土工格室在軟弱地基處理中的應(yīng)用

文｜岳陽市公路橋梁基建總公司 潘煒

軟地基會(huì)引起地上建筑沉降或側(cè)移，必須采取固結(jié)、置換等措施以提高地基穩(wěn)固性。土宮格室是一種三維的網(wǎng)室狀限系統(tǒng)，可以限制地基水平任一方向的側(cè)移，并增加地基彈性模量，具有成本低、施工方便、穩(wěn)定軟地基效果好等優(yōu)點(diǎn)。環(huán)洞庭湖地區(qū)軟地基區(qū)域面積大，研究土工格室在這一地區(qū)典型軟弱地基處理中的施工效果，有利于加快該地區(qū)公路、橋梁等交通設(shè)施的建設(shè)。

1 案例工程概況

案例工程華容縣珠頭山至花子墳二級(jí)公路為岳陽市省道連接工程。工程位于洞庭屋東部沿岸，橫跨華容河、水塘、稻田等軟弱地基密集區(qū)，規(guī)劃線路長(zhǎng)度9.726公里。沿線地形起伏不大，沖溝淺且平緩，無高填方分布，除橋頭區(qū)外，路堤填方高度一般不超過2.0m。覆蓋層主要為種植土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中(粗)砂、礫砂等。特殊性巖土主要為軟土。LK0+000～LK2+300.991、K0+000～K0+750段軟土主要零星出露于沿線溝谷、水塘及稻田等低洼地帶，軟土厚度一般多在1-2m范圍內(nèi)。K0+750～K3+000段的軟土范圍分布廣，埋深較淺，厚度較大，其力學(xué)性質(zhì)差，承載力一般不能夠滿足路基填筑要求，必須對(duì)軟土進(jìn)行加固處理后方能進(jìn)行路基的填筑。沿線主線采用設(shè)計(jì)速度80km/h的雙向兩車道二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬12m，路面寬10.5m。

2 路基處理設(shè)計(jì)方案

2.1 一般路基

華容縣環(huán)東洞庭湖段地勢(shì)低洼，水塘和稻田多，為保證規(guī)劃線路路基不受雨水侵蝕，設(shè)計(jì)標(biāo)高約30m，大部分路基位于設(shè)計(jì)標(biāo)高以下，為填方路段。少部分為挖方路段。一般路基填方高度小于3m，路基較為穩(wěn)固。在處理一般路基時(shí)，擬清除地基耕植土、淤泥和松土，并進(jìn)行填前壓實(shí)后填筑拓寬。老路邊坡則挖除松土后，開挖臺(tái)階，每二層分層壓實(shí)土高挖一級(jí)臺(tái)階。路基橫斷面擬盡量采用流線形，取消路堤路肩邊緣、坡腳的折角，即從土路肩到路堤邊坡坡腳的邊坡表面線形為：弧曲線（圓曲線）——直線——拋物形，使得邊坡外形與周圍環(huán)境融為一體，看不出明顯的填筑痕跡。填挖交界處基底層沉降變化大，則填方路基的壓實(shí)度要求提高2%。

本項(xiàng)目一般路基中的挖方路基主要位于老路拓寬部分。老路路基較為穩(wěn)固，路面為土層或碎石柏油路面，大部分破損嚴(yán)重。老路基部分地段有邊坡，邊坡高度一般小于1.5m。為防止路面出現(xiàn)不均勻沉降，松土路床應(yīng)進(jìn)行超挖分層壓實(shí)，挖方路床頂應(yīng)進(jìn)行挖方路基碾壓，其壓實(shí)度不小于95%。該工程一般路基部分路段含淺層松軟表土和淤泥，厚度在1m以內(nèi)。為固化地基，設(shè)計(jì)一般路段清表土厚度0.3m，清淤泥深度依據(jù)具體路段地質(zhì)情況確定。一般路段清表土后，以含水率低的土料或建筑混凝渣土廢料為填料，路床填料以《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）第3.2條要求為準(zhǔn)；路堤填料以滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）第3.3條要求為準(zhǔn)。優(yōu)先利用級(jí)配較好的石質(zhì)土（碎（礫）石含量大于25%）、砂性土等粗粒土。當(dāng)?shù)孛鏅M坡為0～1:10時(shí)，填土前須碾壓；當(dāng)?shù)孛嫫露葹?:10～1:5時(shí)，須填前挖松再碾壓；地面坡度陡于1:5時(shí)須填前挖臺(tái)階，臺(tái)階寬度不小于2m。

