濱海相飽和軟土地基臨水路基開裂與擋墻失穩(wěn)病害分析

王志明，徐 杰，趙俊明

（1.灌云縣交通運輸局, 江蘇 連云港 222200；2.南京柏強交通工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210017；3.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

我國東南部沿海各省廣泛分布著強度低、壓縮性高、孔隙比大、抗剪強度低以及靈敏度高的軟黏土，并且各區(qū)域性軟土的工程特點不盡相同。在相關(guān)軟土地基上進行的工程對其處置不當極易引發(fā)各類工程問題。近年來，淺埋深厚軟土地基橋梁基樁、擋墻等構(gòu)造物，在毗鄰路基邊載作用下，地基軟土層側(cè)移導致基樁、擋墻側(cè)移與轉(zhuǎn)動，引發(fā)安全隱患的實例屢見不鮮［1-5］。忽略了非對稱邊載作用于淺埋軟土層的側(cè)移穩(wěn)定，不僅容易造成嚴重工程事故或安全隱患，且基礎(chǔ)托換加固或置換加固代價極其昂貴。本文針對濱海相飽和軟土地基上的某臨水路基開裂與擋墻失穩(wěn)的工程問題，分析相關(guān)病害的產(chǎn)生原因，闡述其病害機制，提出相應的補救措施。

1 工程概況

某公路地處濱海淤積平原區(qū)，地貌屬濱海淤積平原，地形平坦，地貌類型單一。淺層地表的濱海相軟黏土層（最大厚度超過25 m）直接出露或上覆軟塑粉質(zhì)黏土薄層（<2.0 m）。該類流塑狀、高壓縮性軟土的不排水強度cu=8.0~12.0 kPa，φu=3.0°~8.0°，地基承載力偏低，工程性質(zhì)極差。該工程涉及的主要土層基本指標如表1所示。

該公路路基全斷面寬26 m左右，路基與擋墻墻背采用宕渣填筑，路面結(jié)構(gòu)層（水穩(wěn)基層+面層）厚度約0.68 m。沿線路堤一般為低路堤，填土高度一般 為1.5~2.5 m，橋涵兩側(cè)填土一般為3.0~4.5 m。

表1 土體物理力學性質(zhì)一覽表

路基軟土地基處理如下：橋頭連接段和過渡段40 m范圍內(nèi)，采用釘型攪拌樁處置，釘型雙攪樁樁長L=13 m、間距sa=1.8~2.2 m。釘型雙攪拌樁上部擴大樁頭樁徑為D =1.0 m，樁長L0=4 m，水泥用量260 kg/m；下部樁體樁徑d=0.6 m，水泥用量65 kg/m，攪拌樁采用復合硅酸鹽32.5水泥。擴大頭部分采用4攪2噴工藝施工；下部樁體采用2攪1噴工藝施工。除上述橋頭連接段和過渡段外，一般路段軟基未處理。采用3.5 m漿砌片石擋墻，基礎(chǔ)下采用b20/L6小方樁加固（寬度20 cm×20 cm、長度L=6.0 m），小方樁平面矩形布置，間距為80 cm×80 cm。

2 病害特征

該工程部分臨水路基段在路床填筑完成后進行橋頭堆載預壓，預壓堆載高度為1 m（未壓實），堆載填筑完成后發(fā)生路基滑移、河底隆起，路基下沉及裂縫，臺前擋墻亦有部分裂縫。病害特征如圖1、圖2所示。

圖1 支擋結(jié)構(gòu)位移破壞特征

圖2 路基開裂位移特征

該公路部分臨水路基支擋位移、開裂和局部失穩(wěn)段均為軟土地基段，一般毗鄰溝渠，溝渠河床沉積淤泥（約0.5 m），下臥深厚濱海相飽和軟黏土。

3 病害機制分析

路基或擋墻外側(cè)毗鄰溝渠河床頂明顯隆起、支擋內(nèi)傾外移變形特征揭示，病害宏觀特征具有顯著的軟土地基承載力不足的破壞特征，即路基荷載對地基飽和軟土層的作用超過軟土層剪切抗力。河渠軟土層開挖水平卸載加劇了路基荷載在軟土層中的剪切作用，且降低了軟土層剪切抗力，重力式支擋并未取得預期水平阻滑效果，或短暫開挖施工工況（包括填料不合理堆放、河渠疏干等不利工況）極易引起地基承載力失穩(wěn)。因此，毗鄰河道軟土開挖卸載以及施工短暫工況不利作用組合，即開挖坑底趾部牽引與坑頂（施工）附加荷載推動綜合作用，是引起軟土地基承載力失穩(wěn)主要原因之一，路基與擋墻結(jié)構(gòu)拉裂或損毀則是地基失穩(wěn)宏觀表征，即軟土地基失穩(wěn)的后果。

