斜坡軟土路基處治方案研究

龍 森 王瑞甫 胡興堯 劉 品

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550001）

我國西南地區(qū)公路建設(shè)過程中，在軟質(zhì)巖地層的溝谷斜坡上，常常遇到斜坡軟土。斜坡軟土為一種地區(qū)性巖土，是在特定地質(zhì)、氣候條件下形成的具有特殊性質(zhì)的土體，除了具有常規(guī)軟土天然含水率高、孔隙比大、高壓縮性、低強度性等特點外，還具有成因復(fù)雜性、順坡性、隱伏性、不均勻性和不連續(xù)性等特點。公路工程建設(shè)過程中如果認識和重視不夠，處理措施不當(dāng)，極易造成填方路堤基底滑移、路堤沉陷、路塹邊坡滑坡、垮塌等危害［1］。斜坡軟土路基處治是西南地區(qū)公路建設(shè)的難題之一。本文以駕歐至荔波高速公路（簡稱駕荔高速）斜坡軟土路段為研究背景，借助現(xiàn)場勘察和理論分析等手段，對斜坡軟土路基處治方案開展系統(tǒng)的研究，提出C20 素混凝土聯(lián)合碎石樁（簡稱CM 樁）處治斜坡軟土的設(shè)計方案，為今后類似工程提供典型的工程案例和借鑒資料。

1 工程地質(zhì)條件

駕荔高速斜坡軟土路基主要位于K8＋000～K9＋100段，路線沿一單向斜坡中下部布線，斜坡坡率一般為1∶10～1∶2.5之間，斜坡上主要為梯田，軟土分布在溝谷地勢低洼處和緩斜坡上，軟土段落不連續(xù)。斜坡上軟土表面存在1～3m 可塑狀粉質(zhì)粘土（硬殼層），硬殼層至基巖面之間為軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；溝谷內(nèi)地下水發(fā)育，軟土為軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。軟土路段巖土體自上而下分成耕植土、粉質(zhì)粘土（溝谷內(nèi)缺失）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，下伏三疊系下統(tǒng)羅樓組－紫云組（T1l－z）泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖。

2 天然地基路堤穩(wěn)定性評價

駕荔高速設(shè)置雙向4車道，路基寬度為21.5 m，軟土路段以填方路基通過，軸線最大填高13.7 m。為評價天然條件下填方路堤穩(wěn)定性，筆者根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》［2］第3.6.7，3.6.8條對軟土路段型斷面的路堤自身穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性、路堤沿斜坡軟弱層滑動的穩(wěn)定性進行計算，計算結(jié)果見表1。本路段為填石路堤，路堤填料的參數(shù)采用以往工程經(jīng)驗值：γ＝23.0 kN／m3，c＝0kPa，φ＝35°。

表1 天然地基路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)計算表

由表1可知，F(xiàn)S1≥1.35，路堤堤身穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求；部分斷面FS2＜1.20，其路堤和地基的整體穩(wěn)定性較差，不能滿足規(guī)范要求；FS3最大值為0.83，遠小于規(guī)范規(guī)定的1.30，路堤沿斜坡軟弱層滑動的穩(wěn)定性不足，難以滿足規(guī)范要求，路堤填筑后會導(dǎo)致填方邊坡沿軟弱層滑動，須進行治理。

3 處治方案技術(shù)經(jīng)濟比較

受路線總體方案控制，該路段已無平面線位調(diào)整的可能，須治理。根據(jù)該路段現(xiàn)場調(diào)繪及地勘資料，結(jié)合各軟土段落的實際情況，提出了橋梁、換填、樁板墻、復(fù)合地基的4個處治方案。

3.1 處治方案技術(shù)比較

（1）橋梁方案。受路線平、縱、橫指標限制，5段軟土中僅K8＋530～K8＋760段適合設(shè)橋，其余4段軟土采用橋梁方案不合理，須用其他處治方案，未能體現(xiàn)其安全、環(huán)保、占地少的優(yōu)勢。

（2）裝板式擋土墻方案。該方案是在右側(cè)路肩位置或路堤填方邊坡上設(shè)抗滑樁支擋，樁間采用擋土板擋土，抗滑樁按懸臂8 m 控制，并設(shè)置排水盲溝排出露頭的地下水，但樁板墻方案未對軟土進行處治，存在路基沉降及路堤由樁頂滑移的隱患。

（3）換土填石。該方案可除盡軟土，且路基排水性好、路堤穩(wěn)定性高，但換填方案存在以下方面問題。首先，換填石料須遠運。路段3km 范圍內(nèi)巖性以軟質(zhì)巖為主，遇水易軟化，不能用于換填，換填石料需要從3km 外進行調(diào)運；其次，挖出的軟土須遠棄。本段為一單向坡，無棄土之地，須運至3km 外丟棄；再次，采用換填環(huán)保效應(yīng)差。路段所在地聯(lián)山灣風(fēng)景秀美，屬荔波大七孔三級景區(qū)邊緣，換填大挖大填對環(huán)境影響大；最后，由于部分軟土為隱伏型，換填需挖開1～3 m的硬殼層，浪費硬殼層的既有強度，且換填深度達7m，施工難度大及危險性大。

（4）復(fù)合地基方案。該方案為CM 樁處治，碎石樁置換、擠密、排水固結(jié)加固土體，C20素混凝土樁增強復(fù)合地基抗剪強度，確保斜坡路堤的穩(wěn)定性。從CM 樁在玉三、三凱、貴新等高速公路處治斜坡軟土的成功經(jīng)驗來看，具有較好的技術(shù)可行性。

