黄土山区高速公路路基沉陷分析及处治设计研究

崔晓如

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

由于黄土具有垂直节理发育、湿陷性等特点，雨水很容易沿着各种节理、裂隙渗入黄土路基，在长期雨水的作用下，黄土山区路基往往产生严重的沉陷病害。黄土山区某高速公路一半填半挖路段出现左幅路基不均匀沉降、左侧路肩挡墙部分开裂等情况。加之夏季持续暴雨影响，左幅路基变形开始加剧，导致路面出现纵向拉裂缝，裂缝持续发育同时伴随雨水灌入，导致左幅路基出现明显沉陷、挡墙墙顶防撞墙开裂。

1 区域自然地理及工程地质条件

1.1 地形、地貌

该路段属典型的黄土山区，地层主要为第四纪全新世Q4、Q3黄土状黏性土及晚更新世Q3新黄土组成，属冲积、坡积、风积等成因，颗粒成分以粉粒为主，呈坚硬、硬塑状态，颜色为灰黄、褐黄、红黄等色，土质均匀，巨大孔隙，具有垂直节理发育、多孔性、易冲刷、湿陷性等特点[1]。该段地形起伏极大，受构造活动和水流侵蚀作用的影响，地形切割剧烈，河谷发育，沟壑纵横，依据地貌成因类型及其显示特征，该段属黄土覆盖中低山区地貌单元。

1.2 地层分布、岩性及特征

根据勘察结果，路基沉陷段涉及的地层为粉土、碎石土、粉质黏土。

钻孔揭露的地层特征见表1所示。

表1 黄土路基沉陷区钻孔地层特征表

2 黄土路基沉陷原因分析

2.1 原设计情况与路基病害情况

该工点路基位于黄土覆盖中低山区，路线穿越沟谷，主要为半填半挖路基。路基左侧设置80 m长路肩式挡土墙，墙高6～10 m，墙身采用M10浆砌片石，挡墙基底为粉土与红黏土，含水量较高，湿软。墙底地基采用换填1.5 m石渣进行处理。

路基沉陷一般过程为：路面不均匀沉降→路基沉降→路面开裂→路基下沉→路基沉陷[2]。该半填半挖路段出现左幅路基不均匀沉降、左侧路肩挡墙部分开裂等情况。

2.2 路基沉陷原因分析

结合地质勘查情况，路基沉陷区位于半填半挖路基段落，路基沉陷涉及的地层为填土、粉土和粉质黏土。粉质黏土是良好的隔水层。且填筑段下部有稳定地下水位，水位位于粉土与粉质黏土结合面，地下水位的存在导致路基湿软。根据勘察结果，路基填筑段填土整体压实度不足，在0.8～13.5 m平均标贯击数8击。局部层位含水量较大，土质湿软，导致路基整体强度和稳定性不足。由于右侧为深挖路堑边坡，边沟、渗沟受暴雨影响损毁堵塞，雨水下渗进入路基；同时大量雨水经中央分隔带和路面裂缝灌入路基，汇集在粉土与粉质黏土交界处，软化该部分土体，导致该部分土体的抗剪强度大大降低，诱发路基滑移沉降，并对左侧挡土墙推挤，造成挡墙横向位移；同时挡墙基底含水量较高，湿软，造成挡墙竖向沉降。总体上左幅路基整体呈竖向沉降与侧向位移并发。

综合分析，该段路基沉陷的主要原因为：受连续暴雨影响，雨水沿着各种裂隙、节理入渗黄土路基内部，且该路段填挖交界处填方不密实、原地基湿软含水量较大，存在粉土与粉质黏土滑动面造成路基滑移沉陷，并不断往下冲蚀，使路基范围内黄土裂缝加深扩大，致使路基发生突然破坏。

