公路軟土路基沉降規(guī)律及施工控制

唐 予

(廣東冠粵路橋有限公司,廣州 511400)

0 引言

公路建設(shè)呈現(xiàn)典型的條帶式分布特征，這決定了公路構(gòu)筑物常會(huì)穿越各類復(fù)雜的工程地質(zhì)條件環(huán)境，其中不乏軟土分布區(qū)域。而軟土路基存在沉降量大、穩(wěn)定性不足、變形不均勻以及承載能力差等缺陷，也是目前公路建設(shè)及路面基層處治相關(guān)領(lǐng)域亟待解決的重點(diǎn)性問(wèn)題[1-2]。一定區(qū)劃范圍內(nèi)分布的路基軟土往往具有相通性，這是由土體應(yīng)力發(fā)展歷史和沉積環(huán)境相似引起，此類軟土的各種物理力學(xué)性質(zhì)也較為接近，因而針對(duì)某一區(qū)劃范圍內(nèi)路基軟土工程指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析可有效指導(dǎo)公路工程的建設(shè)和施工控制。廣東省龍川-懷集公路TJ20標(biāo)段分布的路基土體屬于中高壓縮性軟土，具有靈敏度高、承載力低等典型軟土特征，無(wú)法直接作為公路建設(shè)工程的路基持力層使用。因此，須按照現(xiàn)行公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，對(duì)工程范圍內(nèi)的路基軟土進(jìn)行針對(duì)性的加固處治，確保各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

針對(duì)路基軟土變形及沉降特征的研究，劉松玉[3]等利用廢棄木質(zhì)素用以加固改良公路路基粉土，并與石灰土改良結(jié)果相對(duì)比，分析摻配比例、木質(zhì)素齡期等要素對(duì)其加固改良效果的影響規(guī)律；ZHANG TAO[4]等將木質(zhì)素副產(chǎn)品用于穩(wěn)定加固路基粉質(zhì)土壤，在土體試驗(yàn)中和傳統(tǒng)土壤穩(wěn)定劑Quicklime加固效果相對(duì)照，以彈性模量及CBR指標(biāo)進(jìn)行量化描述；張昭[5]等針對(duì)非飽和土體提出水土體積比的概念，改進(jìn)現(xiàn)有模型，并基于此分析了力-水耦合本構(gòu)關(guān)系規(guī)律；高游[6]等著眼于初始孔隙比在各水力路徑條件下對(duì)粉土水土特征曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響展開研究，認(rèn)為該條件下的水土特征曲線展現(xiàn)出典型的滯回規(guī)律；張繼周[7]等在分析路基軟土室內(nèi)檢測(cè)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究了軟土多項(xiàng)物理及力學(xué)參數(shù)變化特征規(guī)律；張濤[8]等在對(duì)比大量軟土沉降數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)提出了對(duì)應(yīng)的沉降擬合公式，可實(shí)現(xiàn)軟土沉降規(guī)律的預(yù)測(cè)；經(jīng)緋[9]等通過(guò)水泥攪拌樁加固方案對(duì)路基軟土、并對(duì)處治后的軟土沉降規(guī)律進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)了水泥攪拌樁加固法的軟土處治性能；Sun[10]等在微觀力學(xué)層面展開分析，對(duì)比了顆粒規(guī)則化處理及不同微觀接觸方案對(duì)軟土力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。

綜上所述，針對(duì)軟土路基沉降規(guī)律、軟土加固方案及加固效果評(píng)價(jià)的研究方面已有豐富成果，但在針對(duì)軟土路基的不同加固方案適用性對(duì)比及相應(yīng)的加固處治效果對(duì)比方面，仍不多見。

本文基于現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，結(jié)合廣東省龍川-懷集公路TJ20標(biāo)段沿線相關(guān)路基工程地質(zhì)狀況，采用水泥攪拌樁加固法及換填加固法兩種方案對(duì)公路軟土路基進(jìn)行加固處理。針對(duì)加固后的軟土路基進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，通過(guò)荷載試驗(yàn)驗(yàn)證兩種公路軟土路基處治方案的加固效果，以得出其沉降變化情況及各方案對(duì)應(yīng)的適用場(chǎng)景，為類似公路軟土路基加固處治及施工方案的選擇提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 路基軟土的工程特性