3.2 處治方案經(jīng)濟比較

為直觀比較4種處治方案所需費用，對各軟土路段概況及其處治方案的費用進行統(tǒng)計，見表2。

表2 軟土路段概況及處治費用比較表

綜上所述，CM 樁處治斜坡軟土路基具有良好的經(jīng)濟性，技術(shù)可行，環(huán)保效應(yīng)好，為優(yōu)選方案。

4 CM 樁處治方案

CM 樁呈正方形交叉布置，樁體直徑d＝0.45m，樁間距s＝2.4m，采用振動沉管樁機，樁端應(yīng)置于基巖上，樁頂鋪0.5 m 的碎石墊層，有地下水露頭位置增設(shè)橫向排水盲溝，墊層頂部鋪設(shè)土工格柵，見圖1、圖2。

圖1 CM 樁平面布置大樣圖

圖2 CM 樁處理典型橫斷面圖

4.1 復(fù)合地基承載力計算

根據(jù)CM 樁的工作機理和受力特點，參考相關(guān)資料［3］，其復(fù)合地基承載力特征值采用下式進行估算。

式中：Ra1，Ra2為C樁、M 樁的單樁承載力特征值；fsk為樁間土承載力標準值；m1為C20素混凝土樁面積置換率；m2為碎石樁面積置換率；η1 為C20素混凝土樁承載力發(fā)揮系數(shù)；η2 為碎石樁承載力發(fā)揮系數(shù)；η3 為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；Ap1為C20素混凝土樁樁身橫截面面積；AP2為碎石樁樁身橫截面面積。

復(fù)合地基承載力特征值計算參數(shù)及結(jié)果見表3。

表3 復(fù)合地基承載力特征值計算參數(shù)及結(jié)果表

計算得復(fù)合地基承載力特征值為255kPa，設(shè)計值取250kPa，能滿足路堤填筑要求。施工時須進行荷載試驗復(fù)核，如何不滿足須進一步調(diào)整設(shè)計參數(shù)。

4.2 復(fù)合地基沉降與穩(wěn)定計算

復(fù)合地基沉降一般分成兩部分，即復(fù)合地基加固區(qū)沉降量和下臥層沉降量。本文復(fù)合樁基置于基巖面上，所以復(fù)合地基沉降僅為加固區(qū)沉降量。沉降和穩(wěn)定計算將CM 樁和樁間土視為復(fù)合土體。沉降分析采用復(fù)合壓縮模量來評價復(fù)合土體的壓縮性，再用分層總和法進行沉降計算［4－5］；穩(wěn)定分析采用復(fù)合土體綜合強度指標進行。

式中：s為復(fù)合地基加固區(qū)沉降量；Δpi為第i 層復(fù)合土層上附加應(yīng)力增量；Hi為第i 層復(fù)合土層的厚度；Espi為第i 層復(fù)合土層壓縮模量；Ea1為C20素混凝土樁壓縮模量；Ea2為碎石樁壓縮模量；Esi為第i層樁間土壓縮模量；csp，φsp第i層復(fù)合土層粘聚力及內(nèi)摩擦角；ca1，φa1為C20素混凝土樁粘聚力及內(nèi)摩擦角；ca2，φa2為碎石樁粘聚力及內(nèi)摩擦角；csi，φsi為第i層樁間土聚力及內(nèi)摩擦角；m1，m2意義同式（1）。

根據(jù)式（2）～（5）計算結(jié)果，在路堤填筑完成的條件下進行穩(wěn)定和沉降分析，計算結(jié)果見表4。

表4 復(fù)合地基處理路堤穩(wěn)定、沉降計算參數(shù)及結(jié)果表

由表4可見，經(jīng)過CM 樁處理后，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.3，路堤穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；復(fù)合樁基嵌于基巖面上，加固區(qū)沉降即為路基總沉降，最大值僅為0.219 m，且部分沉降將在施工過程中完成，工后沉降也滿足≤0.3m 的要求。

5 結(jié)語

（1）斜坡軟土具有隱伏性，須加強地質(zhì)調(diào)繪和勘察，確保設(shè)計時發(fā)現(xiàn)斜坡軟土并采取處治措施。

（2）CM 樁復(fù)合地基處理適用于軟土厚度＞3 m 的斜坡軟土路段，較采用支擋結(jié)構(gòu)、換土填石等處理方案具有施工速度快、費用省、環(huán)保等特點。

（3）復(fù)合地基設(shè)計應(yīng)采用動態(tài)設(shè)計的方法，CM 樁設(shè)計計算中，部分參數(shù)為經(jīng)驗值，施工前須進行現(xiàn)場測驗，驗證和調(diào)整設(shè)計參數(shù)。

（4）本文僅從勘察設(shè)計的角度進行分析，而復(fù)合地基是一項系統(tǒng)工程，要求嚴格按照規(guī)范施工并做好相關(guān)記錄，施工完成后還須對復(fù)合地基效果進行檢測，有條件的可對復(fù)合地基進行工后沉降觀測和穩(wěn)定性監(jiān)測，為類似工程處治提供更詳細的資料。

［1］尤昌龍，趙成剛，張煥城等.高原斜坡軟土路基施工試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2002，24（4）：503－508.

［2］JTGD30－2004公路路基設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］龔曉南.地基處理手冊［M］.3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［4］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.

［5］盧廷浩.土力學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2002.