斜坡軟弱地基站場(chǎng)路堤加固方案現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

曾永紅

(中鐵二院工程集團(tuán)土建二院，四川成都 610031)

1 概述

斜坡軟弱土是指其表面或底部具有一定的斜坡坡度的軟弱土，根據(jù)其成因可大致分成四類——丘間谷地相沉積軟土或軟粘土、非沉積的巖堆、湖泊邊緣沉積土、斜坡[1]。在斜坡軟土上修筑路堤，尤其是高路堤，地基的變形與穩(wěn)定問(wèn)題較為突出。一般認(rèn)為，在路堤荷載作用下，斜坡軟弱土地基中產(chǎn)生的剪切應(yīng)變、水平變形在下坡一側(cè)坡腳附近集中，水平變形及豎向沉降通常較水平軟弱土地基要大，加固措施宜從提高地基承載力與限制地基側(cè)向變形入手，將地基處理與抗滑并舉[2-4]。但對(duì)于各種加固措施的加固效果及加固措施的合理選擇研究較少。

某新建鐵路地處西南山區(qū)，沿線地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線多處分布有斜坡軟弱土，多屬丘間谷地相沉積軟土或軟粘土，系由于水流搬運(yùn)巖石風(fēng)化產(chǎn)物和地表有機(jī)物質(zhì)在低洼處沉積而成。部分地段路堤邊坡高度在14 m以上，為保證工程安全、限制變形，需選擇適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?。結(jié)合這一背景選取DK123+462，DK123+497兩斷面進(jìn)行了路堤及地基的沉降與水平變形的測(cè)試，比較了在打入樁(振動(dòng)沉管鋼筋混凝土灌注樁)加固和抗滑樁加固的效果，分析了后施工打入樁對(duì)塑料排水板效果的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 工點(diǎn)概況

試驗(yàn)工點(diǎn)場(chǎng)地屬淺丘溝槽地貌，相對(duì)高差約50 m，丘坡上多為旱地，溝槽內(nèi)為種植水田或魚(yú)塘荷塘。線路以填方橫穿溝槽，溝槽地面橫坡坡度約10°～15°;地表覆蓋第四系坡洪積砂粘土，呈軟塑～硬塑狀，局部呈流塑狀，含少量砂質(zhì)角礫，層厚4 m～8 m，主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示;下伏基巖為泥巖夾砂巖，表層1 m～2 m風(fēng)化嚴(yán)重。路基面寬約21.33 m～38.42 m，路堤中心填高約7 m～15 m，填方邊坡高度最大約15 m，左側(cè)(下坡一側(cè))邊坡分兩級(jí)，一級(jí)邊坡高6 m～10 m，一、二級(jí)邊坡坡度均為1∶1.5，兩級(jí)邊坡間設(shè)寬8 m～12 m的護(hù)道，路堤底部鋪設(shè)墊層，其結(jié)構(gòu)為0.5 m厚砂礫石夾一層雙向40 kN/m的土工格柵，典型斷面如圖1所示。地基采用豎向排水板+打入樁或抗滑樁加固，其中DK123+440～DK123+520范圍內(nèi)設(shè)置豎向排水板，間距2 m，呈梅花形布置，打入深度8 m;DK123+440～DK123+480范圍左側(cè)軟基采用打入樁群加固，樁徑0.4 m，樁長(zhǎng)平均8 m，間距2 m，梅花形布置;DK123+466～DK123+518范圍軟基采用抗滑樁側(cè)向約束，沿線路縱向布置于護(hù)道外側(cè)邊緣，截面1.5 m×2.75 m，樁長(zhǎng)為17 m～22 m，樁間距為6 m。

表1 砂粘土主要物理力學(xué)指標(biāo)均值

2.2 試驗(yàn)方案

選取DK123+462，DK123+497兩斷面為測(cè)試斷面。DK123+462斷面路基面寬23.46 m，路堤中心高10.6 m，DK123+497斷面路基面寬31.14 m，路堤中心高11.4 m，兩斷面邊坡如前所述。DK123+497斷面前后兩抗滑樁(DK123+494，DK123+500)澆筑前，在樁中心布置了兩根測(cè)斜管，觀測(cè)樁身側(cè)向變形;路堤施工前，分別在左側(cè)二級(jí)邊坡坡腳、一級(jí)邊坡坡腳(延伸)、一級(jí)邊坡中心、左路肩、路堤中心5個(gè)位置布置了測(cè)斜管以觀測(cè)地基水平變形;在前述5個(gè)位置及右路肩、右邊坡坡腳7個(gè)位置地表處布置了沉降板以觀測(cè)地基沉降，具體的測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。路堤施工過(guò)程中，測(cè)斜管及沉降板均隨路堤填高的增加而接長(zhǎng)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