3 黄土路基沉陷综合处治设计

3.1 处治原则

a）安全、经济、环保和美观的原则。

b）采用综合治理的方法，一次性根治，确保运营安全。

c）信息化施工，动态化设计。

3.2 综合处治设计方案

综合以上分析，结合地勘资料，对左侧挡土墙路基沉陷开裂采取钢筋混凝土桩板式挡土墙加固处治，如图1所示。桩板墙施工前先对左幅路基沉陷区路面顶面以下4 m范围内路基开挖卸载，路基开挖卸载后采用高压旋喷桩进行处治，如图2所示，提高原地基承载力，以减小路基进一步沉降。对左侧原路肩挡土墙墙顶以下3 m范围内进行凿除，采用C30混凝土重新浇筑上部墙顶，同时在距墙顶1.25 m处设置φ28横向锚杆，长度为8 m，纵向间距为2 m。待旋喷桩与路肩挡土墙墙顶施工完毕后对开挖区采用砂砾回填并分层夯实，压实度大于等于96%，最后重新铺筑路面结构层。

图1 桩板式挡土墙加固处治设计

图2 高压旋喷桩加固路基处治设计立面图（单位：cm）

3.2.1 排水工程修复完善

a）边沟、渗沟修复加固 由于受连续暴雨影响，导致边沟内杂草淤泥堵塞，首先对右侧边沟及渗沟重新修筑，阻止该段高边坡坡面雨水通过边沟渗沟进入路基内部。施工时开挖沟槽后，沟底、沟壁应夯实，方能砌筑。注意边沟沟底应砌成粗糙面或嵌入5～10 cm高的坚硬小石块，用以消能和减小流速，石块净距10～15 cm。

b）排水渗沟设计 挡墙基底为粉土与红黏土，含水量较高，湿软，为降低挡墙墙底土体含水量，在原挡墙墙趾外侧3.2 m外，设置宽60 cm，深3 m，长5 m排水渗沟，以降低挡墙基底下地下水影响。排水盲沟横向坡度不小于3%，开挖排水渗沟时注意临时支护基坑，开挖完成后应尽快施工排水渗沟并及时回填。

3.2.2 桩板式挡土墙对原路肩墙加固设计

对路面沉陷及左侧路肩挡墙下沉开裂等采取钢筋混凝土桩板式挡墙对原挡墙进行加固处理；桩板墙钢筋混凝土桩桩径1.6 m，桩中心间距4.0 m，桩长24 m；桩板墙承台内侧距原挡墙外侧不小于1.5 m，桩板墙高5 m。桩板墙与原挡土墙距中间采用C20混凝土填充至桩板墙墙顶，填充前对原挡土墙外侧1.5 m范围内地基整平并换填50 cm二八灰土。注意桩板墙泄水孔应与原路肩挡土墙对应泄水孔全部连接，具体布置可根据实际情况适当调整。

3.2.3 左幅路基开挖卸载及路肩墙墙顶修复加固

桩板墙施工前先对左幅路基沉陷区路面顶面以下4 m范围内路基开挖卸载。对原路肩挡土墙墙顶以下3 m范围内凿除后，插入φ16螺纹钢筋连接，再采用C30混凝土浇筑上部墙顶。同时在距墙顶1.25 m处设置φ28横向锚杆，长度为8 m，纵向间距为2 m。

3.2.4 高压旋喷桩加固设计

对左幅路基沉陷区路面顶面以下4 m范围内路基开挖卸载，在挖除后的平面范围内布置旋喷桩，与原路基填土形成复合地基[3]，提高路基承载力，防止路基进一步下沉。

旋喷桩桩径50 cm，桩距150 cm，排距130 cm，梅花型布置，桩长根据勘察结果按9～16 m进行设计。固化剂采用水灰比1∶1的水泥净浆，加固体设计强度为1.5 MPa，每延米桩身水泥含量不低于150 kg。旋喷压力不低于20 MPa，旋喷速度20 r/min，提升速度 0.25～0.35 m/min，喷嘴直径 2～3 mm，浆液流量50～70 L/min。

4 结语

工程实践表明：水是黄土山区高速公路路基沉陷的主要诱因[4]，黄土路基水毁沉陷处治技术的研究已成为广大工程技术人员的重点研究领域之一。本文通过对黄土山区某高速公路路基沉陷原因的具体分析，明确了黄土路基沉陷原因，有针对性地提出采取桩板式挡土墙对原挡土墙进行加固处治，并对已沉陷路基开挖卸载后，采取高压旋喷桩处治，与原路基填土形成复合地基，提高路基承载力；同时对该段排水系统进行修复完善，进一步保证了黄土路基的安全稳定。实际实施后，处治效果良好，为今后同类工程处治提供一定借鉴作用。