膨胀土区域涵洞基础处理_涵洞基础施工工艺流程

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工程技术

膨胀土区域涵洞软弱基础处理方法探讨

摘要：针对渝怀铁路施工过程中遇到的膨胀土区域涵洞软弱基础处理的工程问题，本文结合该工程实际情况，根据我公司以往的施工经验提出了一些切实可行的处理措施。

关键词：膨胀土、软弱基础、处理方法

膨胀土是一种具有裂隙性、胀缩性和超固结性的高塑性粘土，具有失水收缩开裂，吸水膨胀软化，强度可大幅度变化等特征，其矿物成分以蒙脱石、高岭土和伊利石为主。到目前为止，我国现行的铁路桥涵设计和施工规范针对膨胀土区域涵洞软弱基础的加固处理方法还没有明确的规定和要求，而膨胀土的各项力学性质又和其他土体有明显的区别，尤其是膨胀土的强度有随含水量的增减大幅度变化的特性。设计和施工时若不能充分考虑膨胀土的这些基本特性，简单套用一般地区涵洞基础处理的办法和实例，将对涵洞基础造成永久隐患，甚至完全废弃。本文根据重庆至怀化新建铁路第20标段膨胀土区域涵洞施工的经验教训，对膨胀土区域涵洞软弱基础加固处理方法做一些初步探讨。

1、工程概况

渝怀线第20标段DK323+600~DK325+400段属低山剥蚀地貌，线路行走于阿蓬江左岸的山坡上，沿线路纵向地表起伏较大。上覆残积粘土，下伏基岩为侏罗系中、下统马鞍山组泥岩夹砂岩，泥钙质胶结，易风化。岩层产状为N45°E/25°NW（24°），与线路夹角约10°左右。另外，本段位于濯水镇向斜区，岩层斜角自坡脚向上逐渐变陡。

本段设计有8座涵洞，全部处在冲击形成的沟槽位置，为陡坡涵洞。地表一般为淤泥质粘土，覆层下为粘土夹杂块石，土质比较差。软弱土层的厚度普遍在3米以上，最深达到15米左右。

2、工程实例

（1）DK324+376.5

1-1.5M 钢筋混凝土盖板涵：

原设计资料涵洞所在位置表层软塑性粘土δ0=0.10MPa，厚度为1~3米不等，覆层下为硬塑 1 性粘土δ0=0.15MPa。涵洞基底置于换填砂夹卵石层上，换填平均厚度50CM，要求换填层基底承载力不小于0.13MPa，即将表层软塑粘土挖除，在硬塑性粘土上进行换填。

涵洞于2001年9月中旬正式开始施工，当时因为7、8、9月基本没有下雨，天气非常干旱，基坑开挖时无水，基础开挖到位后检测基底承载力在0.13~0.14MPa之间，满足设计要求（0.13MPa），随即按照设计进行了基础换填加固处理。11月底涵洞全部完工，2001年12月初发现涵洞沉降缝全部拉开，涵身整体向线路右侧滑移，其中涵洞出口第一节沉降缝开裂达到5公分左右，以后裂缝宽度逐渐加大到30公分，涵洞完全报废，涵节没有变形。此时涵洞两侧路基均未施工，涵洞没有承受任何荷载。

2002年底对涵洞所在位置进行补勘揭示涵洞基础下有6~8米的软塑土体。2002年初确定在DK324+339~+416段线路右侧增加10根侧向约束桩，防止该段路基基底的蠕变。2002年12月将报废涵洞挖除后发现：换填的砂夹卵石层富含积水，形成一个渗水通道，涵洞出口端呈细流状。涵节基底换填层以下膨胀土遇水软化，呈软塑~流塑状，强度降低，涵洞如同船在水上，在自重压力的作用下滑移、变形。

（2）DK324+717 1-3.0 M 钢筋混凝土盖板涵：

该涵与DK324+376.5 涵洞情况基本类似，并且同时开工。涵洞基础开挖时发现涵洞所在位置表层淤泥厚度在0.5~3.0米之间，且呈左薄右厚的倾斜状。出口端12米基础承载力不足，进行分层换填并夯实处理，换填层基底承载力达到0.18MPA，2002年3月初涵洞施工完毕开始两侧路基填筑。

