黃土地區(qū)淤地壩軟土路基處治技術(shù)研究

苗貴華

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

在我國的山西、陜西、甘肅等省份廣泛分布黃土，植被覆蓋率低，土質(zhì)較疏松，具有強(qiáng)烈的水敏性。受季風(fēng)氣候影響，黃土地區(qū)降水集中，而且多為暴雨，在徑流作用下容易產(chǎn)生溝道侵蝕，發(fā)生水土流失，造成區(qū)域地形破碎、溝壑縱橫。淤地壩是黃土高原地區(qū)特有的水土保持措施，在攔泥於地、改善生態(tài)等方面發(fā)揮了重要作用。通過調(diào)查淤地壩挖取剖面采集土樣的分析壩前淤積物的淤積層厚度、干容重、顆粒級配等淤積物的物理特性指標(biāo)；淤積的次生黃土具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低等不利工程性質(zhì)。本文結(jié)合黃土高原淤地壩區(qū)軟弱地基工程處治實(shí)例，分析淤地壩軟土路堤滑動失穩(wěn)與沉降變形的主要原因，探討淤地壩軟基處治設(shè)計(jì)關(guān)鍵內(nèi)容。

1 淤地壩軟土路堤失穩(wěn)和變形的主要原因分析

結(jié)合國道209線改建工程項(xiàng)目中遇到淤地壩軟土地基，根據(jù)其物理和力學(xué)特性、分布范圍及厚度、持力層情況、地下水特征及周圍環(huán)境等因素，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，淤地壩軟土路堤失穩(wěn)和變形的主要原因如下：

a）路堤邊坡設(shè)計(jì)過陡或路堤填筑速度過快，路堤荷載超過地基承載力，就會產(chǎn)生較大的剪切變形，從而造成淤地壩軟土路堤失穩(wěn)和變形。

b）構(gòu)造物與路基銜接路段、半填半挖路段及路堤填土高度差異較大路段，差異沉降造成路面開裂或路基失穩(wěn)。

c）軟基施工圖詳勘不完整、不準(zhǔn)確或采用處治方案不合理，如對于泥炭土、有機(jī)質(zhì)含量大于5%或pH小于4的酸性土，采用水泥土攪拌樁可能導(dǎo)致水泥不凝固或發(fā)生后期崩解。

d）路基填料不合理、路基邊緣壓實(shí)度不足、淤積軟土處治方案不當(dāng)、雨水沿邊坡滲入路基，造成路基邊緣發(fā)生失穩(wěn)。

2 淤地壩軟土路基處治設(shè)計(jì)關(guān)鍵內(nèi)容

結(jié)合在建項(xiàng)目及以往的工程經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行黃土高原地區(qū)淤地壩軟基處治設(shè)計(jì)時(shí)，除了進(jìn)行地基承載力、沉降計(jì)算及淤積土處治方案設(shè)計(jì)參數(shù)等常規(guī)設(shè)計(jì)，還應(yīng)進(jìn)行以下幾點(diǎn)關(guān)鍵設(shè)計(jì)內(nèi)容。

a）淤地壩軟基處治設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)詳勘資料進(jìn)行方案比選，選擇經(jīng)濟(jì)合理的處治方案。堅(jiān)持動態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工，根據(jù)施工補(bǔ)充的地勘、現(xiàn)場試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行反分析，及時(shí)優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)。

b）淤地壩軟基路基路段較長時(shí)，根據(jù)路堤高度、地質(zhì)狀況、構(gòu)造物位置等條件變化劇烈時(shí)，可適當(dāng)縮短分段長度進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，以減小路基不均勻沉降。

c）當(dāng)采用清除換填方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)詳勘選擇合適的回填材料和換填厚度；當(dāng)采用復(fù)合路基設(shè)計(jì)方案，須注意不同類型復(fù)合地基適用性，比如水泥土攪拌樁不宜應(yīng)用于有機(jī)質(zhì)含量大于5%或pH小于4的酸性土的淤積土。

d）對于填土大于10 m的路堤，應(yīng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。例如通過加鋪土工材料；每填土3 m增加重夯；改善填土的最佳含水量并將壓實(shí)度比規(guī)范提高一個(gè)百分點(diǎn)等措施，以減少路堤的變形沉降。

3 淤地壩軟基處治設(shè)計(jì)案例研究

3.1 工程地質(zhì)概況

國道209改線項(xiàng)目路線多次穿越淤地壩淤積軟土。其中選取較為典型段落K33+085—K33+640路段，如圖1所示。該路段地貌單元屬于黃土臺地與黃土沖溝組合區(qū)。最大路基填土高度為9.8 m，路基寬度為25.5 m。

圖1 淤地壩的地形地貌

勘探資料顯示，在該路段范圍地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al）淤積，灰褐色-黃褐色，軟塑，含少量有機(jī)質(zhì)，含少量植物根系，厚度為5.5～7.7 m，平均厚度為6.7 m。下伏第三系沖洪積粉質(zhì)黏土，褐黃色-棕黃色，可塑，黏性較好，含粗礫砂。層厚5.5～10.5 m，主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 主要物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 設(shè)計(jì)原則

