浅论公路工程中的路基加固技术

分类：推荐论文 时间：关注：(1)

浅论公路工程中的路基加固技术
颜万文
摘　要: 近几年来, 随着高速公路的发展, 对地基的承载能力要求越来越高, 天然的软土地基远不能满足这些高档次的构造物对地基承载力的要求。本文论述了传统的路基加固技术，对诸如施工中的加固机理，施工方法，需要注意的问题进行了分析。
关键词: 路基加固; 排水; 防护
1　路基的加固方法
公路路基作为路面的基础, 尽管不与行车和外界环境荷载直接发生作用, 但仍旧承受来自基层的荷载扩散和环境的影响。路基要发挥其作用, 必须具备足够的强度和稳定性。天然状态下的路基很难满足道路行车和气候荷载的作用要求, 因此, 对路基必须进行必要的加固, 使其达到设计要求的强度与稳定性指标。
1. 1　机械碾压法
机械碾压法是最常见的一种路基压实加固方法。该方法是利用机械自重把松散的路基土压实加固, 以充分发挥路基土的强度, 减少路基在行车荷载作用下产生的沉降, 增大路基土的不透水性, 提高路基的强度稳定性。这种压实方法常用于地下水位以上大面积填土的路基压实以及一般非饱和粘性土和杂填土地基的浅层处理。
1. 1. 1　碾压机理
在泥土中, 在一定的压实功能下, 当含水量很小时, 土颗粒表面仅存在结合水膜, 土颗粒间的引力很大, 土颗粒间的相对移动困难, 土的干密度较小。随着含水量的增加, 土颗粒相互间在外力作用下容易发生相对移动, 达到更密实的程度, 干密度随之增加。但当含水量继续增加, 超过最佳含水量以后,多余的水不易排出, 在外力作用下, 孔隙水压增加,抵消了冲击作用, 阻止土粒的移动, 土体反而得不到压实, 干密度下降。由此可见, 只有在一定的含水量范围内压实, 才能得到较好的效果。
1. 1. 2　施工方法
公路填方应从最低处开始, 由下向上整个路基宽度水平分层碾压。为了提高碾压效率, 在碾压机械碾压之前用推土机铺土、推平, 低速预压4～ 5 遍, 以保证表面平实。然后用压路机采用“薄填、慢驶、多次”的方法碾压, 填土厚度不得超过30 cm; 碾压方向从两边逐渐压向中间, 碾轮每次碾压与前次碾压后轮轮迹重叠一半左右; 碾压时要控制行使速度, 压实遍数不少于6 遍。每碾压完1 层后(以轮子下沉量不超过2 cm 为度) , 用人工或推土机拉毛, 以保证层间的接合, 然后继续填土碾压。当土层表面太干时, 洒水湿润, 使其含水量达到最佳, 以保证上下土层结合良好。在路基边缘处, 碾压机无法碾压之处应采用人工夯实并注意其质量控制。
1. 2　强夯法
强夯法又称动力固结法(Dynam icCon so lidat ion M ethed) 或动力压实法, 该方法是由法国M enard 技术公司首创的一种土体加固方法。我国于20 世纪80 年代开始, 在天津新港、河北、山西等地进行了强夯法的试验研究, 并取得了较好的加固效果, 此后在全国推广使用。
1. 2. 1　加固机理
早些的理论认为, 由于强夯时巨大的冲击能量,使土体产生强烈的震动和应力, 从而导致土体迅速固结以达到减少沉降提高承载能力的目的。此外还有振动波理论。振动波理论认为: 强夯的特点是将机械能转换为势能, 再变为动能作用于土体。在重锤作用于地基一瞬间, 使土体产生强烈震动, 类似了地震的震源, 在地基土中产生震动波, 从震源向四周传播。又因地基为一弹塑性材料, 在巨大的冲击能作用下,质点在连续介质内振动, 其振动的能量可以传递给周围介质, 而引起周围介质的振动。振动在介质内的传播过程可根据其作用、性质和特点的不同, 分为体波和面波2 种。
1. 2. 2　强夯法加固路基施工工艺
(1) 施工要求
大面积夯实前需要试夯, 由试夯对设计参数进行验证, 若有不符之处需再调整, 以便设计更合理;在强夯之前应绘制夯锤ö最终成型布置图, 便于施工; 如夯击过程中出现弹簧等不利现象, 应立即停止施工, 改进方案; 强夯的目的是加固土体, 因此强夯结束后必须达到设计要求, 否则需补夯。
(2) 施工过程
