某高速公路路基工程水毁病害综合治理技术浅析

窦随兵

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

1 工程概况

1.1 公路概况

某高速公路采用双向六车道技术标准，设计速度100km/h，路基宽度33.5m。2010年4月，该项目开工建设，2012年7月建成通车。

2015年8月1日，罕见暴雨，路基填方左侧边坡进水，右侧边坡出水，路基发生流土渗透变形，路面及边坡出现沉陷、裂缝及塌，发生路基水毁病害[1]（图1路基水毁病害）。

图1 路基水毁病害

1.2 水毁段原路基设计情况

路基排水由边沟、截水沟及排水沟组成；路面排水由路拱自然漫流至拦水带，经边坡急流槽进入排水沟排出。急流槽两侧采用C20现浇混凝土，M7.5水泥砂浆砌MU30片石；急流槽槽身每隔10m设伸缩缝一道，缝宽2cm，缝间用沥青麻筋填塞；急流槽底嵌入10×10cm的坚硬小石块，用以消能和减小流速。

边坡防护采用拱型浆砌片石骨架护坡，骨架、护坡基础也采用M7.5水泥砂浆砌MU30片石，拱型护坡每隔5个拱设一道沉降缝，缝宽2cm，缝间用沥青麻筋填塞深20cm，C20混凝土预制块尺寸为（6×18×30）cm。

2 水毁路段勘察

2.1 工程地质调绘

K13+970左侧10m路面明显沉降，沉降幅度约0.60m。路基以外左侧发现5处黄土陷穴入水口，右侧发现4处出水口，共计9处，进、出水口直径最大2m，最小 0.3m（见图 2）。

图2 水毁路段工程地质平面图

自2016年雨季后，K13+288—K13+305段路面右幅行车道有一纵向裂缝，长度约20m，裂缝已被沥青充填，路面沉降幅度约3～5cm，影响了公路行车的舒适性和安全性。

2.2 物理勘探

物理勘探采用高密度直流电法和地质雷达两种方法。

高密度直流电法电极距2m，采用对称四极方式采集数据。K13+955右10m段分布有低阻区，埋深8～15m及以下深度范围内存在低阻异常区（见图 3）。

图3 K13+955右10m测线视电阻率拟断面图

地质雷达探测代表性段落K13+910—K13+970段，地质雷达最大有效测深约5m，路面结构层与基层之间存在脱空现象，脱空深度在3～5m（见图4）。

图4 K13+910—950段右幅超车道脱空异常

2.3 钻探

在物探低阻异常范围内，K13+951右12m布设钻孔，钻进过程中未发现掉钻现象，采取土样测试，异常深度地层岩性为填土（粉土），含水量为18.9%～20.2%，稍湿-湿，该异常为粉土含水量高引起的。

K13+951断面，钻孔2个，分别在左幅塌陷位置和右幅，断面处填土高度16.4～22.4m，填土以下为粉土或粉砂。钻探揭示左右幅（4号孔）13.0m以左侧填土的含水量普遍偏大，含水量大于20%的占样品数量的67%；右幅（6号孔）填土的含水量均较小，最大为17%，其余均小于15%。左侧有积水（见图5）。

图5 K13+951工程地质横断面图

从钻孔土样试验资料与断面图分析，0～1.4m为路面沥青混凝土及水稳结构层，路面结构以下地层如下：

a）第四系全新统（Q4me）路基填土 1.4～8.0m 为路基填土（粉土）中密，土质不匀，孔隙比0.78，中密，含水量22.4%，湿，饱和度84%，软塑-流塑状，标贯击数2击。该段路基土层湿软、具有流变性和触变性，钻探进尺快，土层中存在导水空隙。

b）第四系中更新统（Q2pl）粉质黏土土质较均匀，含钙质结核及菌丝，黏性较弱，手捻可呈条状。含水量为 17.5%～21.9%，塑性指数 10.1～15.2，液性指数0.02～0.50，呈硬塑-可塑状态。

通过工程地质调绘、物理勘探、钻探，查明路基填土3～5m间存在脱空，8～15m填土湿软，土层中存在导水空隙。

3 水毁类型判别及原因分析

3.1 依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）判别

连续级配的土，通过计算：d10=0.004，d60=0.09，d70=0.15，依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487—2008）附录 G不均匀系数：Cu=d60/d10=0.09/0.004=22.5，由于 Cu＞5，则须求 P，对级配连续的土，其粗、细颗粒的区分粒径d由式（1）计算：

