某山區(qū)公路深厚軟土填方路基處理措施研究

鐘俊輝，王麗君，何 鑫

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 611731)

0 前 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，西南區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施不斷提升和完善，公路建設(shè)也如火如荼開展，由于區(qū)域山地居多，路線不可避免地需要在山區(qū)低谷軟土地帶通過，山區(qū)軟土路基主要有斜坡軟土路基、層狀軟土路基和谷間鍋底狀軟土路基3種形式，山區(qū)軟基具有其自身的工程特點，包括軟土厚度變化大、富含有機質(zhì)、軟土底面傾斜、下臥硬土層較薄等[1-3]，而深厚的沖洪積軟土成為路基設(shè)計的重難點之一，處理時應區(qū)分對待，處理措施不僅與經(jīng)濟性有關(guān)，而且如若處理不當，運行時很容易出現(xiàn)路基沉降和穩(wěn)定性問題[4-7]，因此實際建設(shè)過程中必須綜合分析，采取合理的路基處理措施。

1 項目概況

項目位于西南地區(qū)，設(shè)計等級按照一級公路加市政配套標準，主線設(shè)計全長8.91 km，主線設(shè)計速度80 km/h，輔道設(shè)計速度30 km/h。

項目軟土路段為填方區(qū)段，填方高度為2.5～16.0 m，路段處于山前平原過渡段的淺丘溝槽地帶，地表呈寬緩的U型槽，溝槽橫向?qū)?0～120 m，縱向長1 080 m，該段匯水面積大，左右山丘沖溝內(nèi)地表水均匯入該U型溝槽內(nèi)，溝槽內(nèi)地勢低洼，現(xiàn)為冬水田。冬水田內(nèi)的沖洪積土層主要為粉質(zhì)黏土，溝槽兩側(cè)既有的農(nóng)業(yè)水利排水邊溝排水不暢，局部淤積嚴重，無法正常排水?，F(xiàn)場地形地貌如圖1所示。

圖1 項目現(xiàn)場地形地貌

該段覆蓋層為第四系沖洪積層粉質(zhì)黏土，沿溝符呈帶狀分布，溝口和溝槽中心深，靠山邊淺，土層厚0.0～17.4 m。地表硬殼層厚度0.0～5.0 m，呈可塑狀，軟弱層內(nèi)有可塑狀黏土夾層，土質(zhì)不均勻。溝槽內(nèi)土層縱向變化較小，厚度12.0～17.4 m，但橫向受溝槽底部基巖面形態(tài)起伏而起伏，變化較大。溝槽中心底部分布有灰黑色泥炭質(zhì)土，呈帶狀或透鏡狀分布。下伏卵石土或強風化粉砂質(zhì)泥巖，基巖起伏較大，基巖面埋深5.0～18.0 m。下伏硬臥層力學性質(zhì)好，承載力高。地質(zhì)縱剖圖見圖2，土層物理力學參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學參數(shù)建議

圖2 地質(zhì)縱剖示意(單位：m)

根據(jù)地勘資料顯示，本項目下部軟土深厚，且軟土呈現(xiàn)出層狀、鍋底狀和斜坡軟土狀，分別對相應的處理方案進行研究。

2 深厚軟土路基處理

本小節(jié)主要針對層狀軟土路基和谷間鍋底狀軟土路基的段落，進行相應區(qū)段的地基處理分析。

2.1 路基處理前計算分析

主線K2+840.00 m～K3+500.00 m段均以路堤通過，填方高度為2.5～16.0 m。選取其中典型深厚軟土斷面K2+940.00 m(鍋底狀見圖3)、K3+100.00 m(鍋底狀)、K3+400.00 m(層狀見圖4)進行分析，采用理正巖土軟件6.5版進行穩(wěn)定性和沉降計算，計算結(jié)果見下表2。

圖3 K2+940.00 m斷面示意(鍋底狀軟土)(單位：m)

表2 軟土地基處理前穩(wěn)定及沉降數(shù)據(jù)

依據(jù)規(guī)范JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》，路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)不小于1.30，一般路段路基工后沉降量應不大于30 cm，從表2可以看出，這3個典型斷面的穩(wěn)定性和工后沉降均不滿要求，故需對深厚軟弱段地基進行處理。

