淺談斜坡軟弱地基高速公路路堤處治技術(shù)

梁瑤 吳兵

在斜坡軟弱地基上填筑高速公路路堤，因地基表面或下部軟弱土層底部，具有傾向外側(cè)的斜面，直接填筑路堤易沿軟弱斜面產(chǎn)生側(cè)向滑移造成失穩(wěn)破壞。文章首先在著重分析斜坡軟弱地基特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，因地制宜、有針對(duì)性的制定了科學(xué)合理的地基處理、土方填筑、工程防護(hù)等技術(shù)方案。通過(guò)采取有效限制斜坡軟弱地基側(cè)向變形措施，確保高速公路路堤長(zhǎng)期安全與穩(wěn)定。最后通過(guò)處治方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，提出了斜坡軟弱地基路堤填筑處治原則，可為今后類似工程實(shí)踐提供參考。

斜坡軟弱地基; 高速公路; 路堤穩(wěn)定性; 地基處理; 處治技術(shù)

U416.1+2?? A

[定稿日期]2021-08-04

[作者簡(jiǎn)介]梁瑤（1982～），女，博士，高級(jí)工程師，主要從事高速公路設(shè)計(jì)及咨詢工作。

我國(guó)是一個(gè)丘陵和山地較多的國(guó)家，在斜坡地基上填筑路堤，是高速公路工程建設(shè)中常見的活動(dòng)之一。由于斜坡軟弱地基表面或下部軟弱土層底部具有一定傾向外側(cè)的斜面，在路堤填筑加載作用下，地基土在產(chǎn)生豎向壓縮變形的同時(shí)，將在斜坡下側(cè)產(chǎn)生明顯的側(cè)向變形[1]。與水平軟弱地基變形集中在地基中部不同，斜坡軟弱地基變形主要集中在下坡一側(cè)路堤坡腳附近，在其上填筑公路路堤更易引起地基的側(cè)向滑移失穩(wěn)破壞[2-3]。因此在斜坡軟弱地基上填筑高速公路路堤時(shí)，應(yīng)在開展深入細(xì)致的地質(zhì)勘察工作基礎(chǔ)上，因地制宜、有針對(duì)性的制定科學(xué)合理的地基處理、土方填筑、工程防護(hù)等技術(shù)方案，采取有效限制地基側(cè)向變形的措施，確保斜坡軟弱地基填方路堤的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定[4-5]。

圖1 斜坡軟弱地基上路堤填筑示意

在斜坡軟弱地基上進(jìn)行高速公路路堤填筑時(shí)，首先應(yīng)限制地基側(cè)向變形[5]。其主要途徑包括：清除地基軟弱土層、提高地基抵抗變形能力、限制地基側(cè)向變形發(fā)展等措施。

1 清除地基軟弱土層

這是一種簡(jiǎn)單而有效的措施。當(dāng)?shù)孛鏅M坡較陡且下部軟弱土層埋深較淺、厚度較薄時(shí)，可采用清除地基軟弱土層措施。一般情況下，層厚小于4 m時(shí)，采取清除方案，相比其他措施，經(jīng)濟(jì)合理、施工難度較小。地基表面或下部軟弱土層底面橫坡緩于1∶10，可與增設(shè)反壓護(hù)道方案作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，擇優(yōu)選取;地基表面或下部軟弱土層底面橫坡陡于1∶10且層厚小于4 m時(shí)，一般應(yīng)采取清除地基軟弱土層方案。德昌至?xí)砀咚俟分骶€長(zhǎng)約78 km，主線與互通區(qū)共有斜坡軟弱地基填方路堤40余處，其中采用清除地基軟弱土層的簡(jiǎn)單處治方案共有18處。

2 提高地基抵抗變形能力

通過(guò)提高地基土抵抗變形能力，可有效減小地基側(cè)向變形，增強(qiáng)路堤穩(wěn)定性。其主要方法包括：①采用強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)，提高地基土體密實(shí)度;②在地基土層中置換或植入各種強(qiáng)度相對(duì)較高的豎向增強(qiáng)體，形成復(fù)合地基[6-7]。

2.1 強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)加固

強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)可使地基產(chǎn)生壓縮或振密，增強(qiáng)土體密實(shí)度，降低土層壓縮性、提高地基抵抗變形能力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對(duì)強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)加固原理進(jìn)行了大量的研究，普遍看法包括：夯擊能量轉(zhuǎn)化，使土體振密壓縮;土體液化或結(jié)構(gòu)破壞;排水固結(jié)壓密;觸變恢復(fù)并伴隨固結(jié)壓密。強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)的有效加固深度可按梅納公式進(jìn)行計(jì)算：

H=KMh;K=0.34～0.80（1）

式中：M為夯錘質(zhì)量（t）;h為落距離（m）;K為修正系數(shù)。

強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)工法在我國(guó)經(jīng)過(guò)40余年的不斷發(fā)展和完善，目前已廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)、碼頭、工業(yè)與民用建筑等地基處理中，但一般多限于以下使用條件：①水平軟弱地基，即地面及軟弱土層底面橫坡均較緩;②地基土層為非飽和土。

