黄土地区公路路面沉陷处理分析与对策

董英杰

(辽宁省交通规划设计院，辽宁 沈阳 110166)

1 概述

黄土的孔隙比在1.0左右或更大，多有肉眼可见的大孔隙，颗粒间具有较大的结构强度，在天然干燥状态下承载力较高，可达150 kN/m2～200 kN/m2。但黄土在自重或一定荷载的作用下，受水浸湿后，黄土结构迅速破坏并发生显著的附加沉降，以致其上的建筑物遭到破坏。这是黄土具有的特殊工程性质，具有这种性质的称为湿陷性黄土。公路工程作为一种线状建筑物，穿越的地形地貌复杂多变，位于黄土地区的公路项目不可避免的要穿越湿陷性黄土路段，由于受工程造价控制，多采用挖方段的黄土填筑填方段的路基，如果设计方案考虑不周或施工处理不到位，极易引起路界内外的汇水入渗，导致黄土地基及黄土路堤产生湿陷性，引起公路路面的凹陷开裂等情况，影响工程质量和行车安全。

2 黄土地区公路路面沉陷的原因分析

2.1 常用的黄土地基处理方法

根据黄土的特点和建筑物类别的要求，黄土地基处理主要从消除黄土的湿陷性和阻止水分的入侵两个方面考虑。消除黄土的湿陷性的方式按处理深度能力从浅到深分为冲击碾压、强夯、灰土桩、桩基等几种，阻止水分的入侵主要考虑采用灰土垫层和防渗土工布等。多数工程设计方案综合采取两类措施。

2.2 黄土地区公路路面沉陷的原因分析

1)从工程勘察角度看，公路工程面长点多，平均造价低、地质变化多，不像单体建筑可以详细布点，较彻底的查明黄土的细微变化和各种物理力学特性来指导设计。线状工程只能通过尽可能合理的布设勘探点来了解路线内的地质情况，精度难以达到单体建筑的程度，可称为“一孔之见”。公路工程多位于野外，遇到的地形地貌和地质的变化远非城市所能比，也难有周边工程可供类比，可以说每一条冲沟、每一个山丘和谷地的沉积条件、湿陷黄土层厚度和湿陷程度均不同。这就造成优秀的勘察和设计工作者也难以在有限的条件下完成完美的设计作品。受勘测条件限制，设计中难以准确把握每一路段的细微变化而采用准确的处理措施，况且频繁变换处理方式和处理强度在工程实施中也是不现实的。2)从工程设计角度看，由于现有的技术手段处理的湿陷性黄土厚度有限，而高路堤的附加应力影响深度较大，从工程实施的经济性和处理的难易程度角度看，只能将表层湿陷性较大的影响工程质量的部位处理好。例如对于桥涵构造物与路基的衔接部位，极易产生差异沉降，设计中做重点处理，而一般路段考虑均匀沉降对于公路运营后影响较小，设计中做一般处理，因此不同路段之间及同一路段不同填高、不同黄土厚度情况下均会产生沉降差异。3)从工程施工角度看，施工场地条件千变万化，施工机具难以完好的处理到路基的各个部位。例如:黄土冲沟沟壁深而且陡，采用灰土桩或强夯等处理，机具均难以处理到位，个别位置甚至难以处理，而且冲沟在雨季中极易受水浸淹，产生黄土湿陷，因此一般黄土冲沟路段多是路基沉陷病害多发路段。又如在方圆几十千米甚至几百千米范围均为黄土的地区，想得到理想的路基填料极为困难，远运利用造价昂贵，多采用CBR试验等指标满足规范的黄土填筑路基或黄土掺灰土，因此正常情况下满足使用要求，但如果局部存在积水汇水或掺拌、碾压不到位时，黄土路基易产生凹陷、边坡滑塌等病害。4)从公路运营角度看，基于以上的不利因素，使得公路局部路段形成了薄弱部位，随着时间而不断发展，特别是水的作用，黄土湿陷的病害进一步发展，造成路面凹凸不平，形成积水汇水并不断恶性循环。另外目前我国重载交通比重大，超载现象广泛存在，因此对于路基路面的损坏较大，尤其是多车道公路，在大车道和小车道之间形成明显的不均匀沉降。目前我国公路在养护的投入上较为薄弱，很多公路路段位于较为荒僻的地区，对于公路养护提出了更高要求。

3 黄土地区公路运营期沉陷处理的特殊要求

根据以上对于黄土地区公路病害形成原因的分析，可见湿陷性黄土作为一种不良地质对于公路建设质量和运营安全的影响是巨大的，运营期的病害处理是必须考虑的。由于公路运营期的特点决定我们处理的方式必然与施工期不同。

首先由于路基的填筑和路面的铺设和保证通车，因此难以对于病害部位采取挖除进行地基处理的方式进行，尽量采取工程作业面小、社会影响小、施工期短和造价低的措施。

其次在养护大修中必须根据以上分析从勘察设计施工到管理各个环节分析产生病害的原因才能对症下药，不分析原因盲目修补不能根本解决问题。

另外处理的时效性要准确把握，需各个部门通力合作。例如公路刚通车试运营到竣工验收一般有1年～2年，这是各种病害集中爆发期，也是建设工程的保修期，因此应积极利用这一时期，在建设单位的主持下，在设计施工监理单位的积极配合下，尽量在竣工验收前将问题基本解决。

