基于侧向打桩挤土及注浆加固的沉降路基修复工法

李佳坤等

摘要：根据道路沉降变形和破坏问题的工程处治需求，将水平侧向打桩的挤土效应和注浆的化学加固效应有效结合，提出一种工程实用的路基沉降修复工法。通过路基侧向近水平方向的打桩来挤密路基填料，使路基在竖直方向上挤高膨胀，恢复竖向沉降变形。通过在预制桩中预留压力灌浆通道和孔洞，使注浆加固更加便利和有效，通过压力灌浆体的化学加固效应进一步修复路基岩土体结构的强度、刚度和稳定性。本方法可推广应用于路基水毁修复工程。

Abstract： According to engineering treatment requirements of the deformation and failure of subgrade settlement， the horizontal lateral piling compaction is effectively combined with the chemical reinforcement effect of grouting to put forward a kind of utility engineering subgrade settlement repair method. The roadbed filling is compacted by the subgrade lateral piling to make the subgrade crowded high and inflation in vertical direction and restore vertical subsidence deformation. By reserving pile pressure grouting channels and holes in the precast， the grouting reinforcement is more convenient and effective. The strength， stiffness and stability of the subgrade ground structure is further repaired by the chemical reinforcement effect of pressure grouting body. The method can be applied to the water damage repair engineering of subgrade.

关键词：道路工程；路基沉降；路基修复；侧向打桩挤土；注浆加固

Key words： road engineering；subgrade settlement；subgrade repair；lateral piling compaction；grouting reinforcement

中图分类号：U213.1+5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）28-0133-03

0 引言

特定设计等级、填料类型、压实度、施工工艺等条件下形成的路基结构在行车荷载和湿度、温度、水力等多因素的耦合作用下，必然导致路基结构的变化，道路养护和管理技术人员重点关注路基结构的灾变和劣化问题，路基沉降是常见的路基灾变和劣化问题之一。路基沉降问题及其引发的道路破坏是道路工程领域研究的重要方向之一。前人针对路基沉降问题主要采用土力学相关理论进行了大量成因机制研究，但在路基沉降的控制技术研发方面的进展相对较慢，路基沉降控制的有效技术研发相对薄弱。因此本文着眼于技术研发，提出了一种联合水平方向打桩挤土与注浆化学加固土体的路基沉降控制新思路和方法。

目前，打桩技术用于岩土工程中建筑地基和边坡工程的处治比较普遍，主要以竖向打桩为主，在道路工程路基变形处治方面，较少使用打桩修复，尚未见水平侧向打桩修复路基沉降的技术介绍。当前的路基注浆技术在路基填料压实度大于80%时，注浆有效性降低，极易形成局部区域注浆困难、注浆不充分、漏灌等问题。为解决上述方法的不足，将侧向打桩与注浆技术互补是本文所做的有益探索性工作，通过打桩提高注浆的均匀性和有效性，通过注浆实现桩体的补强。

1 路基沉降问题及成因分析

路基是按照公路或铁路路线位置和一定技术要求修筑的作为路面或轨道基础的线形带状构造物，是公路和铁路的基础，路基是用土或石料修筑而成的线形结构物。路基应修筑在良好的地质、水文和气候条件下，以减少路基沉降等病害的发生。从材料上分，路基可分为土质路基，石质路基，土石混填路基三种。根据填方和挖方情况，路基可分为路堤、路堑、半填半挖路基和零填路基，填方路基（特别是高填方路基）是沉降的易发路段，因此本文主要针对填方路堤开展沉降处治技术研发。路基在交通荷载和环境因素的长期共同作用下会产生累积沉降变形，从而给交通运输带来安全隐患。目前，由于沉降问题引起的路基病害较为普遍，很多已建和在建道路不同程度地出现了早期破坏，导致在道路建设及管养期间花费大量的人力和财力进行处治，沉降变形的处治技术一直是交通运输部门迫切需要解决的关键技术，路基沉降问题一直为工程界所关注[1]。