當(dāng)強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)施工時(shí)，由于軟弱土層底面坡度較陡，夯錘容易歪斜，造成地基土向下坡一側(cè)產(chǎn)生變形破壞，如圖2所示。

圖2 斜坡軟弱地基上夯錘歪斜示意

當(dāng)?shù)鼗翞轱柡宛ば酝習(xí)r，強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)極易出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象。因此，一般情況下不宜直接采用強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)。對(duì)于飽和黏性土，近年來(lái)在強(qiáng)夯法或重錘夯實(shí)法基礎(chǔ)上開發(fā)了強(qiáng)夯置換法。利用夯擊能將碎石、礦渣等材料強(qiáng)行擠入地基土中形成碎石墩，通過(guò)與墩間土形成復(fù)合地基，達(dá)到增大地基土強(qiáng)度和減小地基土沉降的目的[8-9]。

對(duì)于粉土置換地基，當(dāng)施工后形成厚度大于2.0 m的硬殼層時(shí)，其地基承載力可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單墩復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)確定;對(duì)淤泥或流塑狀黏性土中的強(qiáng)夯置換法復(fù)合地基承載力，不考慮墩間土承載力時(shí)，即可按下式計(jì)算：

fspk=mfpk（2）

式中：m為置換率;fpk為樁體承載力特征值（kPa）。

但該工法對(duì)于坡度較大的斜坡軟弱地基并不適合，因?yàn)樵诘鼗粒柡屯粒┖豢又刑顗核槭?，進(jìn)行強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)作業(yè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)偏向下方一側(cè)的地基變形，難以形成穩(wěn)定的碎石墩。

綜上可知，當(dāng)斜坡軟弱地基坡度較大時(shí)，一般不宜采用強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)加固。

2.2 復(fù)合地基處理

在斜坡軟弱地基中通過(guò)置換或植入各種強(qiáng)度相對(duì)較高的樁體形成復(fù)合地基，可有效提高地基土強(qiáng)度，增加地基穩(wěn)定性，減小地基橫向變形。常用的復(fù)合地基方法主要有：①散體樁，如振動(dòng)沉管碎石樁、振沖碎石樁;②水泥土樁，如水泥攪拌樁、水泥旋噴樁;③低強(qiáng)度混凝土樁（含CFG樁）。

一般情況下，散體樁復(fù)合地基與水泥土樁和低強(qiáng)度混凝土樁相比較，在路堤荷載作用下會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大的變形，且變形穩(wěn)定時(shí)間也較長(zhǎng)。德會(huì)高速公路部分軟土地基分別采用水泥攪拌樁和碎石樁復(fù)合地基進(jìn)行處理，路基沉降監(jiān)測(cè)表明，水泥攪拌樁復(fù)合地基的路堤工后沉降約2～5 cm，工后沉降穩(wěn)定時(shí)間約2～6個(gè)月，碎石樁復(fù)合地基的路堤工后沉降約8～10 cm，工后沉降穩(wěn)定時(shí)間約6～12個(gè)月。因此，對(duì)于路基沉降要求嚴(yán)格的填方工程，宜選擇用水土樁和低強(qiáng)度混凝土樁復(fù)合地基處理方案。

3 限制地基側(cè)向變形

通過(guò)限制斜坡軟弱地基側(cè)向變形，可有效提高公路路堤的穩(wěn)定性。其主要方法包括被動(dòng)限制和主動(dòng)限制2種不同的技術(shù)措施。

3.1 被動(dòng)限制

在斜坡軟弱地基路堤坡腳設(shè)置鋼筋混凝土側(cè)向約束樁，可被動(dòng)限制地基側(cè)向變形。對(duì)于水平軟弱地基，則可采用放緩路堤填筑坡率或增設(shè)反壓護(hù)道（地基側(cè)向變形因地基剪切應(yīng)力降低而減?。┍粍?dòng)限制地基側(cè)向變形;采用齒墻（僅適用于軟弱土層較薄的情況，實(shí)際工程應(yīng)用較少）;采用鋼筋混凝土側(cè)向約束樁（工程成本高，適用不多）。由于斜坡軟弱地基具有一定橫坡，采用放緩路堤填筑坡率或增設(shè)反壓護(hù)道的方案，工程規(guī)模較大，且對(duì)提高路堤穩(wěn)定性效果較差。因此，對(duì)于地面橫坡陡于1∶10的斜坡軟弱地基路段，一般多采用側(cè)向約束樁限制地基變形。如德會(huì)高速公路全線（含互通）40余處斜坡軟弱地基填方路堤中，共有12處在填路堤坡腳處設(shè)置側(cè)向約束樁（包括樁基托梁擋土墻）處治;廣元至平武高速公路主線長(zhǎng)約90 km，其主線和互通區(qū)共有15處斜坡軟弱地基填方路堤采用坡腳處設(shè)置側(cè)向約束樁加固。

