用于处治已建黄土路基沉陷病害的隔水帷幕的制作方法

本发明涉及路基加固处理技术领域，涉及一种用于处治已建黄土路基沉陷病害的隔水帷幕，尤其能处治由于外来地表水(降雨或灌溉)下渗、水分和盐分双重作用导致道路基底的沉陷和溶陷变形病害。

背景技术：

我国黄土分布约63.1万平方公里。截止2015年底，黄土分布区内已通车的(其中2.0万公里为高速公路，5.8万公里为国省道主干线)约70％路段分布在湿陷性黄土地区。黄土分布区公路中约二分之一里程在公路修筑技术水平较薄弱(路基基底未采取有效的加固处治措施)的背景下修成。如今由于公路沿线极端气候环境的变化，比如由于温室效应导致的恶劣气候(强降雨)的屡屡发生，比如由于发展农业引起的季节性灌溉及其外来盐分的侵入等等，使得公路的运营环境发生了根本性变化，路基始终处于强烈的增减湿和洗补盐循环状态中，导致了路基基底土的孔隙分布、持水特性、压缩特性等物理力学参数发生了改变，造成了路基不均匀沉陷乃至部分路段演变为塌陷灾变，即使采取了后期病害处治措施，逐年沉陷在所难免，严重影响了公路的通行能力和行车安全，造成了“屡治屡沉”的社会负面影响，浪费了大量维修养护资金。因此，提出一种针对已建黄土路基沉陷病害的处理措施，成为亟待解决的问题。

现有湿陷性黄土路基处治方法主要针对新建公路提出，包括换填垫层、冲击碾压、表面重夯、强夯、挤密桩、预浸水、化学加固等方法，从技术可行性和经济合理性综合考虑，这些方法对于已建黄土路基沉陷病害的处治，适用性较差，导致处治已建黄土路基沉陷病害的效果不理想。另外，增减湿循环作用下黄土物理力学性质的特殊性，造成了对黄土路基沉陷机理认识的困难，如果外来水携带盐分导致土体中易溶盐含量发生变化，同时考虑温度对土中水的影响，则黄土路基沉陷包含了湿陷、溶陷、融陷等不同成份，如此以来，黄土路基沉陷机理变得相当复杂，这也是至今没有相对成熟的针对已建黄土路基沉陷病害处治方法的原因。

技术实现要素：

本发明的目的是解决目前的湿陷性黄土路基处治方式存在的对已建黄土路基沉陷病害进行处治时适用性较差和处治效果不理想等技术问题，提供一种用于处治已建黄土路基沉陷病害的隔水帷幕。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于处治已建黄土路基沉陷病害的隔水帷幕，其由位于路堤两侧坡脚处的相互搭接的多个夯实水泥土桩组成，夯实水泥土桩从路堤坡脚处位置向下垂直方向延伸至地下深度h₁或h₂为5-15m，所述夯实水泥土桩为圆柱形，夯实水泥土桩的直径D为60-100cm，两个夯实水泥土桩相互搭接的宽度m为13-20cm。

可选地，所述隔水帷幕设置的深度h₁或h₂和夯实水泥土桩直径D是根据路基所处地域的气候环境、地质地貌、公路等级、基底土物理力学参数、基底原有加固措施，并在现场调查和分析历年沉降数据的基础上，依据基底土湿陷等级、累计沉降量、沉降速率后确定的。

可选地，位于路堤一侧坡脚处的多个夯实水泥土桩组成的隔水帷幕为单排或双排。

可选地，设置于路堤一侧坡脚处的隔水帷幕是单排还是双排是根据路堤填方高度、坡脚排水措施以及坡脚处地势的实际情况后确定的；填方高度不大于8m且坡脚处原地面地势高于周围地面地势的路段采用单排；填方高度大于8m或原地面低洼积水且沉陷严重，即路表累计沉降大于30cm且逐年沉降不止的路段采用双排。