綜合該公路部分臨水路基段出現(xiàn)肩部開裂、重力式支擋位移與局部結(jié)構(gòu)破壞等病害特征、環(huán)境特點與施工工況等，可以揭示病害機制如下：

（1） 濱海相軟土承擔過大的路基與施工荷載，軟土承載力（強度）失穩(wěn)；

（2） 濱海相飽和軟土層開挖卸載牽引導致毗鄰河床隆起失穩(wěn)；

（3） 路基邊載與開挖卸載綜合作用，導致濱海相飽和軟土剪切流變側(cè)移引起路基失穩(wěn)。

3.1 軟土地基的承載力

該公路部分臨水路基支擋位移、開裂和局部失穩(wěn)段均為軟土地基段，地基表層主要為濱海相淤泥質(zhì)黏性土，局部包括厚度不明的溝渠河床沉積淤泥，地表軟土層直接出露或上覆軟塑粉質(zhì)黏土薄層（<2.0 m）覆蓋；濱海相軟黏土不排水強度cu=8.0~12.0 kPa，φu=3.0°~8.0°，軟土地基承載力偏低。根據(jù)《公路橋涵地基基礎(chǔ)規(guī)范》（JTG D63—2007）

式中：［fa］為地基承載力容許值；m為抗力修正系數(shù)，可視軟土靈敏度即基礎(chǔ)長寬比等因素選用1.5~2.5；Cu為地基土不排水抗剪強度標準值；kp為系數(shù)；H為由作用標準值引起的水平力；b為基礎(chǔ)寬度，有偏心作用時取b-2eb；l為垂直于b邊的基礎(chǔ)長度，有偏心作用時取l-2el，eb、el分別為偏心作用在寬度和長度方向的偏心距；h為基底埋置深度，自天然地面起算，有水流沖刷時自一般沖刷線起算，當h<3m時，取h=3 m，當h/b>4時，取h=4b ；γ2為基底以上土層的加權(quán)平均重度，換算時若持力層在水面以下，且不透水時，不論基底以上土的透水性質(zhì)如何，一律取飽和重度；當透水時水中部分土層則應取浮重度。

根據(jù)公路條帶狀構(gòu)造物以及擋墻基礎(chǔ)特點，上式可改寫成：

式中：EH為擋土墻每延米土壓力水平向標準值；b為擋土墻基礎(chǔ)寬度。

由于路基一側(cè)河道擋墻開挖，式（2）中深度修正項18h=0，即擋墻基底開挖深度以上路基填土和天然沉積土層自重均為軟土地基豎向荷載作用。因此，即使不考慮擋墻墻身水平荷載折減，并取K=2.0，則由式（2）可得擋墻基底軟土地基能夠承擔的承載力僅為：

上述承載力理論將為托換或置換加固不同類型方案提供基礎(chǔ)支撐，尤其軟土地基未采取復合地基加固方案時，為濱海相軟土承載力穩(wěn)定評價提供依據(jù)。例如采用豎向增強體復合地基方案時，豎向增強體相對較高的置換率、柱體頂較高剛度和樁柱頂墊層較高勁度構(gòu)造等，才能確保上部荷載主要由增強體承擔，反之樁間軟弱基體荷載分擔超過30 kPa，即可能出現(xiàn)濱海相軟土地基承載力不足引起的穩(wěn)定隱患。

3.2 路基鄰渠床底隆起

病害特征揭示，路基或支擋荷載作用下，簡單硬化河床抗隆起穩(wěn)定性偏低。即毗鄰河床硬化層或未采取硬化措施，軟土開挖后河床軟土隆起失穩(wěn)，可以加劇病害程度，甚至成為病害產(chǎn)生的主要誘導因素之一。為此，引入坑底軟土隆起穩(wěn)定分析的Teraghi-Peck簡化方法驗算如下［6-8］：