涵洞开工之前，现场勘察涵洞所在位置及DK324+640~DK324+810段路基所处位置都是水田，表层淤泥较深，村民反映本段的稻田在每次的大雨后都会有少量的移动，原有的田埂基本是直的，现在全部呈不规则的圆弧状。根据这些情况，施工方认为本段地表有蠕变现象存在，需要增加路基抗滑措施。设计补勘后决定在DK324+600~+810段路基左侧侧沟底下设一道纵向盲沟，在DK324+717涵洞两侧各设一道横向排水沟槽，将地下水引出路基坡脚外。

2002年1月涵洞完工，2002年3月路基填筑到涵洞盖板顶1米时发现涵洞沉降缝拉开，涵身整体向线路右侧滑移。沉降缝拉开最大处有11公分，最小也有4公分左右，涵节完好，无任 2 何开裂变形。

2002年12月拆除涵洞重建，发现换填层和涵洞两侧的盲沟实际起到了过水廊道的作用，盲沟和换填层中的积水浸泡基底膨胀土，土体呈软塑状，强度降低，加上填方基底发生蠕变，推动涵洞开裂变形。

（3）DK324+231 1-3.0 M 钢筋混凝土盖板涵：

DK324+231涵洞原设计所在位置表层软塑性粘土δ0=0.10MPa，厚度2~8米不等，覆盖层下硬塑性粘土δ0=0.15MPa。因为DK324+180~+270填方基底水田在雨季发生蠕变，需要进行加固处理，线路右侧设计有10根侧向约束桩。涵洞基底置于换填砂夹卵石层上，换填厚度1~6米不等，进口端换填深，出口端浅，要求换填层基底承载力不小于0.15MPa。即将表层软塑粘土挖除，在硬塑性粘土上进行换填然后施工涵洞。2001年11月初基础开挖完成后，用轻型动力触探仪检测基底承载力只有0.06~0.10MPa，不能满足设计要求。设计单位先后两次取基底土样到成都进行试验检测，均为硬塑土，承载力达到0.18MPa，可以满足设计要求。

在基坑底部挖探坑发现，基础底部渗水严重，土体软弱，按照原设计进行换填根本无法保证设计要求的强度和承载力，更难以保障将来涵洞的安全使用。联系DK324+376.5和DK324+717涵洞出现的事故，经过多次论证施工方案，包括选用碎石桩、粉喷桩、基础加深等，权衡利弊，最终确定涵洞基础采用桩基承台。将涵洞5~7米为一段，每段设4~5根挖孔桩，桩径1.25米，桩身穿过软弱土层，直接嵌入到基岩内2米以上，桩顶设钢筋混凝土承台，结构形式与桥梁的桩基承台相同。因为路基右侧有侧向约束桩（桩间距7米）约束基底软弱土层，涵洞基础又是桩基础，既保证了涵洞基底的承载力，又约束住涵洞不能横向移动。DK324+376.5、DK324+717重建和后来施工的DK323+878涵洞全部采取了这种处理方案。

（4）DK323+710

1-1.5M钢筋混凝土盖板涵

该涵洞右侧路基设计有12根侧向约束桩，本段软弱土层厚度最深达到10米左右，涵洞于2001年9月开始施工，基础开挖到位后发现基坑周围边坡滑塌，基底变形隆起。后来基础采用碎石桩进行加固处理，碎石桩顶铺设50公分厚的碎石垫层，涵身变更为拼装式钢筋混凝土矩形涵，基坑四周采用钢轨桩进行防护。因为粘土中夹杂块石和大孤石，采用机械冲击成孔难度非常大，遇到大块孤石时几乎难以穿过，碎石的施工难度非常大。

本段其余的3座涵洞因为地质条件恶劣，线路改为桥梁通过，涵洞部分修建后报废。

3、病害原因分析

导致上述涵洞出现各种问题主要有几方面的原因：（1）设计和施工规范无明确处理措施及要求

我国现行的铁路设计和施工规范对常年冻土、湿陷性黄土等不良地质条件下桥涵基础的处理有明确的规定和要求，但对膨胀土地区桥涵的基础处理措施和方法目前还没有定性的结论。膨胀土区域涵洞基础处理套用一般地区的规定和参数进行设计和施工，不能针对具体问题采取合适的处理措施和方案。虽然在施工中补勘查明涵洞基础为膨胀土，但在具体施工方案的选择上持续论证了很长时间，对于各种方案的优劣利弊还需要进一步的研究和探讨。