可选地，所述夯实水泥土桩的直径D为80cm，两个夯实水泥土桩相互搭接的宽度m为15cm。

可选地，所述隔水帷幕为双排时，两排隔水帷幕之间的净距s'为50cm。

可选地，当所述路堤坡一侧脚处的隔水帷幕为单排时，单排隔水帷幕夯实水泥土桩采取隔桩跳打、相互搭接的方式进行施工；当所述路堤一侧坡脚处的隔水帷幕为双排时，应先施工靠近路堤一侧的一排夯实水泥土桩，待靠近路堤一侧的一排夯实水泥土桩施工完毕后再施工外侧的一排夯实水泥土桩。

可选地，基于路基左右侧水分下渗深度的差异和两侧坡脚基底土体含水率分布的不同，可将路堤两侧坡脚的隔水帷幕设置成不同深度。

可选地，基于隔水帷幕对限制基底土侧向位移的对称性要求，所述路堤两侧坡脚处的隔水帷幕之间的深度差≤2m。

可选地，在对夯实水泥土桩进行成孔时，成孔工艺根据路堤坡脚处场地大小和土质情况确定；对于夯实水泥土桩直径D大于800cm、深度h₁或h₂小于6m且直立性好的黏性土，可采用人工挖孔；为提高效率成孔工艺采用机械洛阳铲实现。

可选地，隔水帷幕采用矿渣硅酸盐水泥P.S.B.32.5，其初凝时间≥4h，终凝时间≥6h并≤10h。

可选地，制备隔水帷幕的水泥土以强度和渗透系数双指标作为试验室配合比设计和现场质量的控制指标，其95％保证率抗压强度不小于2.5MPa，试验室和现场渗透系数分别不大于2.5×10^-8cm/s和2.5×10^-7cm/s。

本发明采用上述技术方案，提供一种可以隔断路基两侧地表水(强降雨和农业灌溉)侵入路基的考虑水分和盐分综合作用下导致路基基底湿陷和溶陷病害的隔水帷幕。通过在路堤两侧坡脚处设置相互搭接的多个夯实水泥土桩作为隔水帷幕，一方面可以防止水分侧向渗入路基导致路基湿陷(或溶陷)下沉，另一方面通过具有一定强度隔水帷幕的“围箍”加固作用，可以限制基底土向两侧挤出，从而可以减小路基的下沉。因此，与背景技术相比，本发明具有能够有效处治已建黄土路基沉陷病害、提高黄土路基病害处治水平和降低公路养护费用的优点。本发明隔水帷幕施工方便，造价低廉，可以用于不同黄土路基沉陷病害的处治。

附图说明

图1是本发明的断面布置图。

图2是本发明的一种实施例的断面布置图。

图3是本发明的夯实水泥土桩的布置图。

图4是本发明的成孔成桩顺序图。

图5是本发明的施工流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1和图3所示，本实施例中的用于处治已建黄土路基沉陷病害的隔水帷幕，其由位于路堤两侧坡脚处的相互搭接的多个夯实水泥土桩组成，夯实水泥土桩从路堤坡脚处位置向下垂直方向延伸至地下深度h₁或h₂为5-15m，所述夯实水泥土桩为圆柱形，夯实水泥土桩的直径D为60-100cm，两个夯实水泥土桩相互搭接的宽度m为13-20cm。所述多个夯实水泥土桩组成的隔水帷幕为单排。

如图2和图3所示，夯实水泥土桩从路堤坡脚处向下垂直方向延伸至地下的深度h₁为13m，h₂为15m，夯实水泥土桩的直径D为80cm；两个夯实水泥土桩相互搭接的宽度m为15cm。图2以设置于路堤一侧坡脚处的隔水帷幕为单排，路堤另一侧坡脚处的隔水帷幕为双排进行了举例说明。然而，设置于路堤两侧坡脚处的隔水帷幕可以均为双排。当隔水帷幕为双排时，两排隔水帷幕之间的净距s'为50cm。