路基沉降指道路（公路、铁路等）的基础由于受到外界的力（地震、施工振动、车辆荷载、渗透力等）或是自身的重力作用而下沉的现象。路基若存在压实度不足、水的浸泡软化等问题，在路面交通荷载作用一段时间后，路基将发生沉陷（沉降）。路基沉降量可观测出来，路基沉降严重影响交通安全，道路需要进行监控量测。

道路路基由于填料不均匀、填料不良、填料压实不充分、含水量过高、地震、施工振动、车辆荷载、渗透力、自重等因素的耦合作用而劣化，发生沉降变形是道路路基的常见病害之一。路基沉降过大必然导致公路路面和铁路轨道的变形破坏，危及道路交通安全。因此，有效处治路基的沉降问题，对于保障交通运输安全具有重要现实意义。

2 沉降路基修复技术现状

当前，很多技术可应用于路基沉降处治，包括塑料排水板联合堆载、真空预压排水固结法、砂桩散体材料桩复合地基、水泥土搅拌桩法、CFG桩、预应力混凝土管桩桩网结构、桩筏结构、钢筋混凝土桩桩板结构、长板—短桩工法等[1]。本文，将水平侧向打桩的挤土效应和注浆加固有效结合。通过侧向近水平方向的打桩挤密路基填料，使路基在竖直方向上挤高，恢复沉降变形。通过在预制桩中预留压力灌浆通道和孔洞，使注浆加固更加便利和有效。通过化学注浆体的凝结固化作用恢复、补强路基强度等物理力学参数。

目前，国内外部分学者和工程技术人员已开展路基注浆加固的理论和技术研究，虽然注浆对提高路基强度有一定的效果，但是当路基填土体的压实度大于80%时，注浆便不能有效进行，极易形成局部区域注浆困难、注浆不充分、漏灌等问题[2]。目前，通过桩的手段加固岩土体，多用于建筑物地基的处治，而且主要是竖直方向打桩。道路路基变形处治方面，较少使用打桩修复的方法，并且未见水平侧向打桩修复路基沉降的工法。本文所述工法可用于道路水毁沉降路基修复，可解决现有注浆加固法易形成局部漏灌区等问题，提高沉降路基修复的效果。

3 基于侧向打桩挤土及注浆加固的沉降路基修复工法

3.1 技术概要

路基修复指通过工程技术恢复路基的强度、刚度和稳定性，恢复路基的设计标高、宽度等几何尺寸。通过修复技术使发生劣化、病变的路基恢复健康状态，达到维持交通畅通和保障道路地质安全的目的，路基修复是道路岩土减灾的重要方面。

本技术通过在路基沉降路段侧面近水平方向打入预制桩，挤土加固路基，竖直方向挤高路基填料，恢复竖直方向的下沉。打入的预制桩中预留注浆的管道和孔洞。在沉降路基侧面打入预制桩后，使用压力注浆机灌入化学浆液到路基填料中。浆液固化，加固路基。将水平侧向打桩的挤土效应和注浆加固有效结合，实现沉降路基修复与补强的目的。

3.2 技术方案

第一步，预制带注浆通道和孔洞的钢管桩或钢筋混凝土桩。预制桩与路基的纵向垂直且水平设置，预制桩为圆筒状、前端设圆锥状的桩头，减小桩端和桩侧贯入阻力，使打入预制桩更加快速。预制桩表面均布开有多个孔洞，且捶击预制桩的一端留有灌注浆体的开口。预制桩内可灌注化学浆体用于路基岩土体的化学加固。