以解決路堤的穩(wěn)定和變形問題。進(jìn)行地基處理設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

a）根據(jù)淤積土形成原因、環(huán)境類型、淤積層厚度、分布范圍、持力層情況、物理力學(xué)性質(zhì)等，結(jié)合材料來源、施工進(jìn)度、環(huán)境影響等方面認(rèn)真進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇最佳處理方案。

b）在復(fù)合承載力滿足要求的前提下，沿路線方向設(shè)置緩沖段；緩沖段應(yīng)改變水泥攪拌樁樁長、置換率及鋪設(shè)土工格室以滿足差異沉降的要求。

c）設(shè)計(jì)方案技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、施工安全方便。

3.3 設(shè)計(jì)方案比選

a）方案一 振動擠密碎石樁方案，設(shè)計(jì)樁長10 m，樁長應(yīng)進(jìn)入下臥硬土層以下2.0 m，樁徑0.5 m，樁距1.2 m，樁長10 m，等三角形布樁，設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 振動擠密碎石樁設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

b）方案二 水泥攪拌樁設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)樁長10 m，樁長應(yīng)進(jìn)入下臥硬土層以下1.0 m，樁徑0.5 m，樁距1.3 m，樁長10 m，等三角形布樁，水泥含量按55 kg/m。設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

方案一中，碎石樁施工簡單，加固期短，可因地制宜，就地取材?？蛇m用于加固粉土、粉質(zhì)黏土、松散砂土和人工填土地基工程，對于處理不排水抗剪強(qiáng)度不小于20 kPa的飽和黏性土和飽和黃土地基應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定其適用性。方案二中，水泥土攪拌樁適用土質(zhì)類型廣，加固深度大，適用于處理包括淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、黏性土、素填土、粉細(xì)砂、中粗砂、飽和黃土等土層。水泥土攪拌樁相對其他樁型有獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢，與其他復(fù)合地基施工方法相比較，水泥土攪拌樁具有施工工藝成熟、施工工期短、無污染、成本低、施工技術(shù)成熟等特點(diǎn)[1]。每延米的造價(jià)比其他相同樁徑復(fù)合地基樁至少節(jié)省造價(jià)50%以上。具有較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

圖3 水泥攪拌樁設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

4 水泥土攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)流程

a）結(jié)合地質(zhì)資料、路堤高度等進(jìn)行段落劃分，以確定不同類型設(shè)計(jì)參數(shù)。

b）根據(jù)上部荷載計(jì)算所要求的復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值及沉降要求。

c）根據(jù)初步擬定的樁長、樁徑確定單樁極限承載力；根據(jù)樁身材料強(qiáng)度計(jì)算單樁極限承載力；二者取較小值為單樁承載力特征值。

d）計(jì)算復(fù)合地基的置換率，確定布樁方式、樁間距等參數(shù)。

e）進(jìn)行復(fù)合地基加固區(qū)下臥層承載力驗(yàn)算。

f）復(fù)合地基沉降計(jì)算。

4.2 復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算

依據(jù)上部荷載情況，復(fù)合地基承載力特征值。合理確定樁間距、樁長、置換率、樁土應(yīng)力比等設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)化組合，既能充分發(fā)揮水泥土攪拌樁單樁承載力又能發(fā)揮樁間土的承載潛力，從而達(dá)到最經(jīng)濟(jì)合理的效果。軟土路堤樁位采用等邊三角形布置，相鄰樁的間距不應(yīng)大于4倍樁徑，取樁間距選為1.3 m，樁徑選為0.5 m，采用水泥摻入量15%，選用90 d樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度2.5 MPa進(jìn)行初步計(jì)算，水泥土攪拌樁單樁豎向承載力特征值R。

式中：fcu為90 d齡期時(shí)攪拌樁的單軸抗壓強(qiáng)度，取2.5 MPa；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，采用濕法施工取0.25；Ap為樁體截面積，取0.196 m2。

另一方面，水泥攪拌樁由側(cè)阻力和端阻力提供單樁承載力Ra2，端阻力作為安全儲備，僅考慮側(cè)摩阻力所提供的單樁承載力為：

式中：μp為樁的周長，取1.57 m；qsi為樁周土側(cè)阻力特征值，取15 kPa；lpi為樁周范圍內(nèi)土的厚度，取10 m；ap為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，取0；qp為未修正的樁端地基土承載力特征值，取100 kPa。

由于Ra1＜Ra2，取較小值作為單樁容許承載力，即取Ra1=122.5 kN[2]。復(fù)合地基承載力：

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；Ra為單樁豎向承載力特征值；AP為樁的截面積；β為樁間土承載力系數(shù)；m為面積置換率；fsk為處理后樁間土承載力特征值。

在樁長一定的情況下，復(fù)合地基承載力取決于置換率的大小，在滿足承載力要求的前提下，應(yīng)變化置換率的大小，使之適應(yīng)沉降平穩(wěn)過渡的要求。