可选地，所述隔水帷幕设置的深度h₁或h₂和夯实水泥土桩直径D是根据路基所处地域的气候环境、地质地貌、公路等级、基底土物理力学参数、基底原有加固措施，并在现场调查和分析历年沉降数据的基础上，依据基底土湿陷等级、累计沉降量和沉降速率确定的。

其中，设置于路堤一侧坡脚处的隔水帷幕是单排还是双排是根据路堤填方高度、坡脚排水措施以及坡脚处地势的实际情况后确定的。一般地，填方高度不大于8m且坡脚处原地面地势高于周围地面地势的路段采用单排；填方高度大于8m或原地面低洼可能积水且沉陷严重(路表累计沉降大于30cm且逐年沉降不止)的路段采用双排。

可选地，当所述路堤坡一侧脚处的隔水帷幕为单排时，单排隔水帷幕内不同夯实水泥土桩的施工采取隔桩跳打、相互搭接的方式进行；当所述路堤一侧坡脚处的隔水帷幕为双排时，应先施工靠近路堤一侧的一排夯实水泥土桩，待靠近路堤一侧的一排夯实水泥土桩施工完毕后再实施外侧的一排夯实水泥土桩，且一排夯实水泥土桩施工时，也采取隔桩跳打、相互搭接的方式进行。其中，在隔桩跳打时，隔桩跳打的顺序如图4所示，图4中的数字由小到大表示成孔成桩由先到后。

可选地，由于路堤两侧坡脚基底土体含水率不同，造成左右侧水分下渗深度的差异，因此，基于路基左右侧水分下渗深度的差异和两侧坡脚基底土体含水率分布的不同，可将路堤两侧坡脚的隔水帷幕设置成不同深度。但考虑到两侧隔水帷幕对限制基底土侧向位移的对称性，两侧隔水帷幕的深度差不宜超过2m。因此，本实施例中基于隔水帷幕对限制基底土侧向位移的对称性要求，设置于路堤两侧坡脚处的隔水帷幕之间的深度差≤2m。

可选地，在对夯实水泥土桩进行成孔时，成孔工艺根据路堤坡脚处场地大小和土质情况确定；对于夯实水泥土桩直径D大于80cm、深度h₁或h₂小于6m且直立性较好的黏性土，可采用人工挖孔；为提高效率成孔工艺可采用机械洛阳铲实现。

可选地，由于湿陷性黄土含有一定硫酸易溶盐，为防止硫酸盐对水泥土强度的负面影响，本发明的隔水帷幕采用矿渣硅酸盐水泥P.S.B.32.5，其初凝时间≥4h，终凝时间≥6h并≤10h，以便满足夯实工艺要求。

可选地，制备隔水帷幕的水泥土以强度和渗透系数双指标作为试验室配合比设计和现场质量的控制指标，其95％保证率抗压强度不小于2.5MPa，试验室和现场渗透系数分别不大于2.5×10^-8cm/s和2.5×10^-7cm/s。

具体地，在本发明中，所述夯实水泥土桩由土料和水泥搅拌后在孔内夯实形成。选用孔中取出的土料，与水泥按一定配比在孔外充分拌和均匀制成水泥土，分层向孔内回填夯实，制成均匀的水泥土桩。