綜合來看，本項(xiàng)目主要以填方為主，局部路段有挖方，但挖方高度一般在1m以內(nèi)，采用移挖作填處理，路基填料主要集中在新建路段，填料主要為砂土；路面底基層以下不論填方還是挖方均考慮了15cm墊層，以未篩分碎石為填料；在填方地段在15cm墊層下鋪設(shè)厚度不等的路床用土。規(guī)劃路面墊層以上結(jié)構(gòu)分別為底基層、基層、封層、下面層和上面層。

2.2 特殊路基

本路線穿越較多的水洼和河流，不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為軟土。軟土主要為淺層淤泥和淤泥質(zhì)粘土，設(shè)計(jì)貫徹“預(yù)處治”理念，以確?；A(chǔ)穩(wěn)定，路基安全。結(jié)合軟弱地基深度不同和路橋結(jié)構(gòu)不同，對(duì)不同路段采取不同的特殊路基處理方案。經(jīng)地質(zhì)勘探，軟弱地基典型結(jié)構(gòu)為1-3m厚的上部可塑粉狀質(zhì)黏土、中間厚1.5-9.0m的軟塑狀粉質(zhì)黏土，下部為硬塑狀粉質(zhì)黏土。軟弱路基主要位于K0+750～K3+000段區(qū)域。由于軟弱地基的厚度大部分小于3m，因此，設(shè)計(jì)采取換填方案，即清淤和挖除軟土后換填砂礫或礫石。對(duì)于橋樁、橋臺(tái)、橋涵地基可采用水泥攪拌樁等強(qiáng)化地基，增加地基彈性模量。

在常年積水或水塘（魚塘）地段挖填方，應(yīng)先在用地范圍內(nèi)修好圍堰，將圍堰內(nèi)的水抽干，清除表層淤泥后才能填筑路基。對(duì)于水塘等浸水路段，設(shè)計(jì)水位以下采用水穩(wěn)性好的材料填筑，如砂礫等。填料中，不可摻入重粘土、浸水后容易崩解的巖石、風(fēng)化的石塊、鹽漬土等填料。邊坡采用C20砼預(yù)制塊護(hù)坡防護(hù)。本工程軟土范圍分布廣，埋深較淺，厚度較大，其力學(xué)性質(zhì)差，承載力一般不能夠滿足路基填筑要求，設(shè)計(jì)采用超載預(yù)壓與塑料排水板等方法處理；在橋涵附近根據(jù)軟土厚度視情況采用水泥攪拌樁或預(yù)制管樁等方法處理。

3 施工方案試驗(yàn)設(shè)計(jì)

軟弱地基增設(shè)加強(qiáng)筋可穩(wěn)固地基，目前有多種材料可以應(yīng)用。最常用的是土工格柵和土工格室。兩者均為人工材料，施工工藝類似，造價(jià)上土工格室稍高。本工程中對(duì)于填挖高較深的軟弱地基，采用土工格柵和土工格室比對(duì)試驗(yàn)來確定施工方案。

3.1 填方高小于2m路段的施工方案

一般地基按全線清除地表松土、淤泥0.3m方案。特殊地基包括水塘段、河流灘涂段等，根據(jù)可塑性粉狀黏土的厚度清淤、排水。清淤完成后，再回填砂土。在橋涵等處，由于路面結(jié)構(gòu)不同，需要采取水泥攪拌樁等做特殊處理。水泥攪拌樁的深度以打入硬質(zhì)粉狀黏土層為宜。砂土回填到原地面線后，根據(jù)原地面軟弱地基的厚度，采取不同的路基穩(wěn)固化方案。一般路基填挖高均為0.3m，可在填方復(fù)原道原路基高度后，直接鋪設(shè)墊層、然后按底基層、基層、封層、下面層和上面層結(jié)構(gòu)施工。對(duì)于軟土和淤泥厚度在2m以下的路基，選用增設(shè)土工格室方案，由于路基豎向位移隨土工格室埋設(shè)深度的增加而增大，并且隨路基所受豎向荷載的增大而增大。因此，選擇在原地面線上鋪設(shè)一層10cm厚的土工格室，填壓30cm厚砂土后開始路面結(jié)構(gòu)施工。

3.2 填方高大于2m的路段的施工方案對(duì)比試驗(yàn)

填挖高較深的路段，多為河道邊灘、泥塘等淤泥較多區(qū)域。雖然通過排水、置換等方案清除了這類路基的可塑性粉狀黏土層，并減少了軟塑狀粉狀黏土層的含水率。但這類路段的原地面線標(biāo)高較低，需要回填的深度大，因此，選用雙層加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)更有利于路基的穩(wěn)固性。在方案選擇上，可以選用雙層土工格柵和雙層土工格室結(jié)構(gòu)。兩者施工工藝類似，土工格室理論防沉降效果更好，但造價(jià)較高。因此，本工程選定了填挖深度超過3m的軟弱路基段作為試驗(yàn)路段，以選定何種方案更佳。