4.3 下臥層承載力校核

對于復(fù)合地基而言，當(dāng)樁端下臥層土體為軟土?xí)r，應(yīng)對下臥層土體進(jìn)行承載力校核。該工程中淤地壩淤積厚度在10 m左右，當(dāng)相對硬層埋藏深度不大時(shí)，樁應(yīng)打到相對硬層，樁端下臥層土體為可塑粉質(zhì)黏土，其承載力高達(dá)180 kPa。經(jīng)過計(jì)算檢驗(yàn)，攪拌樁復(fù)合地基地面處的地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 沉降校核

目前，水泥攪拌樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算方法有許多種，有常規(guī)法、簡化法、修正手冊法、荷載傳遞法等，施工實(shí)踐證明，修正手冊法與實(shí)測值較為接近，本設(shè)計(jì)中的沉降計(jì)算采用修正手冊法（曾國熙等，1988）[3]。

復(fù)合地基的總沉降s分為樁群壓縮變形s1和樁端下臥層的沉降變形s2，s=s1+s2.

樁群體壓縮變形s1

式中：p為樁群體表面處平均壓力，kPa；p0為樁端處土體的平均附加壓力，kPa；Esp為樁群體的復(fù)合變形模量，kPa。

復(fù)合地基壓縮模量

式中：Ep為攪拌樁樁體的壓縮模量；Es為樁間土的變形模量。

對于齡期為90 d的攪拌樁，可取Ep=100×1.5×1 000=1.5×105kPa；根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，土體的變形模量可取Es=4.0×103kPa；因此，Esp=2.4×103，將所計(jì)算的各參數(shù)，帶入式中，求得樁體壓縮變形s1=60.7 mm。

按分層總和法計(jì)算樁端下臥層的沉降變形s2，在計(jì)算下臥層沉降量s2時(shí)，作用在下臥層上的荷載是比較難以精確計(jì)算的，本次設(shè)計(jì)采用壓力擴(kuò)散法進(jìn)行計(jì)算[4]。

經(jīng)計(jì)算分析，主固結(jié)沉降量sc=21.6 cm.

4.5 工后沉降ss

相對于路堤總沉降來說，工后沉降是我們更關(guān)心的問題。工后沉降是指路面鋪筑完成后15年（瀝青路面）內(nèi)的殘余沉降。兩處不一致的工后沉降差為差異沉降，工后差異沉降造成路面不平整、破壞、路面排水及行車造成不良影響。嚴(yán)重影響行車舒適程度，減小了行車速度和高速通行能力，嚴(yán)重影響了公路的社會和經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)合交通部第二公路勘察設(shè)計(jì)院按不同填土高度采用不同的沉降系數(shù)[5]，填土高度大于5.5 m時(shí)，沉降系數(shù)ms=1.3，所以工后沉降ss=1.3×21.6-21.6=6.5 cm，滿足規(guī)范高速公路、一級公路一般路段工后沉降不大于0.3 m的規(guī)定[6]。因此采用水泥攪拌樁處理方案設(shè)計(jì)合理。

4.6 工程實(shí)測效果分析

在攪拌樁施工完成后，為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性及施工質(zhì)量，按規(guī)范要求進(jìn)行了鉆取芯樣法、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及現(xiàn)場靜荷載試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場水泥土攪拌樁施工齡期、數(shù)量等，在施工現(xiàn)場隨機(jī)選取6個(gè)測點(diǎn)，其中單樁靜載荷試驗(yàn)點(diǎn)3處，復(fù)合地基靜載試驗(yàn)點(diǎn)3處。測得豎向增強(qiáng)體承載力特征值為350 kPa，復(fù)合地基承載力特征值為150 kPa。通過現(xiàn)場鉆取芯樣法、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)時(shí)所選用的側(cè)阻力和樁長、樁體強(qiáng)度等參數(shù)的準(zhǔn)確性；現(xiàn)場靜載試驗(yàn)驗(yàn)證了樁體置換率、樁間土發(fā)揮系數(shù)、復(fù)合地基承載力等的準(zhǔn)確性；在土中埋設(shè)分層沉降儀測得路基總沉降為48 mm，與計(jì)算值較吻合。以上現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測數(shù)值均能達(dá)到設(shè)計(jì)值。

5 結(jié)語

本文結(jié)合國道209改線工程項(xiàng)目淤地壩軟土地基處治，對淤地壩軟土路堤失穩(wěn)和變形的主要原因進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了淤地壩軟土地基處治設(shè)計(jì)關(guān)鍵內(nèi)容。結(jié)合具體工程案例，對水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載力與沉降進(jìn)行計(jì)算。通過對施工后加固效果檢測，驗(yàn)證各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，工程效果良好。另外，水泥攪拌樁與其他復(fù)合地基方案比較，每延米水泥攪拌樁的單價(jià)較低；既可滿足工程效果又節(jié)省工程造價(jià)。水泥攪拌樁復(fù)合地基處理黃土地區(qū)淤地壩深厚軟土地基具有較強(qiáng)的競爭力和應(yīng)用前景，可為以后黃土地區(qū)淤地壩軟土地基處治提供借鑒。