第二步，路基侧面从下往上逐排错位打入近水平角度的预制桩，挤密和挤高沉降路基的填料，修复沉降变形。在路基的纵剖面中，预制桩形成水平排列的多行，相邻上下两行之间交错设置，形成多个三角形结构，这种结构方式使后续灌浆更均匀，浆体凝固后预制桩对整个路基的支撑更加牢固。通过在路基填土体的侧向打入近水平方向的预制桩实现挤土修复路基尺寸变形的目的。打入桩等效于使路基填土体的固相土粒体积及重量增加，桩的侧向挤密作用必然使路基空隙或孔隙中气相空气和液相水分的比例相对降低。因此，侧向打桩挤入路基在力学效应方面等效于在路基填土表面施加压实荷载，完全可以达到挤压、密实路基填土体，有效强化路基的根本目的。通过路基侧面打入接近水平方向的预制桩，挤密路基填料，减少路基中空气和水份占据的空隙或孔隙，提高路基的密实程度。根据泊松效应，侧向水平方向打入预制桩，可以在竖向上挤高路基填料，达到恢复路基沉降的目的，使路基标高达到沉降前的设计标高。通过在预制桩中预留注浆管道和孔洞，为下一步压力灌浆提供通道。综合侧向打桩挤土效应和压力注浆的作用，实现沉降路基强度和变形的修复，保障路基稳定性。

第三步，压力注入化学浆体，化学浆体凝固，进一步加固沉降路基的填料，修复路基强度、恢复路基稳定性。利用液压或气压通过管道把能凝固的浆液压入预制桩中预设的孔道，对沉降变形路基的需加固部位，用压浆机高压注入浆液，水泥浆或化学浆液以预制桩形成的三角形结构为骨架、均匀地渗入路基填料结构层中，浆料以渗透、填充和挤密等方式，驱走路基填土颗粒间的空气和水分后，填充土颗粒间的空隙和孔隙，经过一定的时间后，浆液将原来松散的路基土粒胶结成一个整体，桩与桩周土体胶结物联合，从而使路基得到加固，减少工后沉降和路基工作过程中的沉降。

第四步，完成上述步骤后对路基进行养护，形成高强度的路基结构。

4 工法的可行性论证

参考Collines（2008）文献中介绍的路基侧坡加固方法（图1），可保障路基侧向锤桩的可行性[3]。根据泊松效应、岩土材料的剪胀性和压硬性，可论证水平桩挤土恢复路基填料竖向沉降、打桩补强路基的可行性。文献[2]量化建立的填土打桩侧向压实机理可作为路基侧向锤桩挤土压实效应的理论依据。文献[4]、[5]中的工程实例及介绍的压力注浆工艺流程证实了在预制带孔洞桩中压力注浆来修复、补强加固沉降路基结构的可行性。综上，本文所提出的新方法具有一定的工程可行性。

5 结语

本文提供了一种可推广应用于路基水毁修复工程的路基修复结构及方法，首先打桩挤土，通过路基侧面打入接近水平方向的预制桩，挤密路基填料，减少路基中空气和水份占据的空隙或孔隙，提高路基的密实程度。侧向水平方向打入预制桩，可以在竖直方向挤高路基填料，达到恢复路基沉降变形的目的，使路基标高达到沉降前的设计标高。通过在预制桩中预留注浆管道和孔洞，为压力灌浆提供通道，通过压力灌浆体的化学加固效应进一步修复路基岩土体结构的强度、刚度和稳定性。综合侧向打桩挤土效应和压力注浆加固的作用，实现沉降路基强度和变形的修复，保障路基的稳定性。

参考文献：

[1]赵新益，李时亮，汪莹鹤.铁路软土地基路基沉降控制技术研究[J].铁道工程学报，2015（5）：18-22.

[2]陈洪凯，唐红梅，周富春，翁其能.墙后路基填土分层碾压打桩侧向压实技术[J].中国公路报，2000，13（2）：5-7，12.

[3]Thomas K.Collins. Debris flows caused by failure of fill slopes： early detection， warning， and loss prevention[J]. Landslides，2008（5）：107-120.

[4]陈士虎.顶板中空注浆锚索及底板注浆巷道修复技术[J].煤炭工程，2015，47（7）：56-58.

[5]朱宝龙，胡厚田，张玉芳，陈强，张胜文.钢管压力注浆型抗滑挡墙在京珠高速公路K108滑坡治理中的应用[J].岩石力学与工程学报，2006，25（2）：399-406.