軟土路基排水固結(jié)法滑塌原因及處治

仇紅超，劉吉福，錢尼貴

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510507；2.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

廣東珠三角地區(qū)軟土分布廣泛，因其具有高壓縮性、強(qiáng)度低、物理力學(xué)指標(biāo)差等特性，對工程建設(shè)產(chǎn)生較大的不利影響[1]。在公路工程建設(shè)中，軟土路基處理常采用的處治方法有淺層換填、深層排水固結(jié)以及復(fù)合地基處理等，考慮工程造價因素，在工期允許的情況下，排水固結(jié)法是相對有效而又經(jīng)濟(jì)的處治方案，因此排水固結(jié)法在公路軟基處理中得到了廣泛應(yīng)用。但由于對該方法的使用不當(dāng)，路堤失穩(wěn)的案例時有發(fā)生。

本文依托廣東某高速公路K23+217～+357段袋裝砂井+堆載預(yù)壓法軟基處理，對該路段施工過程中路堤失穩(wěn)的原因進(jìn)行了分析，并采用有限元數(shù)值模擬方法對原處治方案及滑塌后采用反壓護(hù)道處理的處治方案進(jìn)行了驗(yàn)證分析[2-3]，為今后排水固結(jié)法的應(yīng)用及解決類似的工程問題提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目建設(shè)

廣東某高速公路設(shè)計采用雙向四車道、行車速度120km/h的標(biāo)準(zhǔn)。該工程K23+217～+357段所在地區(qū)的地形地貌為沖積平原，現(xiàn)狀周邊主要為農(nóng)田，地面標(biāo)高約1.3～1.5m。該路段設(shè)計標(biāo)高7.8～8.6m，路基填方高度6.4m～7.2m，路基頂寬30m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，揭露該路段存在兩層軟土，均為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。場地土層自上而下為粉質(zhì)粘土2、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土4-1、粉質(zhì)粘土4-0、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土4-1、粉質(zhì)粘土5、粗砂6-6、粉質(zhì)粘土8等，如圖1所示。各土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 原軟基處理方案

1.2 原軟基處理方案

軟基處理形式為袋裝砂井+堆載預(yù)壓，堆載形式為超載預(yù)壓，超載高度為1m。袋裝砂井直徑為7cm，編織袋采用聚丙烯編織布，滲透系數(shù)不小于1×10-2cm/s，容許抗拉強(qiáng)度不小于15kN/m，有效孔徑<0.08mm。砂井采用的砂為風(fēng)干的中粗砂，含泥量不大于3%，細(xì)度模數(shù)不小于2.7，不均勻系數(shù)小于4。袋裝砂井按正三角形布設(shè)，長度為8.6m，間距1.2m。排水墊層厚度0.6m，采用潔凈的中粗砂，滲透系數(shù)不小于5×10-3cm/s，含泥量不大于5%，細(xì)度模數(shù)不小于2.7。砂墊層頂部設(shè)置一層單向拉伸的聚丙烯塑料土工格柵 (不得熱熔且不得焊接)TGDG120PP。土工格柵拉伸強(qiáng)度不小于120kN/m，標(biāo)稱伸長率不大于10%，2%伸長率時的抗拉強(qiáng)度不小于36kN/m，5%伸長率時的抗拉強(qiáng)度不小于72kN/m。

1.3 施工過程

該路段路基于2015年10月開始填筑，2016年4月填土至93區(qū)頂(累計厚度約5m)后，受土源影響暫停填土。2017年2月中旬重新填筑，于2017年4月完成(96區(qū)頂)及超載預(yù)壓1m的填筑，累計填筑厚度為8.06m。

2017年4月9日，K23+271～+357(長度約86m)路段右側(cè)路基出現(xiàn)縱向裂縫及向下塌陷，向外發(fā)生位移，路基右側(cè)排水土溝及地方農(nóng)田不同程度地受到影響；路基頂塌陷寬度為0～2.5m，受牽引產(chǎn)生的拉裂裂縫范圍距離路肩寬度約7m。