（2）地质勘探不准确

勘测设计时未检测出将该段属于膨胀土区域，涵洞滑移报废后补勘查明：该段粘土中含有蒙脱石和高岭石成分，蒙脱石含量最高达到27.66%，阳离子交换量（CEC（NH4+）mmol/100g土）最高27.88%，为弱~中膨胀性土。

（3）对膨胀土强度的变化规律认识不足

膨胀土因为含水量的差异导致其力学性质变化非常大，现场实测的地基承载力情况往往还不是最恶劣的。旱季地表土含水量降低，土体一般为硬塑状，承载力甚至可以达到0.18MPa以上，人工用铁锹、洋镐等工具开挖都比较困难；在雨季连续降雨的情况下，地表土含水量增加，强度急剧下降，土体呈软塑或流塑状，地表土普遍发生滑动蠕变。

比如DK324+376.5涵洞，基础开挖后检测承载力达到设计要求的0.13MPa，涵洞滑移后现场钻孔补勘发现涵洞基础以下接近8米的深度全部是夹杂块石的软塑砂粘土；DK324+231和DK325+211.5涵洞的情况正好相反，基坑开挖到位后检测承载力达不到设计要求，取样试验却达到或超过了设计要求的承载力0.15MPa。约请设计人员现场查勘时因为基坑晾晒已有一段时间，评估均认为基础承载力没有任何问题。

4、处理措施

（1）膨胀土区域应避免采用换填方法处理涵洞基础。

在一般粘土地区设计和施工涵洞，遇到基底承载力不足的情况，传统方法一般考虑对基底进行换填处理，但在膨胀土地区套用换填方案加固基底却会在基础留下致命隐患。因为涵洞基础流水面标高（排洪、灌溉类涵洞）一般比原地表底，换填的碎石或砂夹卵石层在涵洞基础以下，雨季地下水位上涨，地表水下渗，致使换填层形成水囊，浸泡基底，基底承载力迅速衰减，在换填层底部形成滑动面，从而使涵洞整体失稳，或者产生沉降，或者整体滑移。尤其是在高填方地段最为危险，因为填土压力的影响以及列车行驶产生的荷载，涵洞在巨大的压力下一旦产生滑移或沉降，撕裂涵身或涵洞下滑偏移，处理难度和造成的损失都将非常巨大。

对于软基深度不大的地方（不大于3米），开挖后可以把基础加深，采用浆砌片石等办法直接把涵洞基础落在硬基上。

若软基很深，土体中块石和大孤石含量较少时，可以采用粉喷桩或旋喷桩等进行基底加固处理，但不宜使用碎石桩。

对于软基很深，且大量夹杂块石和大孤石的地段，基础处理有很大难度，本段采用桩基承台造价高昂，目前还没有比较经济稳妥的办法。

（2）膨胀土和软基并存的地段，涵洞的基础处理与路基抗滑措施应该一同考虑。

因为地质构造和地形的原因，膨胀土区域涵洞一般都处在软基地段。软基在雨季时往往会产生蠕变，路基必须采取加固和防滑处理。在边坡下游加设挡土墙或侧向约束桩是比较常用的办法。如果路基没有针对的处理措施，单纯处理涵洞基础一般难以排除隐患。地表有一定横坡且基岩倾斜时，软土的蠕变不仅可以使涵洞失稳，更催动填方路基产生滑坡和溜坍，危及线路安全。涵洞不仅要防止基础沉陷，更要防止整体滑移，涵洞和路基必须同时加强工程措施，才能保证线路将来的安全。

（3）膨胀土区域涵洞基础处理应以防水为主。

水是膨胀土区域工程施工的罪魁祸首。百姓俗语：“晴天是铜，雨天是脓”，是对膨胀土的真实写照。本段线路在施工进场时正逢雨季，连绵阴雨使得大段区域泥泞软弱，车辆根本无法通行，5 新开的施工便道铺垫了近3米厚的石头还在不停的沉陷。涵洞所在位置施工场地和临时设施无法建设，当地百姓称那些地方为“牛不去”。雨季结束后情况立即有所改变，结合排水、节水设施的的建设，地表很快可以通行施工车辆，施工得以迅速展开。