所述隔水帷幕设置的深度h₁或h₂和夯实水泥土桩直径D是根据路基所处地域的气候环境、地质地貌、公路等级、基底土物理力学参数、基底黄土湿陷等级、基底原有加固措施等因素，并在现场调查和分析历年沉降数据的基础上，依据基底土湿陷等级、累计沉降量、沉降速率后确定的。具体地，夯实水泥土桩的深度h₁或h₂根据沉陷路段土质、水文、地貌等实际情况，以及通过充分的病害调查，分析路基沿线土层分布情况，并调查地表水来源，包括当地降雨量，农田灌溉可能造成的渗漏，水分下渗对路堤两侧的不利影响，以在确定水分湿润锋面的位置后综合确定。一般地，依据干旱半干旱黄土分布区所处气候环境和土质持水特性，路堤坡脚两侧水分下渗的浸润锋面一般在5～6m，因此，为了有效隔断坡脚两侧水分进入，夯实水泥土桩的深度h₁或h₂应不小于5m，且桩之间搭接一定宽度。一般夯实水泥土桩的深度h₁或h₂应打穿湿润锋面下1m。然而，考虑限制基底土侧向位移的效果，可以将夯实水泥土桩增加至12m，但考虑到经济合理性，应不超过15m。综合考虑上述因素，相互搭接的多个夯实水泥土桩的深度h₁或h₂为5-15m。另外，考虑到隔水帷幕应该兼顾“围箍”的功效，夯实水泥土桩的直径D不小于60cm，通常为60-100cm。优选设置夯实水泥土桩的直径D为80cm，两个夯实水泥土桩相互搭接的宽度m为15cm；对于低等级公路夯实水泥土桩的直径D可以为60cm。

机械洛阳铲由两个半圆柱形的铲片组成，铲片的开合通过铲头上的卡簧控制，下落时铲片张开，提升时铲片收紧，从而达到取土成孔的目的。铲头的升降通过机座上的卷扬机完成。因此，本发明在对夯实水泥土桩进行成孔操作时，使用机械洛阳铲成孔不仅可以省去人工洛阳铲在成孔施工中的繁重体力劳动，而且可以加快施工进度。在本发明中，考虑到路基坡脚处场地有限，并尽量减小对路堤的不良影响，不可采用沉管和冲击方法成孔。另外，由于黄土分布区公路路基坡脚两侧空间有限，无法采用长螺旋钻成孔。

由于干旱半干旱区黄土的物理力学性质一般满足夯实水泥土对土料的要求，路堤坡脚处场地有限，且夯实水泥土造价低廉，因此，本发明采用夯实水泥土作为处治黄土路沉陷病害的隔水帷幕是经济合理的方法。

如图1和图5所示，上述隔水帷幕在设计和施工时，可以通过如下步骤来实现：

1)对路基的沉陷病害原因进行调查及分析，根据路基所处地域的气候环境、地质地貌、公路等级、基底土物理力学参数、基底原有加固措施，并在现场调查和分析历年沉降数据的基础上，依据基底土湿陷等级、累计沉降量和沉降速率确定隔水帷幕的深度h₁或h₂及每个夯实水泥土桩的直径D；根据路堤填方高度、坡脚排水措施以及坡脚处地势的实际情况确定隔水帷幕是单排还是双排；基于隔水帷幕对限制基底土侧向位移的对称性要求，所述路堤两侧坡脚处的隔水帷幕之间的深度差≤2m；

2)夯实水泥土桩成孔前的准备：

a、选取水泥：水泥采用抗硫酸盐腐蚀的矿渣硅酸盐水泥P.S.B.32.5，且水泥的初凝时间≥4h，终凝时间≥6h并≤10h；

b、选取土料：土料中有机质含量≤5％，不含有冻土和膨胀土，使用时过10～20mm筛，土料为低液限粉土或低液限粘土，塑性指数介于8～15之间，土料的含水率与最佳含水率之间的偏差≤±2％；

c、确定水泥和土料的最终配合比：对路基进行现场取土样，对土样的天然含水率、颗粒分析、液塑限、最大干密度等进行试验；拟定至少三种重量比配制水泥土，分别进行重型击实试验，确定各种配比下水泥土的最佳含水率和最大干密度，分别测定93％密实度下水泥土的抗压强度和渗透系数，选择抗压强度≥2.5MPa及渗透系数≤2.5×10-8cm/s的水泥土配合比作为夯实水泥土桩用水泥土的最终配合比。推荐水泥与土的重量比按1:9控制，其28d立方体抗压强度不小于2.5MPa。水泥土试件成型方法《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)执行；