外側(cè)農(nóng)田發(fā)生不同程度的起拱、上升，拱起范圍距離坡腳寬度8～10m，高度約1m。

圖2 滑塌現(xiàn)場

2 滑塌原因分析

采用Midas GTS NX有限元數(shù)值模擬軟件，模擬該路段的施工過程，計算路堤沉降和穩(wěn)定性。沉降計算中考慮施工過程，模擬了路堤分層加載至預(yù)壓期結(jié)束、路面施工以及運(yùn)營期結(jié)束，分不同施工階段計算相應(yīng)的沉降。根據(jù)式(1)推算相應(yīng)的固結(jié)度，根據(jù)式(2)計算地基土固結(jié)后的強(qiáng)度，然后采用強(qiáng)度折減法計算路堤邊坡的穩(wěn)定性。

固結(jié)度計算公式：

(1)

式中：St—不排水抗剪強(qiáng)度(kPa)；

S∞—固結(jié)快剪黏聚力(kPa)；

Uf—對應(yīng)應(yīng)力σf的固結(jié)度。

固結(jié)強(qiáng)度公式：

Cu=ccq+(σg+σfUf)tanφcq

(2)

式中：Cu—不排水抗剪強(qiáng)度(kPa)；

ccq—固結(jié)快剪黏聚力(kPa)；

σg—地基土初始豎向有效應(yīng)力(kPa)；

σf—路堤荷載在地基中產(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力(kPa)；

Uf—對應(yīng)σf的固結(jié)度；

φcq—固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角(弧度)。

沉降計算中，為準(zhǔn)確地計算軟土層的沉降量，軟土層采用修正的劍橋黏土本構(gòu)模型[4]，其余土層和路堤采用莫爾庫倫本構(gòu)模型；路堤穩(wěn)定計算中，各土層均采用莫爾庫倫本構(gòu)模型。為保證計算結(jié)果的精確度，本次計算模型的邊界范圍設(shè)置為：路堤頂寬30m，地基土層取路堤坡腳向外30m。單元網(wǎng)格尺寸劃分原則：路堤及滑移可能影響的路基范圍單元網(wǎng)格尺寸采用0.2m，該范圍以外單元網(wǎng)格尺寸采用1m[5]。本次計算采用的參數(shù)見表2和表3，建立的模型如圖3所示。

表2 模型參數(shù)

表3 修正的劍橋黏土模型參數(shù)

圖3 計算模型

沉降計算結(jié)果見表4，沉降云圖如圖4所示。路堤最大沉降位于路基頂中心為79.3cm，兩側(cè)路肩位置沉降基本相同分別為66.7cm、66.2cm，路堤中心位置工后沉降為9.4cm。根據(jù)沉降計算結(jié)果，推算超載施加完畢時的軟土層固結(jié)度。根據(jù)固結(jié)度計算路堤區(qū)及路堤邊坡范圍的軟土層抗剪強(qiáng)度，見表5。

表4 沉降計算結(jié)果(路基頂中心位置)

圖4 施工期末沉降云圖

表5 沉降及固結(jié)度計算結(jié)果(路基中心位置)

根據(jù)以上計算結(jié)果，將加固區(qū)分為路堤區(qū)和邊坡區(qū)，采用相應(yīng)的強(qiáng)度，路堤邊坡以外采用原位強(qiáng)度，計算路堤的穩(wěn)定性，計算結(jié)果如圖5所示。超載施加完成時，路堤穩(wěn)定系數(shù)為1.06，應(yīng)力圖中顯示塑性應(yīng)變區(qū)呈近似圓弧狀，其頂端距離路肩4.5～7.0m，底端距離坡腳5.6～10.2m。塑性區(qū)位于第一層軟土層，并未貫穿第二層軟土，該塑性區(qū)與現(xiàn)場滑動頂端以及坡腳外側(cè)隆起出口位置基本吻合。

圖5 塑性滑動區(qū)

根據(jù)穩(wěn)定和沉降的計算結(jié)果，結(jié)合該路段施工過程的分析，該路堤滑塌的主要原因有：

(1)路堤邊坡安全系數(shù)為1.06，雖然大于1，但安全系數(shù)不高，安全儲備不高。

(2)路堤填筑期間受土源和工期的影響，2015年10月至2016年4月填土至93區(qū)頂(約5m)即停止了加載，直至再次填土，雖預(yù)壓了10個月時間，但預(yù)壓荷載并未達(dá)到設(shè)計要求的等載、超載荷載，且在2017年2月中旬至4月約1個半月的時間內(nèi)填筑厚度約2.8m，填筑速度過快，此時路堤最大高度達(dá)8.0m。在該路堤荷載下已接近路堤穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，土體固結(jié)及強(qiáng)度增長還未達(dá)到支撐荷載所需的強(qiáng)度，也是導(dǎo)致路堤滑塌的原因之一。