3.2.1 土工格柵方案

土工格柵是方格或長(zhǎng)方格網(wǎng)狀的土工加筋基材。其主要限制土基豎直方向的位移，對(duì)水平方向的側(cè)移也有一定限制作用。塑料、高強(qiáng)鋼絲和塑料結(jié)合材料以及玻璃纖維等材質(zhì)均可制造土工格柵。土工格柵的網(wǎng)孔越小，抗沉降能力越佳，但網(wǎng)格越小造價(jià)越高。本實(shí)驗(yàn)中，選用普通單向聚氯乙烯土工格柵，抗拉強(qiáng)度為60KN，伸長(zhǎng)率不超過10%，網(wǎng)孔尺寸為12.5cm×12.5cm。施工中，要保證格柵填埋深度適當(dāng)。填埋過深，會(huì)導(dǎo)致路基豎向位移難以控制，并導(dǎo)致由于豎直方向的沉降而引發(fā)橫向側(cè)移。本方案中，第一層級(jí)的格柵埋深在原路面線30cm以上。先用厚度為30cm的砂土作為墊料，然后鋪設(shè)土工格柵。砂土墊料采用粗砂或用碎石機(jī)軋制的碎石，碎石粒徑控制在0～4.75mm，墊料采用機(jī)械整平和壓實(shí)，然后將土工格柵展開平鋪，寬度為路基寬度。格柵與格柵之間采用搭接法連接，搭接長(zhǎng)度不小于0.5m，并采用土釘錨固。搭接部分每隔1米用8號(hào)鐵絲進(jìn)行穿插連接，每隔1.5-2m用U型釘固定于墊層。格柵鋪設(shè)好后，填埋0.3m厚的砂土料，整平、壓實(shí)后再依據(jù)上法鋪設(shè)第二層土工格柵。同樣需要杜絕格柵扭曲、折彎，然后再在格柵上鋪設(shè)30cm厚的砂土。砂土鋪設(shè)時(shí)，從中間向兩側(cè)攤開，防止格柵發(fā)生位移。試驗(yàn)路段共用土工格柵3000m2，土工格柵在鋪設(shè)中未出現(xiàn)扭曲、折皺、重疊等現(xiàn)象。

3.2.2 土工格室方案

土工格室是網(wǎng)格狀的多邊形立體格室。與土工格柵相比，它既在水平方向加增強(qiáng)筋，也在豎直方向增加了一定的增強(qiáng)筋?？梢栽谒椒较蜴i定一定體積的土層，增加路基的固結(jié)性和承載力，從而防止路基發(fā)生水平側(cè)移和豎直沉降。格室的材料多為塑料，如PE或PP。土工格室網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)是立體的，網(wǎng)孔空間越小，鎖定土基的能力越強(qiáng)，網(wǎng)孔的截面形狀可以是三角形、六邊形或多邊形，最常見的是四邊形。土工格室的高度、焊距、鋪設(shè)角度、鉚接方式均會(huì)影響軟弱路基的承載效果。土工格室高度越高，固定效果越好，但造價(jià)和鋪設(shè)難度也相應(yīng)增加，本案中選用高度為10cm的土工格室。焊距過密會(huì)影響土工格室的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，本案中選擇400mm焊距。格室片材質(zhì)為HDPE，抗拉強(qiáng)度≥180KN，連接點(diǎn)抗拉強(qiáng)度≥180KN，對(duì)應(yīng)延伸率≤15%，連接點(diǎn)連接直徑≥2.5mm；格室網(wǎng)帶連接方式采用U型鋼釘插接編織，U型釘直徑≥2.5mm；U型鋼釘已做鍍鋅防腐蝕處理，格室張拉到位時(shí)每一個(gè)U型鋼釘均為一剛性支撐點(diǎn)。土工格室在路基中用45°鋪設(shè)方式比采用0°鋪設(shè)方式可減少路基水平方向的變形值，且對(duì)豎向沉降幾乎沒有影響。因此，本案采用45°鋪設(shè)方式。