式中：Pu為地基極限承載力；cub為坑底下破壞區(qū)土層加權(quán)平均粘聚力；γ為坑外地表至坑底各土層天然容重的加權(quán)平均值；h為基坑開挖深度；q0為地面超載；B1為滑動面深度，B1=min（0.707B，hs）；B、hs分別為基坑寬度和坑底以下軟土厚度。

基于簡化需要，設(shè)cub=10.6 kPa，且B1=min（0.707B，hs）=0.707B，則式（3）可以改寫成：

引入Bjerrum-Eide抗隆起穩(wěn)定系數(shù)計算公式［9］

穩(wěn)定系數(shù)Nc隨基坑形狀變化，通常采用如下公式來近似計算：

基于路基毗鄰溝渠開挖深度相對較淺，h<2.5B，且溝渠長度遠遠大于其寬度，則穩(wěn)定系數(shù) Nc為

則有

顯然，根據(jù)普適意義，地基承載力穩(wěn)定表達式在某種程度上，可以視為隆起穩(wěn)定驗算表達式（3）和（5）的特例。

根據(jù)工程實例典型斷面特征，設(shè)路基填土高度2.5 m，則上式（4）和（6）可分別改寫成：

基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)Fs>1.6，由上式可得，濱海相軟土層開挖深度h=0，路基邊載作用下的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)僅為K=1.2

上述理論，將為河床硬化抗隆起穩(wěn)定處置方案，或其他加固機制處置方案的河床隆起穩(wěn)定評價提供理論支撐。

3.3 淺層軟土側(cè)移穩(wěn)定

附加應力是引起土體變形的主要作用，軟土側(cè)向變形實質(zhì)上是土體受剪應力作用產(chǎn)生的側(cè)向塑性流動變形。在較小偏應力作用下，軟弱土即產(chǎn)生蠕變；偏應力愈高，軟土蠕變速率愈大；一旦偏應力高于軟土屈服極限（長期強度），軟土將不斷地產(chǎn)生加速蠕變，直到最后破壞［10］。豎向邊載作用淺埋深厚軟土層側(cè)向位移機理，如圖3所示。

Poluos ﹠Davis（1974）彈性理論分析與Stewart（1994）根據(jù)離心模型試驗都證實了堆載作用下，軟土側(cè)移臨塑荷載近似為3倍軟土不排水抗剪強度（≈3Su），如圖4所示。

圖3 路基邊載作用下軟土層側(cè)向流變位移特征

圖4 軟土側(cè)移與荷載水平關(guān)系［11］

綜上所述，路基邊載大于濱海相軟土不排水強度3倍，即p>3su≈30 kPa時，濱海相軟土就可能發(fā)生水平塑性流動失穩(wěn)，未進行地基處理（且不考慮擋墻基礎(chǔ)開挖與河床標高）時的對應路基高度約1.5 m。可以看出，這一結(jié)論與3.1節(jié)中采用豎向增強體復合地基方案時，樁間軟弱基體荷載分擔超過30 kPa即可能出現(xiàn)失穩(wěn)的結(jié)論一致。因此，軟土地基豎向加固處理應充分考慮特定邊界條件下的濱海相軟土側(cè)向塑性流動穩(wěn)定控制，主要體現(xiàn)在增強體置換率相對一般情況宜偏高、平面布置范圍宜擴大。

上述邊載作用下淺表層軟土側(cè)移穩(wěn)定機制理論分析，將為濱海相軟土抵抗側(cè)向剪切流動穩(wěn)定方案，或其他加固機制方案的軟土抗側(cè)穩(wěn)定評價提供依據(jù)。

4 結(jié)語

根據(jù)本文病害特征與機理分析可知，病害主要機制為濱海相淺埋深厚軟土層地基承載力不足；毗鄰河道抗隆起穩(wěn)定不足；軟土層塑性流動側(cè)移穩(wěn)定性不足；基坑開挖短暫工況邊坡臨時穩(wěn)定性不足等。其相應的處理技術(shù)主要包括重建穩(wěn)定技術(shù)和托換穩(wěn)定加固兩類。

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