(3)現(xiàn)場軟基處理的排水墊層在路基填筑期間被完全覆蓋，排水通道不順暢，且時值汛期，連續(xù)暴雨和春耕農(nóng)田蓄水，排水固結(jié)速度緩慢，也是路堤失穩(wěn)的影響因素之一。

根據(jù)本工程案例分析，排水固結(jié)法應(yīng)用過程中，要有足夠的安全儲備，即計算安全系數(shù)應(yīng)不小于1.2，同時合理控制荷載的加載速率至關(guān)重要。路堤填筑初期，路堤荷載小于軟土原位強(qiáng)度所能承受的荷載，可適當(dāng)提高荷載填筑速率，及時施加預(yù)壓荷載并爭取預(yù)壓期。在路堤荷載及排水體(袋裝砂井)共同作用下，隨著地下水的排出，路基土的強(qiáng)度將逐漸增長。但該排水固結(jié)過程是緩慢的[6-7]，土體強(qiáng)度的增長緩慢，因此荷載的施加也應(yīng)該放緩。施加荷載應(yīng)小于路基軟土固結(jié)的強(qiáng)度增長，尤其是在填土高度接近極限高度時，應(yīng)嚴(yán)格控制荷載施加速度，并根據(jù)地基土水平位移、沉降、固結(jié)度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷是否可進(jìn)行下一層的路堤填筑，以保證路堤穩(wěn)定。

3 滑塌后的處治對策和方案

3.1 處治對策

根據(jù)失穩(wěn)原因并綜合考慮工程造價等因素，對該失穩(wěn)路段進(jìn)行攪拌樁復(fù)合地基、CFG樁復(fù)合地基、增設(shè)反壓護(hù)道等方案比選。由于該處軟土含有有機(jī)質(zhì)，水泥攪拌樁成樁質(zhì)量難以保證，考慮造價因素，反壓護(hù)道方案處治的優(yōu)勢相對較大，因此采用反壓護(hù)道方案。在路堤滑移側(cè)設(shè)置反壓護(hù)道，反壓護(hù)道寬度及高度根據(jù)現(xiàn)場坡腳外隆起的范圍及有限元計算結(jié)果，得出最優(yōu)方案。

因路堤坡腳外側(cè)滑移隆起的影響范圍最大寬度約10m，反壓護(hù)道需完全覆蓋隆起范圍，因此反壓護(hù)道寬度擬定采用15m。對于反壓護(hù)道的填筑高度，為保證反壓護(hù)道自身的穩(wěn)定性，反壓護(hù)道高度不宜超過天然地基極限填筑高度，否則反壓護(hù)道自身不能穩(wěn)定需進(jìn)行軟基處理，一方面增加了造價，另一方面若采用排水固結(jié)處理反壓護(hù)道自身的沉降對路堤可能產(chǎn)生拉裂。因此，擬定填筑高度為1.5m、2.0m、2.5m，并分別進(jìn)行穩(wěn)定性分析比較。

對不同高度的反壓護(hù)道方案采用Midas GTSNX有限元數(shù)值模擬進(jìn)行穩(wěn)定計算，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同反壓護(hù)道高度穩(wěn)定性計算結(jié)果

反壓護(hù)道高度為1.5m、2.0m、2.5m時的安全系數(shù)分別為1.275、1.282、1.300。由圖7所示的塑性滑動帶可以看出，反壓護(hù)道高度為1.5m、2.0m時，潛在塑性滑動面與常規(guī)的圓弧滑動不同，在反壓護(hù)道下方基本呈平直滑動面，潛在塑性滑動面呈“圓弧+直線+圓弧”的型式；反壓護(hù)道高度為2.5m時，潛在塑性滑動面由兩個圓弧組成，路堤荷載產(chǎn)生的滑弧未穿透反壓護(hù)道，而是與反壓護(hù)道滑弧形成近似“W型”的滑動面。同時，滑動面均在第一層軟土層范圍，因此滑動面的形狀受軟土層厚度的影響，與軟土層厚度相關(guān)。