鋪設(shè)前，完成清淤清表、整平地面，然后回填碾壓至原地面線；在原地面線位置鋪一層土工格室，土工格室鋪設(shè)寬度為路基寬度，格室內(nèi)回填10cm厚的砂礫或碎石等透水性材料，碎石最大粒徑不大于8cm。由于格室高10cm，因此，首先應(yīng)填滿砂土至10cm高度，然后整平，防止格室未正確張拉。整平壓實(shí)后，在土工格室上再覆蓋40cm厚的砂石，以保證0.5m間距設(shè)置第二層。整平壓實(shí)40cm覆蓋層之前，嚴(yán)禁推土機(jī)等機(jī)械作業(yè)，防止壓壞土工格室。壓實(shí)后，開始鋪設(shè)第二層等寬的土工格室，格室間回填砂土或碎石材料。其上覆蓋30cm厚的砂土，整平壓實(shí)。實(shí)驗(yàn)中，土工格室布網(wǎng)主受力方向要求與路線縱向垂直，且視型張拉，連接到位，及時(shí)填埋，嚴(yán)禁爆曬；網(wǎng)間連接可采用專用插件或現(xiàn)場(chǎng)連接兩種方式。試驗(yàn)路段共用2100m2土工格室，回填土方量與土共格柵實(shí)驗(yàn)方案一致。

4 方案效果

軟弱路基中重要的危害是路基沉降，水平側(cè)移。對(duì)于填挖深度大的路段，采用強(qiáng)化措施，增加穩(wěn)固性非常必要。上文兩個(gè)方案均通過增加加強(qiáng)筋的方法來穩(wěn)固軟弱路基，通過檢測(cè)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中填方路基的沉降速度，水平側(cè)移量等指標(biāo)，可以得出兩種方案的效果。路基沉降實(shí)驗(yàn)中，一般以6-12個(gè)月的自然沉降為依據(jù)，如果時(shí)間不滿足應(yīng)增加超載，縮短預(yù)壓期，在滿足連續(xù)2個(gè)月不超過5mm/月的沉降速率時(shí)，表明沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定化，可卸載加壓，并計(jì)算沉降量。不同路段的沉降標(biāo)準(zhǔn)如下（見表1）：

軟弱路基沉降可以通過實(shí)際測(cè)量直接讀出，但有時(shí)為了防止測(cè)量誤差，也可以通過理論計(jì)算得出。常用的計(jì)算方法包括經(jīng)驗(yàn)法和分層總和法。分層總和法的原理清晰明了，由于地基不同深度的土質(zhì)呈現(xiàn)層級(jí)性特制，因此，可以通過計(jì)算不同層級(jí)土質(zhì)的沉降量，然后加總，即可得出總的沉降量。其計(jì)算公式表示如下：

表1 不同路段的路基沉降標(biāo)準(zhǔn)

表2 兩方案不同測(cè)量點(diǎn)的沉降量

將理論公式計(jì)算得出的沉降量與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，可以進(jìn)一步了解沉降的規(guī)律，并預(yù)判沉降趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)中的沉降監(jiān)測(cè)采用表面金屬沉降板加載沉降法。在實(shí)驗(yàn)路段填方之前，于原地面下埋設(shè)沉降板，并進(jìn)行高程觀測(cè)，沉降板埋于路中心，路肩基底。全套監(jiān)測(cè)設(shè)備由鋼底板、金屬測(cè)桿和保護(hù)套管組成，沉降板底板尺寸不小于50cm×50cm×3cm，測(cè)桿直徑以4cm為宜。沉降板觀測(cè)應(yīng)采用S1、S3型水準(zhǔn)以二級(jí)中等精度要求的幾何水準(zhǔn)測(cè)量高程，觀測(cè)精度小于1mm。

填方工程中，不能損壞金屬測(cè)量桿，并隨著填土的高，接高測(cè)桿和套管，接高后的測(cè)桿頂面應(yīng)略高于套管上口，并加蓋封住管口。實(shí)驗(yàn)開始1個(gè)月后，兩個(gè)方案的沉降速度均趨于穩(wěn)定，經(jīng)3個(gè)月實(shí)驗(yàn)測(cè)量，兩個(gè)方案的沉降量結(jié)果如下（見表2）：

工程造價(jià)上，按3000m2土工格柵實(shí)驗(yàn)路段造價(jià)為27.3萬，按2100m2土工格室實(shí)驗(yàn)路段造價(jià)為30.1萬。對(duì)比工程造價(jià)，兩個(gè)方案的比值為0.91，而平均沉降量控制效果的比值為0.80，可以認(rèn)為土工格室方案單位造價(jià)上，控制沉降效果更佳。

總結(jié)

軟弱地基需采用置換法、加筋法、擠密夯實(shí)法、拌和法等。華容縣珠頭山至花子墳公路位于洞庭湖東岸，規(guī)劃為二級(jí)公路，規(guī)劃線路軟弱地基路段多。本文分析了工程設(shè)計(jì)方案中對(duì)一般地基和軟弱地基的處理對(duì)策，并重點(diǎn)分析了填挖高值超過2m的厚軟地基路段處理方案，通過對(duì)比土工格柵和土格室方案，可以看出土工格室方案的控制路基沉降效果更佳。因此，工程設(shè)計(jì)以土工格室方案為主要軟弱地基處理方法。