3)放线定位：按照预先设计的布桩图对隔水帷幕进行放线，布孔孔位偏差≤5cm；

4)成孔：根据步骤3)中放线定位的夯实水泥土桩孔采用机械洛阳铲成孔形成桩孔，其中，桩孔中心偏差≤5cm，桩孔垂直度偏差≤5cm，桩孔直径不小于步骤1)中确定的夯实水泥土桩的直径D，桩孔深度不小于步骤1)中确定的隔水帷幕的深度h₁或h₂；

5)对成孔进行夯实和填料：填料前，先使用夯锤对步骤4)形成的桩孔底部的虚土进行夯实，其中，夯锤的夯实次数不小于3击，夯锤选用梨形或锤底为盘形的夯锤，夯锤的锤体直径与桩孔直径之比为0.7～0.8，锤体质量大于150kg，夯锤每次提升高度均不低于100cm；填料时，先采用步骤2)确定的水泥、土及最终配合比制备水泥土，水泥土含水量与最佳含水率之间的偏差≤±2％，制备的水泥土要及时用完，随拌随用，放置时间超过2h，不宜使用；然后，将制备的水泥土填充桩孔，填料时采取均匀填料方式，并采用一击一填的连续成桩工艺，严禁突击填料，水泥土的压实系数不小于0.93，填料的高度大于预设桩顶标高20～30cm；

6)桩头及桩间土的开挖：人工对桩头及桩间土进行挖除，将桩顶标高清除到设计标高，完成后桩顶标高及桩间土标高偏差≤±2cm，且保证桩顶面水平；

7)质量检验：检查夯实水泥土桩的干密度和无侧限抗压强度；其中，干密度的检验方法为，24h内采用取水泥土样测定干密度或采用现场轻型动力触探击数N₁₀确定，测定的干密度与步骤2)中确定的水泥土的最大干密度进行对比，要求压实系数不小于0.93，现场轻型动力触探击数N₁₀与现场试验确定的0.93压实系数时对应的N₁₀进行对比，要求现场的N₁₀不小于0.93压实系数时的N₁₀；无侧限抗压强度检测采用地质钻机成桩，28d进行抽芯，试样桩加工成70mm×70mm×70mm立方体块，进行无侧限压缩试验，要求立方体块的无侧限抗压强度≥2.5MPa，或成桩2h内锤击数N₁₀≥40击/30cm；

8)按照布桩图间隔一个孔位，并继续按照上述步骤4至步骤7进行成孔成桩操作；

9)待前后两夯实水泥土桩强度达到设计强度的70-80％之间时，对前后两夯实水泥土桩之间的间隔预留桩按照上述步骤4)至步骤7)进行成孔成桩操作；

10)重复执行上述步骤3)至步骤9)，直至完成所有夯实水泥土桩即整体完成隔水帷幕。

可选地，上述施工方法还包括承载力检验步骤，具体为采用单桩复合地基载荷试验验证桩体整体强度，其中，验证数量为总夯实水泥土桩数量的1.0％，已验证桩体整体强度；为了有效发挥夯实水泥土桩的“围箍”作用，单桩竖向承载力不应小于150kPa。

在施工时，隔水帷幕质量按如下表1进行控制。

表1夯实水泥土隔水帷幕桩质量控制指标

季节性降水(特别是强降水)或灌溉水对路基的不断侵入，使得路基处于长期的干湿循环状态中。在含水率达到某一状态时，特别是在某一深度，基底土会因为湿润锋面的存在，其饱和度接近80％以上，土体强度和承载能力急剧降低，导致路基基底发生严重沉陷，因此，在上部路基填方荷载作用下，软塑的基底土有向坡脚两侧挤出的趋势。所以，有时路基沉陷中既包含湿陷(或溶陷)造成的竖向变形，又包含基底土饱和度过大造成的横向侧移。然而，无论路基沉陷机理多么复杂，“水”是造成湿陷性黄土路基沉陷的罪魁祸首，隔断或减小外来水浸入路基或基底是防止路基沉陷的根本保证。因此，本发明的隔水帷幕以减弱或隔断水分侵入路基为目的，提出一种既能起到隔水作用，又能发挥限制路基侧向变形的有效处治方式。