采用3種常規(guī)路基軟土處理方法進行對比分析:(1)豎向排水體處理法；(2)加固土樁復合地基法；(3)剛性樁復合地基法[8]。

2.2 路基處理方案分析

2.2.1 豎向排水體處理法

規(guī)范JTG/T D31-02—2013《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細則》(以下簡稱 《公路軟土技術(shù)細則》)規(guī)定:豎向排水體適用于深度大于3 m的軟土地基處理[9]。項目采用SPB-1或SVD-1型塑料排水板+堆載預壓固結(jié)聯(lián)合法，排水板采用SPB-1或SVD-1型，間距為1.2 m，正三角形布設(shè)。采用“理正巖土計算6.5PB4版”計算，當路堤填方高度超過6 m時，穩(wěn)定性和工后沉降不滿足規(guī)范要求。

對于填方高度不大于6 m的深厚軟土地基段可采用塑料排水板+堆載預壓固結(jié)法，該法造價低、經(jīng)濟性好，施工時，應保證足夠的預壓期。

對于大于6 m的高填方深厚軟土段，主要對比2種方法:加固土樁(攪拌樁或旋噴樁)和剛性樁(素混泥土樁)。

2.2.2 加固土樁方案

由于存在軟塑灰黑色泥炭質(zhì)土透鏡體，土層有機質(zhì)含量10%～30%，局部含量高達50%左右，采用攪拌樁(或旋噴樁)加固時，水泥在該層土體中可能不凝固或發(fā)生后期崩解，風險較高，故不推薦采用該法。

2.2.3 剛性樁方案

剛性樁適用于處理深厚軟土地基上荷載較大、變形要求較嚴格的高填路堤段、橋頭或通道與路堤斜街段，采用工藝成熟的素混凝土樁，樁徑0.5 m，按等邊三角形布置，樁間距2.5～3.0 m，樁體伸至基巖面或其他持力層0.5 m深度，樁頂設(shè)置邊長為1 m的正方形樁帽。該方案可行，在區(qū)域運用較多。

2.3 加固處理后計算分析

根據(jù)以上分析，針對不同加固措施，選取地基加固處理后典型深厚軟土斷面K2+940.00 m、K3+100.00 m、K3+400.00 m進行計算分析，計算結(jié)果見下表3。

表3 軟土地基處理后穩(wěn)定及沉降數(shù)據(jù)

通過表3可發(fā)現(xiàn)，處理后的3個斷面穩(wěn)定性均大于1.30，工后沉降量均小于30 mm，均滿足規(guī)范要求，說明以上選取的地基處理方法可行。

3 斜坡軟土路基段

山區(qū)軟土形式還有一種:斜坡軟土地基，即軟土位于傾斜的硬質(zhì)土或基巖上，K3+160.00 m～K3+340.00 m段屬于該種地質(zhì)形式，底部基巖橫向坡度一般10°～15°，最大25°，路基最大填高為9.1 m。以K3+200.00 m作為典型斷面(見圖5)進行分析，該斷面基巖橫向坡度為25°斜坡上存在厚約6.8 m的軟塑粉質(zhì)黏土。

圖5 K3+200.00 m斷面剖面示意

采用規(guī)范法和有限元法分別對該斷面進行計算，相應的計算軟件為Geo5和Plaxis，計算模型見圖6～8，穩(wěn)定性計算結(jié)果見表4。

圖6 Geo5路基穩(wěn)定性計算模型

圖7 Plaxis路基處理前穩(wěn)定性計算模型

圖8 Plaxis路基處理前穩(wěn)定性計算云

表4 處理前穩(wěn)定性計算結(jié)果

從以上計算結(jié)果可知，填方路堤推動坡腳的軟土，沿基巖和軟土層交界面滑動，規(guī)范法和有限元法計算的穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.92和0.98，不滿足規(guī)范要求，需進行軟土處理。

該基巖斜坡段地基主要有2個問題:路基沉降和陡坡穩(wěn)定性?？紤]3種方案進行對比:(1)素混凝土樁+坡腳反壓；(2)素混凝土樁+路基側(cè)向支擋；(3)素混凝土樁復合地基加固[10-11]。