廣東省龍川-懷集公路設(shè)計(jì)為雙向四車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為100km/h，主線整體式路基寬度26m，其中TJ20標(biāo)段主線樁號(hào)為K163+300～K175+245.617，全長(zhǎng)11.945km。線路途徑廣泛分布且發(fā)育完全的軟土區(qū)域，涉及到須處理的軟基段落長(zhǎng)3.26km。經(jīng)分析，該處軟土類別屬花崗巖區(qū)軟土，此類軟土常發(fā)育于谷地和沖溝等低洼區(qū)域，并且大多伴隨著強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，最終在沖擊作用下形成，主要表現(xiàn)為淤泥質(zhì)砂土，風(fēng)化殼厚度25～45m，殘積土厚度5～15m。該路基軟土主要呈現(xiàn)為軟塑狀，也有部分呈現(xiàn)為流塑狀，平均厚度4m，最深處可達(dá)9m。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘資料以及軟土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，得出該工程范圍內(nèi)的軟土物理力學(xué)指標(biāo)(表1)。

表1 路基軟土物理力學(xué)指標(biāo)

該工程范圍內(nèi)路基軟土的土質(zhì)包括黏性土、淤泥質(zhì)黏性土以及砂質(zhì)黏性土等三類。其中淤泥質(zhì)黏性土的液限基本上小于土體天然含水率，而黏性土、砂質(zhì)黏性土的液限值通常高于天然含水率，按照相關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)[11]，分別屬于高液限黏性土和低液限黏性土。

工程范圍內(nèi)的上述三類軟土，均具有含砂量高的特點(diǎn)，并夾雜有碎石層或砂礫層，透水性差、壓縮性高且含水率高，如不加以處理直接應(yīng)用于路基填土，存在沉降量大、穩(wěn)定性不足、變形不均勻以及承載能力差等缺陷。

2 軟土路基加固處治方案

2.1 水泥攪拌樁加固法

選擇路基工程建設(shè)范圍內(nèi)軟土厚度在3～7m的試驗(yàn)段，采用水泥攪拌樁加固法進(jìn)行軟土處治。此試驗(yàn)段內(nèi)的路基軟土類別為粉質(zhì)黏性土，下臥花崗巖及砂質(zhì)黏土層等不透水層。水泥攪拌樁加固方案可有效提升路基軟土的承載能力，具有施工效率高的特點(diǎn)，其適用深度一般在3.0～9.5m范圍內(nèi)，與所選試驗(yàn)段軟土深度相匹配。

試驗(yàn)段的水泥攪拌樁樁徑為0.5m，樁長(zhǎng)為6.5m，樁體間距為1.2m，水灰比為0.50，成樁采用“四噴四攪”方案。配合比設(shè)計(jì)水泥、水和土的質(zhì)量比為1.0:0.5:4.4。

2.2 換填加固法

選擇路基工程建設(shè)范圍內(nèi)平均軟土厚度為2.5m的試驗(yàn)段，采用換填加固方案進(jìn)行軟土處治。此試驗(yàn)段內(nèi)的路基軟土類別為淤泥質(zhì)黏性土，下臥強(qiáng)-中風(fēng)化花崗巖及3～4m厚度的粉質(zhì)黏土，整體承載能力偏低。之所以針對(duì)該試驗(yàn)段采取換填加固方案，首先考慮到換填法的施工難度較低、施工效率高、質(zhì)量控制穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益良好；其次，換填法加固方案的適用深度在3.0～4.5m范圍內(nèi)，與所選試驗(yàn)段軟土深度相匹配；最后，該試驗(yàn)段路基軟土分布范圍小且分布深度較淺。

工程沿線分布有廣泛的河砂、碎石、花崗巖殘積土以及風(fēng)化花崗巖等，均適用于作為基層的換填材料。為充分利用周邊自然資源，降低換填成本，并考慮到施工便利性等因素，選取周邊碎石、花崗巖殘積土以及風(fēng)化花崗巖三類材料作為換填材料，其物理力學(xué)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表2,均滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范[12]中針對(duì)換填材料的相關(guān)要求。

表2 換填土物理力學(xué)指標(biāo)

填筑過(guò)程中，低于基坑地下水位處的換填材料選用片石，表面平整部位則選用碎石換填材料，即：將片石用于基坑上部0.4～1.6m范圍內(nèi)的換填，在其上表面設(shè)置0.3m厚度的碎石換填平整層，在碎石層以上則換填花崗石殘積土直至路面標(biāo)高。換填過(guò)程中采用分層填筑的施工方案。

3 沉降變形及承載力分析

3.1 水泥攪拌樁加固方案

在采用水泥攪拌樁加固方案的試驗(yàn)段，采取沉降盤觀測(cè)法對(duì)路基軟土加固沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到荷載-沉降曲線，如圖1所示。