无水的情况下，膨胀土的各项力学性质均非常好，膨胀土区域涵洞基础施工防水为重中之重。如果涵洞基础底部有积水或渗水，涵洞的基础承载力迅速下降，甚至在基底形成一个滑动面，若基底为倾斜达到一定的角度，涵洞不需加载，在自身的重力作用下就可能整体滑移，喻为船行水上。

涵洞施工排水要考虑临时工程与永久工程相结合，施工过程中应采取一切措施避免地表和地下水浸泡基础，不致涵洞基底承载力下降。比如在涵洞上游和基坑周围挖截水沟截断地表和地下渗水，在基坑周围和基底挖设盲沟阻断和引出地下水，雨天用防水布遮蔽基坑等措施。

膨胀土与一般粘土的不同之处在于吸水软塑裂隙封闭之前是可以透水的，并且本段的粘土夹杂砂岩块石，本身就有一定的透水性。当地雨季时降雨绵绵，地下水位上升，粘土层充分吸水膨胀，涵洞基础座落在粘土中，基底难免遭受水的侵蚀而使承载力下降，应当加设永久设施阻隔地下水。

（4）膨胀土区域涵洞基础承载力的试验确定应以现场检验和室内实验相结合的办法，并充分考虑土体含水量的影响。

因为膨胀土的力学性质与含水量有密切关系，取样试验因为送样时间、取样时基坑晾晒的时间、取样时的季节和天气等因素有重大影响，往往不能反映现场实际情况。以DK324+231涵洞的取样试验为例，四次取样试验结果基底土体承载力都达到或超过了设计要求（0.15MPa）。基坑刚挖开时现场采用轻型动力触探试验结果承载力不足0.10MPa。DK325+211.5涵洞原设计提供的地基承载力达到0.18MPa，实际施工时其实是软塑粘土，承载力不足0.08MPa。其他铁路线路在膨胀土区域施工时也遇到了类似的情况，这并非是试验出现了差错，主要是因为膨胀土的独特性质以及取样时间和季节的影响，土体的力学性质发生了变化。

（5）路基改桥不能完全解决线路病害问题

因为膨胀土区域涵洞基础处理的难度，或许以为路基改桥可以解决这些难题，这种想法尤其 6 应该引起注意，值得慎重探讨研究。

首先改桥增加了工程的造价，桥梁的造价一般来说比路基要高出许多，同时改桥后大量路基挖方无法利用，造成弃土占地大量增加，环境和水土保持以及农田保护等费用不可低估。

其次对于软基较深的膨胀土地段，因为基岩埋置较深，桥梁墩台一般需要采用桩基础。对于柱桩来说，因为桩端嵌入基岩，桩身大部分在软基中。若软基存在蠕变现象，蠕变软土中对桩身挤压，导致桩身承受弯距和剪力作用，而桥梁的桩体本身不具备抗剪能力。若没有相应的保护措施，势必将剪断桩体；若是摩擦桩，则在蠕变的推力作用下，桩身包括承台一同向下游滑移，危害更大。

（6）膨胀土区域涵洞施工应合理调整工序

膨胀土区域施工要点是避开雨季，突击旱季，这是尽人皆知的道理。但现在随着机械化施工程度的不断提高，各项重大工程的施工进度和施工节奏也在飞速提升，象渝怀铁路这样的国家重点和难点工程，主体工程在两年内基本全部施工完毕。南方气候多雨，仅靠短暂的旱季施工难以保障全线整体施工进度的要求。施工周期的延长将会造成人力和机械设备的大量闲置和浪费，合理安排施工，分解涵洞施工工序，保证雨季和旱季人力和机械设备资源的均衡使用尤其必要。

5、结束语

对于膨胀土涵洞基础处理的措施和施工方案，目前还处在不断地摸索和改进阶段，对于类似问题的研究，比如桥梁等其他构筑物的基础处理，也还需要进一步的研究。希望在不久的将来，我们能够对膨胀土地区基础处理的设计和施工有一个定量和定性的认识，避免类似问题在其他线路出现。

中铁十五局集团第四工程有限公司

佘创涓

撰稿日期

二○○三年十月十二日