整夯点布局及夯击次数，局部坑深、土质松软处，可适当加大夯击遍数。施工过程中要实行动态检测，及时调整设计方案。

⑤强夯施工过程中的质量控制及加固效果检测等均须严格按照国家及行业现行的有关规范执行。

2.2.2方案2—复合载体夯扩桩法

①经加固处理以后的复合地基须满足设计对地基承载力、地基变形及稳定性控制的要求。复合地基承载力标准值须根据复合地基的载荷试验等原位测试结果，结合地基处理的设计、施工经验综合确定。

②具体复合地基加固处理方案可根据本工程建筑设计条件、地基土层分布特点，结合地基处理的设计、施工经验综合确定。

③应按相关规范的规定，加强对复合地基施工质量控制及加固效果的检测工作。

2.2.3方案3—对于涵洞基础亦可以考虑大直径（扩底）灌注桩方案

①桩端应进入坑底下强风化片麻岩内不少于1m，坑底形态陡变的斜坡处可适当加大桩端嵌岩深度，建议不考虑侧摩阻力，桩端片麻岩的饱和单轴抗压强度标准值可按5MPa考虑，岩石按破碎考虑。

②桩端局部矿坑深度较大处，有可能分布滞水，需妥善排除。

③须采用安全、可靠的护壁方法，保证成孔、施工安全。

④成桩前桩端虚土或碎屑应清除，桩端岩性检验发现有不利于基坑稳定的软弱岩石时应清除。

3.强夯处理方案的实施及效果

3.1强夯方案的选择

该场区的主要特点是地形高差悬殊，坑底基岩面起伏不平，回填整平后土质相对疏松。若采用夯扩桩处理，由于基岩面起伏不平，桩长很难控制，长短不一的桩长也使处理效果很难保证；若采用大直径扩底灌注桩方案，则由于土质较疏松，局部分布有滞水，挖桩时容易塌孔，安全隐患大。考虑到上述两种方案均工程造价较高，施工工期相对较长，因此本工程地基处理选择强夯法。

3.2设计原理

强夯法又名动力固结法或动力压实法，这种方法是反复将夯锤（一般为圆形，质量10-40t）提到一定的高度使其自由落下（落距一般为10～40m），给地基以冲击和振动能量，从而提高地基的承载力，降低地基压缩性，改善地基性能。其加固原理基于动力压密理论，冲击型动力荷载瞬间使土体中孔隙体积缩小，土体密实，承载力提高。非饱和土夯实变形主要是由于土颗粒相对位移重新排列而引起，亦是土中孔隙中气相（空气）被排出的过程，经强夯处理后，土体达到最密实状态。

3.3强夯施工

针对填土情况、现有设备及施工经验，主夯：2000-3000KN.m，满夯：2000KN.m。（2）分层厚度每层虚铺5～6m，经推土机初步压实后再进行强夯作业，整体上需铺3层。（3）施工机械采用25t履带式吊车，夯锤为直径2.5m左右的铸铁锤（18-20t），带自动脱钩装置。

3.4强夯处理效果检测

从已完成的处理效果检测结果来看，处理效果良好，能够满足设计要求。

4.结语

对于山区复杂场地的工程建设，通过勘察查明地质情况对于治理工作的设计与施工至关重要。勘察阶段应充分搜集已有资料，运用多种勘察手段查明地层空间变化、岩土物理力学性质及场区不良地质作用。由于目前的地基处理方法五花八门，每种方法都有其优缺点，因此经济、合理、高效的地基处理方案应该在详细的勘察结果基础上比选、优化。河南山区公路建设方兴未艾，在建和待建的高等级公路还有多条。但在山区分布有较多的废弃矿山（多形成于20世纪90年代末），生态环境亟需要逐步恢复，地质灾害及不良地基条件需要进行详细评估或评价，这样才能保证工程建设的安全。希望本篇文章所阐述的勘察、设计、治理思路能为类似建设工程中岩土工程问题的合理解决起到抛砖引玉的作用。