試驗(yàn)段路堤填筑從2003年2月28日開(kāi)始～2003年5月7日結(jié)束，歷時(shí)69 d。路堤填筑結(jié)束后分別于2003年7月17日，10月3日，12月23日和2004年12月19日進(jìn)行了四次定期觀測(cè)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:

1)地基沉降。兩斷面地基沉降如圖3所示，沉降與時(shí)間及路堤填高的關(guān)系曲線如圖4所示，圖4中的沉降值為路基面范圍內(nèi)地基沉降的均值。由圖3可知，DK123+462斷面地基沉降表現(xiàn)為左側(cè)小右側(cè)大，最大沉降發(fā)生在右路肩下，觀測(cè)期末其值為0.25 m，這與地基處理范圍有關(guān)，該斷面位于打入樁處理區(qū)域，但打入樁處理范圍為左側(cè)二級(jí)邊坡坡腳至路堤中心;DK123+497斷面地基沉降表現(xiàn)為左路肩下大，其余地方小，其中最大沉降出現(xiàn)在左側(cè)路肩下，觀測(cè)期末其值為0.316 m。將兩斷面觀測(cè)期末的地基總沉降值列于表2中，可看出，DK123+462斷面的沉降比DK123+497斷面小，但路堤中心、右路肩兩處相反，這與DK123+462斷面路堤中心處于打入樁處理范圍的邊緣、右路肩與右邊坡坡腳在拋石擠淤的處理范圍之外有關(guān)，這也證明了打入樁加固減少地基沉降的有效性。

表2 兩斷面觀測(cè)期末地基沉降值 m

圖4表明，路堤施工期內(nèi)，地基沉降增長(zhǎng)較快，462斷面及497斷面的沉降速率分別為1.94 mm/d，2.24 mm/d，施工期后沉降速率減緩趨于穩(wěn)定，工后 0 d～71 d，71 d～230 d，230 d～593 d 462斷面的沉降速率分別為0.51 mm/d，0.01 mm/d，497 斷面的沉降速率分別為0.36 mm/d，0.03 mm/d。若將工后593 d的地基沉降近似為最終沉降則施工期末的固結(jié)度分別為79.4%(462斷面)、82.7%(497斷面)，可以認(rèn)為塑料排水板的工程效果較為明顯，同時(shí)考慮到462斷面的處理措施為打入樁與塑料排水板共同作用，施工時(shí)為間隔布置，施工順序?yàn)橄扰潘搴蟠蛉霕?，結(jié)合地基固結(jié)度數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為后施工打入樁會(huì)對(duì)塑料排水板的排水效果造成一定的影響。圖4還表明，462斷面路堤中心填高大于497斷面，但路基面下地基的平均沉降小于后者。若定義地基沉降與路堤高度的比值為單位路堤高度的沉降，則施工期末、工后71 d、工后230 d、工后593 d 462斷面的單位路堤高度的沉降分別為0.014 m，0.017 m，0.017 m，0.018 m，497 斷面的分別為 0.018 m，0.020 m，0.021 m，0.021 m。綜上所述，可以認(rèn)為打入樁處理軟土地基能有效減小地基沉降，且優(yōu)于抗滑樁方案。

2)地基水平變形。兩斷面地基水平變形如圖5所示。地表水平位移的分布曲線如圖6所示。路堤施工過(guò)程中及后續(xù)觀測(cè)過(guò)程中，462斷面的路堤中心、左路肩處及497斷面路堤中心、左路肩處、左側(cè)一級(jí)邊坡中心五處測(cè)斜管先后損壞，所測(cè)數(shù)據(jù)不完整。

由圖5可知，兩斷面地基水平變形偏向下坡一側(cè)(左側(cè))，主要發(fā)生在左路肩以外的地基內(nèi)，沿深度分布在地表至地表以下6 m～7 m的范圍內(nèi)，路堤中心處地基水平變形較小。最大水平變形發(fā)生在左側(cè)一級(jí)邊坡中心(延伸)處，應(yīng)指出的是從最終結(jié)果來(lái)看497斷面該位置處地表變形是小于左側(cè)一級(jí)邊坡坡腳(延伸)的，但考慮到該斷面左側(cè)一級(jí)邊坡中心處測(cè)斜管在施工期末損壞，后期變形未能測(cè)得，且損壞前相同時(shí)刻的水平變形是大于該斷面其他部位的，因而可以認(rèn)為該處水平變形是497斷面上最大的。為考察打入樁方案及抗滑樁方案減小地基水平變形的效果，將兩斷面各測(cè)點(diǎn)的地表水平變形列入表3，由于部分測(cè)斜管在不同時(shí)期損壞，為方便比較，列入數(shù)據(jù)時(shí)的選擇原則為:1)相同時(shí)刻;2)取最后一次觀測(cè)數(shù)據(jù)，若兩斷面相同部位的最后一次觀測(cè)時(shí)間不一致，則統(tǒng)一選擇時(shí)間較近一次的數(shù)據(jù)。