式中：细颗粒含量通过求取P=40%＞35%，为流土。

3.2 依据水力条件判别

流土临界水力比降Jcr，除以安全系数Fs（高速公路路基工程取2.5），得到允许水力比降J允许，与该处土体渗透作用下的实际水力比降J比较，若J＞J允许，则产生流土。

式中：Jcr为土的临界水力比降；Gs为土粒的比重；n为土的孔隙率。

通过判别，水毁路段水毁类型为流土。

4 水毁原因分析

由于降雨集中，地表排水系统破坏，雨水渗入到路基内部，粉土被带走，造成路基填料流失，使路基沉陷失稳，路面产生破损、裂缝，排水沟及护面墙毁坏，局部路段的土体脱空，产生水毁事故。形成原因主要如下：

降雨历时长、强度大是造成高速公路路基水毁的主要原因。通过向当地气象局收集降雨资料，2015年7月31日—8月4日，水毁路段区域累计降雨量超过了210 mm，最大小时达71.7 mm/h。最大小时雨强超过了百年一遇的强度，洪峰流量超过了高速公路的防洪设防标准，本轮降雨强度大、历时长是造成高速公路路基水毁的最主要原因。

沿线居民生产、生活等人为活动导致排水体系的改变是高速公路路基水毁的重要原因。沿线居民由于生产、生活及出行的需要，填沟修路形成了众多纵横交错淤地坝，将原有自然排水冲沟通道堵塞，本次降雨强度大，历时5 d，乡村道路等级低，在洪水的猛烈冲击下，大部分道路被冲断，淤地坝内的积水层层传递，形成了溃坝效应，大量洪水短时间内迅速积聚到了高速公路的上游，是导致路基发生水毁的重要原因。

路基填方与原地形结合部位处理不当，受到强降水的影响，雨水渗入路基，使路基填料潮湿软化，降低了填料的黏聚力，在车辆以及路基本身荷载作用下导致路基沉陷。

由于该处高填路基设有一道4×2.7 m钢筋混凝土暗板通道，公路施工过程中，取消了原有设计涵洞采用路基宽填的形式，导致排水不畅，也是比较重要的原因。

5 病害综合治理方案

高速公路左侧冲沟内沿沟壁设置一道截水沟，上游汇水通过截水沟引至边沟内排出。完善排水系统，重新设置排水沟。

路基外进水口、出水口采用灰土分层回填夯实，灰土质量比为1∶10。

左侧路基外冲沟采用普通土分层回填并超出高速公路路面标高，其中回填土顶部采用50 cm厚10%灰土分层回填。

路基左幅边沟底部设置两排灰土止水帷幕桩，灰土桩桩径为80 cm，桩间距70 cm，梅花型布置，桩与桩间相切布置，以隔绝上游积水对路基的渗透。桩长深入原地面2.0 m。灰土桩灰土质量比为1∶10，并掺3%的水泥，桩体的平均压实系数不小于0.96。

高压旋喷桩径为60 cm，桩间距1.5 m，梅花型布置，桩长以深入原地面2.0 m控制。采用单管法，注浆材料为42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比1∶1，注浆压力不低于20 MPa，固结土强度达到3 MPa。浆液流量80 L/min，喷嘴孔径2～3 mm；提升速度0.25 m/min，旋转速度20 rpm。路堤土体普遍较湿软，且填土间有空隙；另外局部存在渗流通道，因此旋喷桩施工过程中不冒浆，采用不提升注浆管连续注浆复喷的办法，效果较好。

采用两次注浆的办法，即旋喷注浆完成后，在原旋喷孔位上，进行第二次注浆，浆液配合比选用0.8∶1，消除固结体顶部与原有路面结构层间空隙。

重新设置防护，M7.5水泥砂浆砌MU30片石，拱型护坡。

6 结语

高速公路由于降雨集中、沿线居民生产生活等人为活动、路基填方与原地形结合部位处理不当、高填路基取消了原有设计涵洞等原因，排水不畅，路基粉土物理力学性质发生改变，导致路基发生流土，路基严重受毁。

通过勘察，提出了疏通路基排水系统+硬化宽填+坡面防护+旋喷桩+灰土桩，并对坡角基础防护的综合处治方案，该水毁路基为我国今后类似条件下公路路基水毁病害的治理积累了宝贵的经验。