某码头路基地面塌陷的原因分析及治理

摘要：本文结合某码头路基地面塌陷实例，详细分析塌陷的主要原因，并提出选择高压注浆形成止水帷幕，减少可能发生渗透破坏的土体中的水力梯度，工程实践表明，效果良好，只有采取切实可行的办法才能妥善处理路基地面塌陷等病害，以减少塌陷对工程造成的危害和损失。

关键词：路基地面塌陷；渗漏；机械潜蚀；垂直防渗；高压注浆

1概况

1.1场地简介

某码头观光路为重力式沉箱上的填方道路，一侧为挡浪墙，另一侧为路堤挡土墙，路堤高2.4m，路宽8.3m，路面为水泥方砖铺筑。雨季降水过后，观光路路基地面出现塌陷，塌陷面积0.5×0.5m2到1.4×2.6m2不等，塌陷深度50～300mm，最大塌陷面积3.9×4.4m2，最深处1.5m，且塌陷主要出现在重力式沉箱结合腔处，并有继续发展的趋势，形成隐患。见图1。

图1观光路与沉箱结合腔结构示意图

1.2工程地质条件：

场地所处地貌单元为海岸潮间带，现为人工围海造地冲填形成的陆地及码头，地形平坦。

观光路路基填料以卵石、圆砾为主，充填物为中粗砂，经过机械碾压，密实程度为稍密～中密。重力式沉箱填料分层做成――底部块石、二片石、碎石、反滤层；中部主要为砂卵石；顶部400mm为二片石，然后混凝土封仓；沉箱后方陆地填料以砂卵石为主。沉箱内沉箱间的安装缝宽约为50mm，挡浪墙接缝与沉箱一致，沉箱结合间隙宽度为5cm，密封性较差。

路基填方经取样颗分，不均匀系数Cu＝10.39～82.67，曲率系数Cc＝0.19～0.99为不均匀、级配不良砾。见图2。

从颗分曲线上可以看出，颗粒级配曲线呈瀑布型，说明粗粒含量多而集中，细粒含量少而分散，大于20mm粒径占20～50%，小于0.5mm粒径占10～20%。因此，填方路基成分粗细颗粒相差较大，中间粒径不连续，当不均匀系数Cu＞10时，易发生管涌渗透变形。

图2填方路基颗分级配曲线

1.3水文地质条件：

场地地下水为围海造地形成的封存海水。地下水与海水连通，动态变化受海水潮汐、潮流和波浪的控制。观光路路基位于地下水位以上，从观光路面观测的地下水位埋深为4.48~4.58m，水位标高变化在1.32～1.42m之间。路基塌陷正处在夏季丰水时期，为最高水位期。

据资料统计，该海域潮汐年变幅0.56m，多年平均潮差0.74m，最大潮差为0.85m，多出现在6月至7月份。

路基填料为砂卵石，渗透系数平均值1.86×10-2 cm/s，属强透水层。

2路基塌陷的原因分析

从表面现象看，观光路路面发生塌陷，主要是降水引起的，而且降水越频繁、强度越大，路面塌陷也越严重。实际上，它是由路面积水产生的水头差，沿孔隙缝隙的渗透作用，把砂卵石中的细小颗粒带走而形成的机械潜蚀（管涌）。见图3。

图3路基塌陷平面示意图

通常产生机械潜蚀现象要具备内因和外因，内因取决于岩土层的性质，即土的粒度成分、结构特征、透水性等，但会不会发生机械潜蚀现象还应具备一定的外因条件，即水动力条件，地下水及其产生动水压力的大小。

观光路路基填料砂卵石的不均匀系数平均值Cu＝35，曲率系数Cc＜1，填料属强透水层。所以，观光路基填料具备了机械潜蚀的内在条件。

观光路路面塌陷的外部条件来自大气降水。首先，降水在路面形成积水，水在重力作用下，垂直渗入到缝隙孔隙中，随着地面水的不断补给，渗透力不断加强，当细颗粒（或土粒）的有效重力小于渗透力时，岩土的细颗粒被水流带走。