4 黄土地区公路运营期沉降的主要技术措施

4.1 高压旋喷桩处理黄土地基

分析产生病害的原因，应从地质条件开始，对于由于地质条件有变异，湿陷性黄土厚度有变化或湿陷等级有差异的情况，综合分析其他因素后，可将黄土地基产生湿陷性作为病害的主因加以处理，再辅以其他技术措施。此种病害类型的确定必须慎重考虑，不能确定时应增加地勘和室内试验加以印证，因为同建筑物的后期地基处理一样，后期处理黄土地基费用是最高的，所能采取的措施又是有限的。能保证基本不破坏路基路面，施工机具方便灵活且工期较短的处理措施是高压旋喷桩。

高压旋喷桩是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备使浆液或者水成为高压流从喷嘴喷出冲击破坏土体，喷嘴旋转则形成柱状水泥加固体。施工占地少、振动小、噪声较低，有局部泛浆对环境有一定影响，成本较高。高压喷射注浆法适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。高压喷射注浆法分为单管、二重管、三重管和多重管法，区别在于高压冲击破坏土体的介质不同，形成的桩体直径依次变大。单管法采用20 MPa以上高压喷射浆液破坏土体，成桩直径最小(0.5 m～0.8 m);二重管法同时喷射高压液体和空气，固结体直径明显增大;三重管法分别输送水、气、浆冲击土体，形成更大直径固结体;多重管法采用高压水流切削破坏土体后用真空泵抽出泥浆，在地下形成较大空间再充填各种材料。黄土路段不适用射水的三重管和多重管法，因此造价最低廉的单管法较为适用。

高压旋喷桩的成桩后状况与水泥湿喷桩类似，均是形成水泥土桩体，只是旋喷桩通过高压喷射破坏土体成桩，湿喷桩通过叶片搅拌土体成桩，水旋喷桩处理深度可达30 m以上。由于水泥土桩体强度增长慢，可加入氯化钙、三乙醇胺等外加剂促凝、早强。水泥掺入比约15%，水灰比一般1∶1。在原地面位置可加强复喷，提升到路基部位由于高压旋喷不如灌浆的效果，旋喷桩终桩高度一般为原地面，喷头再向上提升改为压力灌浆。

对于路基，利用高压旋喷的钻孔进行水泥粉煤灰浆体灌注，粉煤灰中SiO2，Al2O3和Fe2O3，CaO等含量应大于85%～95%，烧失量不宜大于4%～8%，掺入含量为20%～30%，建议水灰比采用0.8∶1～1∶1。

本方案的优点是技术成熟施工迅速，对既有建筑扰动小，缺点是造价较高，为隐蔽工程，泛浆易污染环境，可考虑回灌路基的空隙和裂缝。

4.2 路基压力注浆(灌浆)处理路基

路面沉陷频发部位多集中在桥涵台后、涵顶、冲沟和填挖结合部位，这些部位也是路基施工质量较难控制之处。如台后换填材料质量及其压实、冲沟处填筑厚度及其压实、冲沟沟壁台阶的开挖和压实、填挖结合部的基底压实和挖方段换填厚度、灰土拌合质量，路基填筑黄土由于渗水产生湿陷性下沉等。对于地基处理符合设计要求，产生病害的原因是路基碾压不实或产生湿陷性时，可采取钻孔压力注浆(灌浆)处理路基。一般采用水泥浆液，如采用渗入性灌浆，则先按地基处理手册进行理论计算初定钻孔间距，再在实际工地进行试灌修正。对于渗透性较差的路基填料，可采用压力注浆，一般压力不大于2 MPa。

4.3 排水隔水措施的完善

路面沉陷现象频发部位也是排水、汇水的重点破损位置，水的汇集和渗流可能导致路基以及地基浸泡软化引发路基变形，常见如下几个方面:

1)路面下沉加铺后高缘石变为平缘石甚至低洼，集中排水设施失效，局部变为散排水，渗入路基。此种情况应及时上抬路缘石，修整泄水槽出口，将路面水引入路基边沟，防止路面水渗入土路肩。

2)泄水槽、填挖交界急流槽破损严重，水分入渗边坡影响路基。应修整破损的泄水槽和急流槽，槽下的垫层应采用防渗的灰土垫层。

3)超高段中分带集水井由于路面沉陷加铺或绿化培土致使进水口堵塞、井内淤积、路缘石下沉等，严重削弱排水功能。道路中分带的排水系统必须完善，超高段的集水井和横向排水设施应保持畅通。一般路段也应设置中分带排水沟，不能采取直接培土的方式，防止水分的入渗引起黄土湿陷。

4)纵向边沟排水不畅，未能按设计标高和纵坡施工，造成局部路段边沟积水。此种情况必须调整边坡纵坡将水尽快排至路界外，防止积水下渗影响黄土地基。

针对黄土遇水湿陷的特性，因此疏通排水网络和做好路基路面的防水措施是最为经济易实现的措施，应按各种状况分析排水设施的不足，采取相应的解决措施。

[1] 《地基处理手册》编委会.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1996.

[2] GB 50025-2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[3] JTG D30-2004，公路路基设计规范[S].