從圖1可見，對(duì)應(yīng)的路基軟土沉降分為發(fā)生、發(fā)展以及穩(wěn)定三個(gè)階段。在發(fā)生階段，荷載相對(duì)較小，此時(shí)路基土體變形類別為彈性變形，直到45d左右，路基沉降量達(dá)到111mm，最終的總體沉降量為218mm。隨后荷載提升，隨著對(duì)應(yīng)加載時(shí)間的推移，孔隙水逐步被排除后引發(fā)超靜水壓的消除，路基軟土開始發(fā)生壓縮變形，此時(shí)的路基土變形類別轉(zhuǎn)化為塑性變形，其沉降速率減緩。隨著285d后填筑結(jié)束，荷載最終穩(wěn)定在177kPa，此時(shí)的沉降量達(dá)198mm，但固結(jié)仍未完成，此時(shí)的路基土變形類別可劃分為蠕變，直到380d，這期間的沉降量?jī)H增加20mm，最終完成固結(jié)過(guò)程。此外，路基軟土的荷載和沉降曲線具有相關(guān)性，兩者均隨著分級(jí)填筑呈現(xiàn)出階梯上升的趨勢(shì)。

在采用水泥攪拌樁加固方案的試驗(yàn)段還選取了代表性的單樁進(jìn)行承載能力監(jiān)測(cè)，總荷載為300kPa，其荷載-沉降曲線如圖2所示。

從圖2可見，單樁隨荷載逐級(jí)增加至總荷載300kPa期間的總體沉降量?jī)H7.7mm，50%沉降量3.5mm對(duì)應(yīng)的荷載為75kPa，即初期沉降量較為明顯，這是因?yàn)槁坊浲恋某跏己氏鄬?duì)較高引起的，表現(xiàn)為早期沉降速率較快。經(jīng)分析，單樁承載力可滿足規(guī)范要求。

圖2 單樁(總荷載300kPa)荷載-沉降曲線

3.2 換填加固方案

綜合考慮路基填土高度、軟土路基處治方案以及周邊工程地質(zhì)條件，在采用換填加固方案的試驗(yàn)段選取4個(gè)監(jiān)測(cè)面，其中中線左右兩側(cè)11m處各2個(gè)，縱向間隔50m，采用沉降板埋設(shè)的方法對(duì)換填法處治加固后的軟土沉降變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。軟土路基加固處治后的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

表3 換填加固法沉降變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

分析表3數(shù)據(jù)可見：沉降板A處的累計(jì)沉降量達(dá)22.06mm，與之同側(cè)的沉降板C地面上1.6m標(biāo)高處的累計(jì)沉降量為16.03mm，沉降板B地面上4.9m標(biāo)高處的累計(jì)沉降量為12.43mm，沉降板D地面上4.8m標(biāo)高處的累計(jì)沉降量為14.82mm，表明總體沉降的發(fā)生主要由軟土路基部分構(gòu)成，經(jīng)過(guò)振動(dòng)碾壓的上部填土部分沉降量則相對(duì)較低。即沉降板上填土高度越大，將導(dǎo)致相應(yīng)路堤荷載提升，進(jìn)而引發(fā)總體沉降量增加。此外，近似相等的同等水平板上填土高度對(duì)應(yīng)的累計(jì)沉降量同樣存在差別，這是由兩側(cè)路基地質(zhì)條件的差別引起的。

在采用換填加固方案的試驗(yàn)段選取3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，以驗(yàn)證其承載能力。3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)間隔25m，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3～圖5所示。

圖3 試驗(yàn)點(diǎn)1標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果

圖4 試驗(yàn)點(diǎn)2標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果

圖5 試驗(yàn)點(diǎn)3標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果

由圖3～圖5可見，換填期間3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)貫入平均擊數(shù)分別為11.6擊、14.4擊以及13.7擊，地基承載力分別為358kPa、357kPa以及342kPa。換填竣工后，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)換填土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)顯著提升，分別達(dá)到19.6擊、16.6擊以及16.3擊，其對(duì)應(yīng)的地基承載力分別為544kPa、420kPa以及381kPa，相較于換填期間也有了明顯的提升，提升率分別達(dá)到了52.0%、17.6%以及11.4%。換填期間和換填竣工后的地基承載力均超過(guò)設(shè)計(jì)值。

換填期間的標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)在深度2.5m以下時(shí)皆呈現(xiàn)出與深度正相關(guān)的趨勢(shì)，深度在2.5m以上則與之相反，這是源于2.5m處設(shè)定為換填層，在其后深度繼續(xù)增加，則地下水帶來(lái)的影響也逐漸削弱。換填竣工后，換填土在荷載作用下更加密實(shí)，所能提供的承載力也隨之增長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)水泥攪拌樁加固方案適用于3.0～7.0m厚度范圍的軟土分布路段，處治后沉降與軟土壓縮特性及含水率相關(guān)，前45d沉降量可達(dá)50%。

(2)換填加固方案適用于平均軟土厚度為2.5m的軟土分布路段，總體沉降量中以軟土沉降量為主，換填土沉降量相對(duì)較小。

(3)兩種加固方案均能確保處治后的軟土路基具備足夠的路基承載力。