3.1 方案一:坡腳回填反壓

反壓護道是一種應用于軟土地區(qū)較經(jīng)濟的方法，重點在于寬度和高度的確定[12]。軟土細則規(guī)定:反壓互道最大高度不宜超過路堤高度的1/2，以K3+200.00 m為例，該斷面填方高約9.0 m，坡腳設(shè)置反壓護道高度取4.0 m，坡率1:2.0，寬度10.0 m，為保證護道穩(wěn)定性和沉降，填方以下相應設(shè)置素混泥土樁(進入持力層0.5 m)，具體斷面見下圖9。經(jīng)計算，路堤穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

圖9 反壓護道斷面示意(單位:cm)

從圖9可看出，反壓護道寬度達到20 m，黑粗線外為農(nóng)田，業(yè)主反映征地困難而且反壓體下新增素混凝土樁，增加了造價，故不推薦反壓護道法。

3.2 方案二:路基側(cè)向支擋

填方以下相應設(shè)置素混凝土樁(進入持力層0.5 m)，減少路基沉降。在路基傾斜方向外側(cè)填方平臺上設(shè)置一排樁板墻作為側(cè)向約束，樁徑1.5 m，樁間距5.0 m，樁長10 m，嵌固深度約5 m，經(jīng)過計算分析，該法可滿足路基沉降和穩(wěn)定性要求，但抗滑樁造價較高，抗滑樁施工較慢，經(jīng)濟上和工期上均不占優(yōu)勢。

3.3 方案三:素混凝土樁復合地基加固

填方以下相應設(shè)置素混凝土樁，在路基坡腳外擴兩根素混凝土樁，樁徑不變(0.5 m)，基底軟土區(qū)域樁間距為2.5 m，樁嵌巖深度由0.5 m調(diào)整為2.0 m，具體斷面見圖10。

圖10 路基側(cè)向支擋斷面示意(單位：cm)

處理后的復合地基力學參數(shù)可按下式計算[13]，處理后的復合地基力學參數(shù)為黏聚力c=50 kPa，內(nèi)摩擦角φ=6.10°。

Csp=mCp+(1-m)Cs，tanφsp=mtanφp+(1-m)tanφs。

(1)

式中:Csp、Cp、Cs分別為復合地基、樁和樁間土的黏聚力，kPa；φsp、φp、φs分別為復合地基、樁和樁間土內(nèi)摩擦角，其中樁為100°；m為樁土面積置換率。

采用有限元法和規(guī)范法同時對方案三進行穩(wěn)定性分析，相應計算軟件為Plaxis和Geo5，前者計算模型和結(jié)果見圖11和圖12，后者與圖6一致。有限元法采用強度折減法，規(guī)范法將樁和土整體考慮成復合地基。有限元法路基處理后位移計算云見圖13。

圖11 素混凝土樁復合地基斷面示意(單位：cm)

圖12 有限元法路基處理后穩(wěn)定性計算模型

圖13 有限元法路基處理后位移計算云

表5計算結(jié)果表明，無論采用強度折減法還是規(guī)范法計算，處理后的穩(wěn)定性均大于1.30，能滿足規(guī)范要求，說明該方案可行。

表5 處理后穩(wěn)定性計算結(jié)果

從實際、經(jīng)濟、安全性等方面綜合考慮，推薦采用方案三:素混凝土復合地基處理。

4 結(jié) 論

通過上文研究，針對本項目條件得出了以下結(jié)論:

(1)本項目深厚軟土層段填方路基的穩(wěn)定性和沉降均不滿足規(guī)范要求，需進行處理。

(2)對于填方高度不大于6.0 m的深厚軟土區(qū)域，采用堆載+豎向排水板法進行預加固可滿足規(guī)范要求。

(3)對于填方高度大于6.0 m的高填方深厚軟土區(qū)域，采用素混凝土樁復合地基加固可滿足規(guī)范要求。

(4)位于斜坡軟土段的填方路基，從經(jīng)濟和實際方面比選，采用素混凝土樁復合地基進行加固處理，增大軟土的壓縮模量和抗剪力學參數(shù)，沉降和穩(wěn)定性滿足要求。