即渗透力＞土粒有效重力，公式：

式中： --渗透力；

--土粒有效重力；

--水的重度；

--土体有效重度；

--土体体积；

--水力梯度。

当来自降水的下渗水流不断增大及结合腔渗透，使路基中地下水流速不断增大，产生紊流，高水位就向低水位（海面）排泄，冲蚀、搬运充填于裂缝以及路基层中的松散颗粒，使之大颗粒失去质点支撑，在重力作用下，重新排列，进一步加剧掏蚀原充填路基而使路基盖层崩落，造成路面下沉。如从渗流过程分析，从地面积水渗入路基砂卵石强透水层，至沉箱结合腔漏出，其渗流通道在路基渗入段，动水压力的方向与水流的方向一致，使土体压实，在路基中部水平渗流段，动水压力的方向与水流的方向一致，有使土粒向下移动的趋势，在沉箱结合腔渗流逸出段，水流和动水压力方向由下向上，沉箱结合腔逸出段为临空面，更是渗透变形的危险区，尤其在较大流速的地下水流中，动水压力越大，就越会推动地基土失去稳定。见图4。

图4渗流示意图

观光路路基地面水泥砖、垫层裂缝的存在及结合腔缝隙，为地下渗流提供了孔隙通道，且路基填方砂卵石层为强透水层，因此码头路基又增加了一个外界边界条件：渗漏通道的存在，而且它的连通性良好。渗漏通道透水性的强弱决定了渗流量的大小，而渗漏通道的连通性则决定了渗透水流是否通得过，只有上有入口，下有出口，中间能连通，水流才能沿渗漏通道漏出。路面积水在缝隙中的m点由静水压力产生渗透力，水通过裂缝形成的水通路，在渗透水流作用下，当渗透力大于土颗粒有效重力时，土中的细小颗粒就不断地开始在粗颗粒形成的孔隙中移动，随着土的孔隙不断扩大，渗透速度不断增加，渗透通道越来越畅通，甚至较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流通道。

3路基地面塌陷的治理

机械潜蚀一般有个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏。当土中渗流的水力梯度小于临界梯度时，虽不致诱发流砂现象，但土中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流挟带而走，时间长了，在土层中将形成管状空洞，使土体强度降低，压缩性增大，造成破坏。

防止机械潜蚀主要是消除、减小或平衡动水压力。为此，采用堵截地表水流入路基，阻止渗透，即设置垂直防渗和水平防渗设施。为确保沉箱结合腔不再漏砂，路基地面不再塌陷，对沉箱及沉箱结合腔处进行高压注浆帷幕处理。通过高压将水泥浆压入填方路基与结构物之间的空隙或空洞中进行凝固充填，形成一个防渗帷幕带，使地下水失去流动的通道，减少地下水对路基土的渗透破坏，从而达到堵水的目的。

帷幕灌浆设置单排孔，按分序加密，分段施灌的原则进行，帷幕灌浆的施工采用分三序钻灌。即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为灌浆孔，采取逐渐加密孔距办法，灌浆孔基本孔距为2m，先施工Ⅰ序孔，在施工后续孔，孔深先深后浅。施工工序为：施工准备浇注混凝土压板孔位放样接触段钻孔钻孔冲洗压水试验下一段钻孔灌浆钻孔冲洗压水试验灌浆孔底段钻孔钻孔冲洗压水试验灌浆全孔复灌封孔质量检查。

图5帷幕灌浆次序图

经过一段时间的观测，沉箱结合腔不再漏砂，观光路路面也没有了塌陷，达到了理想的防渗漏效果。

4结束语

重力式沉箱码头后方回填砂卵石易发生漏砂现象，造成路基塌陷，而漏砂往往发生在结合腔部位，因此，在努力提高沉箱结合腔部位的施工质量的同时，还需改进沉箱结合腔的结构形式，避免渗漏通道的形成与连通，更重要的是在码头回填砂卵石需作颗分试验，从而改变土粒的几何条件，做好水平及垂直防渗措施，从而改变水力条件，降低水力梯度，从源头上断绝产生机械潜蚀的内外条件。如果一旦发生由于机械潜蚀引起的路基塌陷现象，采用高压注浆治理是一种比较理想的方法之一，通过高压注浆使浆液与土颗粒胶结起来，改变地基土的物理和力学性质，形成结构新、强度大、稳定性好的结石体，高压注浆形成堵水帷幕是解决地面不均匀沉降和地面塌陷比较科学的方法。