為保證路堤的穩(wěn)定性，本次反壓護(hù)道高度取2.5m。路堤沉降計算結(jié)果見表6，沉降云圖如圖7所示。路基頂最大沉降位于路堤中心位置至右側(cè)1.2m范圍，左側(cè)、右側(cè)路肩沉降分別為63.7cm、61.8cm，相差1.9cm，沉降盆向右側(cè)略有擴(kuò)展。路基頂中心位置施工期末的沉降為79.1cm，工后沉降為9.3cm。與未施加反壓護(hù)道沉降特征略有差別，路堤范圍沉降特征受反壓護(hù)道的影響較小。

表6 路堤沉降計算結(jié)果(路基頂中心位置)

圖7 施工期末沉降云圖

3.2處治方案

根據(jù)以上對處治對策的分析及計算，擬定了處治方案。在路堤滑移側(cè)設(shè)置寬15m、高2.5m的反壓護(hù)道，同時在反壓護(hù)道下設(shè)置透水墊層與既有路堤排水墊層連通、順接，將路堤預(yù)壓水引至反壓護(hù)道外側(cè)，保證路堤堆載預(yù)壓能夠繼續(xù)發(fā)揮作用。對滑塌路堤則按新舊路基拼接的方式，將滑塌以及存在裂縫的部分挖除，并開挖成臺階狀，在每級臺階位置設(shè)置雙向鋼塑土工格柵(橫向長6m，縱向滿鋪)，回填壓實(shí)，以避免后期滑塌位置與既有路堤之間產(chǎn)生縱向裂縫和不均勻沉降。

3.3 處治效果

該處治方案實(shí)施完成后，于2018年10月通車。根據(jù)該工程2021年定期檢查、監(jiān)測的沉降、位移等數(shù)據(jù)，該工程運(yùn)營期間工后沉降及水平位移隨時間發(fā)展的曲線如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可見，通車后至2021年10月20日，該路段左、右側(cè)路肩位置工后總沉降分別為60.8mm、55.2mm，沉降速率為0.4mm/月，沉降曲線逐漸趨于平緩。深層水平位移，累計位移最大值為6.73mm，位于地面以下4.0m的位置，且該路段深層位移無明顯的拐點(diǎn)現(xiàn)象。因此，綜合分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，該路段路基處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖8 工后沉降時間曲線

圖9 深層水平位移曲線

4 結(jié)語

(1)采用排水固結(jié)法處理軟土路基，合理控制荷載的加載速率十分重要。在路堤填筑初期，路堤荷載小于軟土原位強(qiáng)度所能承受的荷載，可適當(dāng)提高荷載填筑速率，及時施加預(yù)壓荷載并爭取預(yù)壓期。在路堤荷載及排水體(袋裝砂井)共同作用下，隨著地下水的排出，路基土的強(qiáng)度將逐漸增長，但是該排水固結(jié)過程緩慢，土體強(qiáng)度增長緩慢，因此荷載的施加也應(yīng)放緩。施加荷載應(yīng)小于路基軟土固結(jié)的強(qiáng)度增長，尤其是在填土高度接近極限高度時，應(yīng)嚴(yán)格控制荷載的施加速度，并根據(jù)地基土水平位移、沉降、固結(jié)度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷是否可進(jìn)行下一層路堤的填筑，以保證路堤的穩(wěn)定。

(2)對于軟土路堤發(fā)生失穩(wěn)的情況，反壓護(hù)道處治是較為經(jīng)濟(jì)可行的方案。經(jīng)反壓護(hù)道處理后，路堤潛在滑動面呈現(xiàn)“圓弧+直線+圓弧”型式或由兩個圓弧組成呈現(xiàn)近似“W型”，與反壓護(hù)道的高度及軟土層厚度等有關(guān)，因此，對設(shè)有反壓護(hù)道的情況僅采用圓弧滑動法計算其穩(wěn)定性欠妥，其穩(wěn)定性計算可采用有限元強(qiáng)度折減法。反壓護(hù)道對路堤沉降的影響較小。

(3)排水固結(jié)法應(yīng)用于軟基處理時，達(dá)到極限高度后，在工程用地允許時，可通過設(shè)置反壓護(hù)道來提高排水固結(jié)所適應(yīng)的填土高度，排水固結(jié)+反壓護(hù)道法是經(jīng)濟(jì)有效的軟基處理方案之一。