由表3可看出，打入樁(沉管灌注樁)方案約束軟弱地基水平變形的效果優(yōu)于抗滑樁方案。取左側(cè)一級(jí)邊坡坡腳及二級(jí)邊坡坡腳的水平變形平均值，定義變形系數(shù)如下:

若變形系數(shù)隨路堤填高及時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增大，表明地基的側(cè)向變形增長(zhǎng)快于豎向壓密(固結(jié))沉降，地基存在失穩(wěn)的可能，若變形系數(shù)逐漸減小，則表明地基變形以豎向沉降為主，地基趨于穩(wěn)定。462斷面與497斷面的變形系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線如圖7所示。需要指出的是497斷面左側(cè)二級(jí)邊坡坡腳處地表側(cè)向變形在工后的突然增大是施工原因?qū)е碌?，路堤填筑完成后施工單位修建邊溝，溝底設(shè)計(jì)標(biāo)高低于了測(cè)斜管管口標(biāo)高近2 m，邊溝完成后在該處形成了臨空面，導(dǎo)致了該處后期側(cè)向變形突然增大，與之相鄰的左側(cè)一級(jí)邊坡坡腳處的測(cè)斜管未發(fā)生這種突然增大的側(cè)向變形。因此497斷面的變形系數(shù)的分子取左側(cè)一級(jí)邊坡坡腳處的地表水平變形。

表3 兩斷面地表水平位移值比較 mm

462斷面與497斷面的變形系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖7可知，路堤填筑初期變形系數(shù)快速增加，而后逐漸減小，觀測(cè)期末趨于穩(wěn)定。由于地基沉降由三部分組成，第一部分是由于地基側(cè)向變形引起的;第二部分是由主固結(jié)引起的;第三部分是次固結(jié)引起，一般情況下這部分較少考慮。填筑初期地基側(cè)向變形主要由地基側(cè)向變形引起，坡腳處側(cè)向變形增長(zhǎng)快于地基沉降，之后路堤荷載作用下地基排水固結(jié)，地基沉降由側(cè)向變形及主固結(jié)引起，增長(zhǎng)速度逐漸快于坡腳側(cè)向變形，路堤填筑完畢后，若將地基視為線彈性體則地基側(cè)向變形及沉降均不會(huì)繼續(xù)增加變形系數(shù)將為一恒定值，但實(shí)際情況并非如此，地基將持續(xù)固結(jié)且會(huì)有蠕變，地基沉降與側(cè)向變形均會(huì)增加，在地基穩(wěn)定的前提下前者增長(zhǎng)速度應(yīng)快于后者，變形系數(shù)應(yīng)緩慢降低或基本不變，考慮到試驗(yàn)誤差，可以認(rèn)為462斷面與497斷面均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，打入樁方案與抗滑樁方案均有助于提高地基穩(wěn)定性，前者在整個(gè)加固范圍內(nèi)限制地基水平變形，而抗滑樁則將水平變形約束于樁前。綜上所述，對(duì)于斜坡地基的處理原則應(yīng)為“抗滑”解決穩(wěn)定問(wèn)題，“治軟”進(jìn)一步解決變形問(wèn)題，二者應(yīng)結(jié)合使用，對(duì)于斜坡軟弱地基，還應(yīng)加上排水固結(jié)措施，加快地基施工期固結(jié)，提高地基強(qiáng)度，減小工后沉降及側(cè)向變形。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某新線鐵路具體工點(diǎn)的情況，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試了抗滑樁+袋裝砂井、打入樁+袋裝砂井兩種處理措施加固軟基的地基變形，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了無(wú)加固措施、打入樁加固、抗滑樁加固、打入樁+抗滑樁加固四組離心模型試驗(yàn)，測(cè)試了地基變形，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析比較，得出如下結(jié)論:1)斜坡軟弱土地基的水平變形主要發(fā)生在下坡一側(cè)坡腳至路堤中心范圍內(nèi)，沉降變形主要發(fā)生在護(hù)道坡腳至路基中心范圍內(nèi);2)打入樁加固和抗滑樁加固均能保證斜坡軟弱地基的穩(wěn)定性，有效約束地基的水平變形與沉降變形，但前者的效果更好;3)抗滑樁加固軟弱地基應(yīng)防止樁間溜滑及樁后土體失穩(wěn)，當(dāng)?shù)鼗^(guò)于軟弱時(shí)應(yīng)考慮與其他措施如排水固結(jié)或小型群樁結(jié)合使用;4)打入樁與塑料排水板共同加固軟弱地基時(shí)會(huì)相互影響，在先施工塑料排水板的情況下，后施工的打入樁會(huì)擠密土體，降低塑料排水板的排水效果。

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