先对场地平整, 然后按照最终成型布置图确定夯击点位; 起重机就位, 使夯锤对准夯击点位置, 并测量夯点锤顶高程; 将夯锤起吊到预定高度, 待夯锤脱钩下落后放下吊钩, 测量锤顶高程, 若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜, 应及时将坑底整平; 重复上述步骤3, 按设计规定的次数夯击标准完成一个点的夯击; 换夯点, 重复上述步骤2～ 4, 直到完成第1 遍全部夯点; 用推土机将夯坑填平, 并测量场地高程; 在全部夯点完成后, 若无弹簧现象, 可以进行第2 遍夯
击。
1. 3　注浆法
注浆法是指利用液压、气压或电化学原理, 通过注浆管把浆液均匀地注入地层中, 浆液以充填、渗透和挤密等方式赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置, 经人工控制一定时间后, 浆液将原来松散的土料或裂隙胶结成一个整体, 形成一个结构新、强度大、防水性能高和化学元素稳定性好的“结石体”。注浆方法目前常用的有4 种, 分别为渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆、喷射注浆。
1. 3. 1　注浆法的加固机理
目前, 关于注浆法的加固机理有以下4 类理论.(1) 渗入性注浆理论: 在注浆压力作用下, 浆液克服各种阻力而渗入孔隙和裂隙, 压力越大, 吸浆量及浆液扩散距离就越大。(2) 劈裂注浆: 在注浆压力作用下, 浆液克服地层的初始应力和抗拉强度, 引起岩石或土体结构的破坏和扰动, 使地层中原有的孔隙或裂隙扩张, 或形成新的孔隙或裂隙, 从而使低透水性地层的可注性和浆液扩散距离增大。(3) 压密注浆: 通过钻孔向土层中压入浓浆, 随着土体的压密和浆液的挤入, 浆液在压浆点周围形成灯泡形空间, 并因浆液的挤压作用而产生辐射状上抬力, 从而引起地层局部隆起。
1. 3. 2　注浆法加固路基施工工艺
(1) 注浆次序
在设计注浆孔的排列时, 一般原则是从外围进行围、堵、截, 内部进行填、压, 即先将注浆区圈围住,再在中间插孔注浆挤密, 最后逐序压实, 这样易于保证注浆质量。所以, 注浆的施工次序必须遵循逐渐加密的原则。先钻、注第1 次序孔, 而后开始第2 次序孔的钻进和注浆, 依次类推。这样还可以随着各次序孔的推进, 及时地检查注浆效果。为使浆液渗透均匀,注浆段长不宜太长。
(2) 注浆施工中的技术管理
①注浆压力的管理: 注浆压力是了解浆液在地基中渗透情况的重要线索, 是注浆施工中最基本的管理内容。根据注浆压力的变化情况可以进行浆液流量、凝胶时间的调控, 也可通过注浆压力的变化来判断注浆情况。在向充填后的暗穴注浆时, 所使用的浆液主要是水泥浆。
②浆液流量的管理在注浆施工中, 对于充填后的暗穴采用较小的浆液流量。由于其强度低, 为避免采用过大的注浆压力, 往往采用较小的浆液流量。浆液流量一般调节在8～ 30 L öm in范围内。因此,首先应决定浆液流量, 然后据此来选用注浆设备。
1. 4　桩基加固法
桩基加固是利用制孔机械设备在软土路基中钻孔, 填入加固料制成桩, 桩和软土构成复合地基。加固料和土体共同作用, 增加地基承载力。根据填入孔中加固料不同而分为碎石桩、生石灰桩、挤密砂桩等。
1. 4. 1　碎石桩
碎石桩根据成桩方式不同分锤击式碎石桩、预配式碎石桩和振冲碎石桩等。振冲碎石桩具有操作简单、施工方便、成桩效率高等特点。碎石桩加固软土地基的机理是软土和碎石桩组成复合地基, 一般桩体应力要比土体应力高3～ 5 倍。碎石桩的直径一般为80～ 90 cm , 桩长视软土层厚度而定, 一般桩长为6～ 8 m , 间距按要求的承载力通过计算确定, 常按梅花或方形排列。粒径小于8 cm 的碎石、卵石、砾石、矿碴等均可作为桩体填料。碎石桩顶部铺以0. 5～ 1. 0 m 厚的碎石垫层, 一方面均布基底应力, 另兼作横向排水通道。
1. 4. 2　挤密砂桩