根據(jù)具體工程措施，采用鋼筋混凝土側(cè)向約束樁加固斜坡軟弱地基路堤可分為以下5種類型：①下坡一側(cè)坡腳附近設(shè)單排側(cè)向約束樁;②下坡一側(cè)坡腳附近設(shè)單排側(cè)向約束樁+碎石樁或粉噴樁復(fù)合地基處理;③下坡一側(cè)坡腳附近設(shè)單排側(cè)向約束樁+砂井或塑料排水板地基處理;④采用樁基托梁擋土墻，避免填方坡腳擠壓斜坡軟弱地基;⑤下坡一側(cè)附近設(shè)雙排側(cè)向約束樁。

3.2 主動(dòng)限制

高強(qiáng)度鋼筋混凝土樁中的樁基礎(chǔ)可承擔(dān)地基上部的路堤填筑及行車荷載，減小下部斜坡軟弱土層的承擔(dān)荷載和沉降變形。樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是由鋼筋混凝土稀疏樁群及樁頂加筋土墊層共同作用，通過(guò)加筋土墊層的“網(wǎng)兜效益”使稀疏樁樁間相互牽制形成復(fù)合樁群。樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中的樁體主要承受豎向力作用，在地基土中形成豎向增強(qiáng)體—“樁”;樁頂?shù)募咏钔翂|層主要發(fā)揮側(cè)向約束作用，在地基土上部形成水平向增強(qiáng)體—“網(wǎng)”;在網(wǎng)-樁-土三者協(xié)同作用下，構(gòu)成一個(gè)可共同承擔(dān)上部荷載的人工地基。地基上部路堤填筑及行車荷載主要由樁體承擔(dān)，地基土層承擔(dān)的荷載則相對(duì)較小，因而豎向沉降較小，橫向變形不大。因此，樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)可起到主動(dòng)限制地基土層側(cè)向變形的作用。

3.3 側(cè)向約束樁處治工程實(shí)例

德會(huì)高速全線共有12處斜坡軟弱地基路堤在坡腳處采用鋼筋混凝土側(cè)向約束樁（包括樁基托梁擋土墻）處治。部分典型工點(diǎn)處治方案圖及一覽表，分別如圖4和表1所示。

4 以橋代路方案

當(dāng)斜坡軟弱地基路段路堤加固措施的工程可靠性較低或工程造價(jià)較高時(shí)，選用以橋代路方案是合理的。以橋代路方案，主要應(yīng)考慮以下因素。

4.1 工程可靠性

斜坡軟弱地基公路路堤可靠性分析主要考慮兩個(gè)方面因素：①斜坡軟弱地基工程地質(zhì)是否查明，工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料是否充分、正確;②所采取的工程措施設(shè)計(jì)理論是否完善，是否存在工程風(fēng)險(xiǎn)，建成后長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的耐久性如何。

對(duì)于斜坡軟弱地基路堤工程遇到以下情況時(shí)需研究以橋代路方案：①斜坡軟弱地基的地質(zhì)條件復(fù)雜，難以查明下部軟弱土層基底橫坡;②斜坡軟弱地基強(qiáng)度過(guò)低，采用復(fù)合地基加固困難;③路堤填筑高度較高，按天然地基分析路堤穩(wěn)定性小于0.8;④斜坡軟弱土層較厚，路堤工后沉降難以控制。

4.2 工程造價(jià)

當(dāng)斜坡軟弱地基公路路堤工程造價(jià)已與橋梁方案接近時(shí)，考慮建設(shè)工期要求、土地資源占用、自然環(huán)境保護(hù)等因素，一般宜選擇以橋代路方案。

4.3 節(jié)約土地與保護(hù)環(huán)境

土地作為一種不可再生資源，在路橋方案解決策中應(yīng)從社會(huì)效益角度，充分考慮占用土地的社會(huì)成本，控制路堤高度，節(jié)約用地。

5 結(jié)論

本文結(jié)合德會(huì)高速公路等斜坡軟弱地基上的填筑路堤處治案例，提出以下斜坡軟弱地基路堤填筑處治技術(shù)原則。

（1）當(dāng)?shù)鼗逼螺^陡，軟弱土層較薄時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用清除軟弱土層措施。

（2）當(dāng)?shù)鼗逼螺^緩，軟弱土層較厚時(shí)，對(duì)于非飽和土，可選擇強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)措施;對(duì)于飽和土，可采取復(fù)合地基加固結(jié)合反壓護(hù)道的措施。

（3）當(dāng)?shù)鼗逼螺^陡，軟弱土層較厚時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇限制地基側(cè)向變形的措施;當(dāng)路基沉降變形要求嚴(yán)格時(shí)，宜優(yōu)先選用樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

（4）當(dāng)?shù)鼗逼螺^陡時(shí)，不宜采用單一復(fù)合地基處治方案，應(yīng)采用在坡腳設(shè)置側(cè)向約束樁與復(fù)合地基綜合處治方案。

（5）當(dāng)斜坡軟弱地基路段路堤加固工程可靠性較低或工程造價(jià)較高時(shí)，應(yīng)選用以橋代路方案。

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