挤密砂桩是在软土地基制成的孔中灌人中、粗混合砂料或砂与角砾的混合料, 以振动或冲击方式挤密形成砂桩。密实的砂桩挤密了软土层形成复合地基。挤密砂桩施工若置换率很大时应避免产生地面隆起和侧向挤出, 这种情况一般发生在砂桩设置于约束力很小的超软土层中。遇此情况, 一是采用砂和角砾摩擦力较大的回填材料; 二是采用间隔挤密的方法。
1. 4. 3　生石灰桩
生石灰桩是用2～ 5 cm 大小的生石灰块填入预先在软土层中冲好的孔眼中, 形成石灰桩地基。生石灰桩加固软土地基的机理是生石灰遇土体中孔隙水发生反应, 使桩周围软土中含水量降低, 同时体积膨胀并放出大量热, 土体被挤密; 生石灰使土的物理、力学性能和结构都得到改善, 从而提高了土体的强度。增加软土地基承载力。生石灰桩加固后的软土地基沉降量大为减小, 因而在沉降要求严格的情况下采用。
2.路基路面排水
　　水是影响路基强度和稳定性的另一重要因素，许多路基病害是由水的侵蚀造成的，另外，从保护环境、不损害当地农田水利设施考虑，也必须做好路基排水，形成排水系统，并与地区排水规划相协调。在路基施工中，应重视施工排水，防止因各种原因造成的水患，给路基、路面施工造成不必要的损失。
2.1地面排水
　　最通常采用的地面排水设施是边沟、截水沟、跌水、急流槽以及地表的排水管。对于高速公路和一级公路上的排水沟渠，一般都要求铺砌防护。普遍采用浆砌片石加固、而水泥混凝土预制板块也开始广泛应用。高速公路和一级公路通过水网地段的路基，过去逢沟设涵的做法在一些地方有了改进，对路线两侧的灌溉沟渠重新系统布置，免去了穿越路线的排灌涵洞，从而提高了路基的工程质量。
2.2路面排水
　　路面排水的任务是迅速排除路面范围内的降水，减少水从路面渗入，使之不冲刷路基边坡。路拱横坡应≥2％。
　　
2.3地下排水
　　路基地下排水仍多用暗沟、盲沟、渗沟、渗井等，其特点是以渗透力式排水，当水流量较大，多采用带渗水管的渗沟。传统的砂砾料反滤层多改用有反滤功能的土工织物，几年研制的带有钢圈、滤布和加强合成纤维组成的加劲软式透水管直径8-30cm，很适用于地下排水。
3.路基防护
　　路基的修筑改变了地层的天然平衡状态，以及路基暴露在空间，不断受各种错综复杂的自然因素侵蚀，因此需要进行各种类型的防护。
3.1坡面防护
　　坡面防护的目的是防止地表水流的冲刷、坡面岩土的风化剥落以及与环境的协调。近年来，高等级公路的边坡，多采用种草防护，边坡较高时，采用砌石框格(方型、菱形、拱型、M型)种草防护。由于西部干旱缺水，现大多采用草坪植生带，即将草籽、肥料和土均匀拌和裹于土工物内，当草籽发芽也长成草起到固土作用后，无纺布纤维自然腐烂，不会污染环境，效果很好。
　　石砌圬工防护仍较普遍使用，混凝土预制块护坡多用在路堤边坡，连片的及带窗孔的护面墙；用于路堑边坡。破裂的或易于风化破碎的岩石路堑边坡采用锚杆挂铁丝网或高强塑料网格喷浆或喷射混凝土以及喷射纤维混凝上防护也有较好的效果。
　　但由于石砌圬工及混凝土防护造价高、易破损等诸多问题，从保护环境的角度出发，建议大力推广种草防护。
3.2冲刷防护
　　防护沿河路基边坡免受冲刷仍多采用直接防护。传统的砌石、抛石、铁丝石笼、挡土墙等有所改进，用高强土工格栅代替铁丝做石笼，用聚脂或聚胺脂类土工织物混凝土护坡模袋做成的护面板防护受水冲浪击的边坡，很能适应土体不均匀沉降。
3.3支挡防护
　　挡土墙用于支挡防护目前仍占主要。石砌的重力式挡土墙多用于石料丰富、墙高较低、地基较好的场合；钢筋混凝土结构的悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙和板柱挡土墙也已广泛应用于公路路基的防护。垛式挡土墙易于调整墙的高度，并采用预制构件拼装，是一种特殊型式的挡土墙。
3结语
各种地基加固方法都有它的适用范围、局限性和优缺点，可从工期、费用、质量三大方面并结合工程实际的地质资料综合考虑，推选最佳方案。随着公路建设的高速发展，公路技术等级的提高，软土地基加固技术只有在理论和实践上不断提高、创新，才能适应公路建设发展的需要。