山區(qū)斜坡軟弱土填方路堤處治技術(shù)綜述

王新國(guó)

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210019）

0 引言

我國(guó)西南山區(qū)丘陵和山地繁多，在公路工程建設(shè)中路線確定時(shí)不可避免地會(huì)遇到斜坡軟弱土地基，其在工程建設(shè)中具備兩個(gè)特征：①由于特殊的地理因素，軟土層具有一定的傾角；②斜坡軟土層的抗剪強(qiáng)度較低，壓縮性較高。從結(jié)構(gòu)上能看出，不同于水平軟土地基，斜坡軟弱土地基存在地面橫坡。并且在工程土體性質(zhì)中斜坡地基與水平地基中軟弱土層的含義也有所區(qū)別[1]。相關(guān)的專(zhuān)家學(xué)者的研究表明，軟土一般指平原地區(qū)的軟土層，其土體的天然含水率大于液限的細(xì)粒土，并且天然孔隙比不小于1.0[2]。在路堤填筑加載作用下，地基變形集中在路堤中部，產(chǎn)生沉降，軟弱土體被壓密，逐漸固結(jié)。在此過(guò)程中若地基產(chǎn)生的塑性變形在規(guī)定范圍內(nèi)，則填方路堤能夠保持穩(wěn)定[3]。而對(duì)于斜坡軟弱土層地基而言，在路堤填筑過(guò)程中不僅出現(xiàn)豎向變形，還會(huì)出現(xiàn)沿坡腳向下的橫向變形。橫向變形會(huì)加劇豎向變形，進(jìn)而導(dǎo)致路堤失穩(wěn)[1]。針對(duì)上述斜坡軟弱土的工程特性，在路堤填筑前，應(yīng)先深入開(kāi)展細(xì)致的地質(zhì)勘察工作，并在此基礎(chǔ)上有針對(duì)性地制定科學(xué)合理的地基處理方案、土方填筑技術(shù)和工程防護(hù)措施等，并且著重關(guān)注限制填方路堤側(cè)向變形的措施，確保斜坡軟弱地基填方路堤安全建設(shè)及運(yùn)營(yíng)。

1 治理原則

在山區(qū)斜坡軟弱土地基上進(jìn)行路堤填筑，首先應(yīng)限制地基側(cè)向變形，保證路堤整體穩(wěn)定性。同時(shí)從地基處治與該區(qū)域環(huán)境保護(hù)契合的角度出發(fā)，選取合理的施工工藝控制工程成本。一般總結(jié)如下五條原則：

（1）避讓原則。當(dāng)斜坡軟土路堤加固工程的可靠性較低或工程造價(jià)較高時(shí)，可在適當(dāng)?shù)臈l件下，調(diào)整線路的走向或架設(shè)橋梁，避免在斜坡軟土地基上直接修筑路堤[4]。

（2）防排水原則。由于巖體在長(zhǎng)期富水環(huán)境下會(huì)發(fā)生軟化，使得軟土層厚度增大，降低斜坡軟土路基的服役年限，故采取防排水措施是施工的重點(diǎn)。

（3）地基加固。斜坡軟弱土填方路堤由于地面橫坡及軟弱土基的共同作用，易造成不均勻沉降及路堤失穩(wěn)，因而地基加固是斜坡軟弱土路堤加固的重點(diǎn)。

（4）坡腳抗滑。斜坡導(dǎo)致路基對(duì)稱(chēng)性喪失，在自重及外部荷載作用下，下坡方向易出現(xiàn)應(yīng)力集中，尤其沿斜坡向下一側(cè)坡腳位置易出現(xiàn)過(guò)大的水平滑移，容易造成填方路堤整體失穩(wěn)，因而這一側(cè)坡腳處采用抗滑措施至關(guān)重要。

（5）路堤土體加固。路堤土體加固在加強(qiáng)路堤穩(wěn)定性的同時(shí)還可以將應(yīng)力均勻分布，增強(qiáng)路堤整體承載力，減少路堤沉降。

2 提高地基抵抗變形能力

對(duì)于山區(qū)斜坡軟弱土填方路堤而言，提高地基土抵抗變形能力是控制地基側(cè)向變形的重點(diǎn)，對(duì)提高填方路堤的整體穩(wěn)定性至關(guān)重要。主要方法包括：①清除地基軟弱土層；②采用強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)，提高地基土體密實(shí)度；③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[5-6]。

2.1 清除地基軟弱土層

斜坡軟弱土層是造成填方路堤失穩(wěn)的主要因素。對(duì)于斜坡軟弱土層厚小于4.0 m，底層橫坡小于1∶10的地基進(jìn)行直接挖出處理是一種簡(jiǎn)單有效的措施，相對(duì)于其他措施，更經(jīng)濟(jì)、更有效、施工難度低。對(duì)于地基表面或下部軟弱土層地面橫坡大于1∶10的位置，可與增設(shè)反壓護(hù)道與挖臺(tái)階方案作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，擇優(yōu)選取。

2.2 強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)加固

強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)是地基加固常用的措施，通過(guò)壓縮或振密降低地基中的含水率，使土體的密實(shí)度提升，提高地基抵抗變形能力。該方法多適用于以下兩個(gè)條件：①地面及軟弱土層地面橫坡均較小，即水平軟弱地基；②地基土層為非飽和土。

對(duì)于斜坡軟弱土地基，由于軟弱土層地面橫坡的存在，當(dāng)強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)作業(yè)時(shí)，容易造成夯錘歪斜，使得軟弱土地基向坡腳一側(cè)更易發(fā)生變形破壞，如圖2所示。而對(duì)于飽和黏性土的軟弱土層，采用強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)作業(yè)極易使軟弱土地基出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象[7]。因此，強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)對(duì)于斜坡軟弱土地基一般情況下不宜直接使用。

近年來(lái)專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)許多的工程實(shí)踐，在強(qiáng)夯法或重錘夯實(shí)法基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了強(qiáng)夯置換法，該方法是利用夯錘將碎石、礦渣等材料強(qiáng)行夯入地基軟土中形成碎石墩（樁），使得碎石墩（樁）與地基土共同形成復(fù)合地基，進(jìn)而增加了地基的整體強(qiáng)度，使得地基沉降降低，斜坡軟弱土地基夯錘歪斜示意圖如圖1，該方法廣泛運(yùn)用在飽和黏性土地基治理中[7-8]。

圖1 斜坡軟弱土地基夯錘歪斜示意圖

粉質(zhì)黏土采用強(qiáng)夯置換后，會(huì)在作業(yè)結(jié)束后形成大于2.0 m厚度的硬殼層，硬殼層的承載能力可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單墩復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)確定。而強(qiáng)夯置換法對(duì)淤泥或流塑狀黏性土進(jìn)行置換后的復(fù)合地基承載力在不考慮墩間土承載力時(shí)可按下式計(jì)算[4]：

式中，m——置換率；fpk——樁體承載力特征值（kPa）。

對(duì)于斜坡軟弱土地基，將碎石填壓到地基土(飽和土)夯坑中后，使用強(qiáng)夯或重錘進(jìn)行夯實(shí)作業(yè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)斜坡軟弱土地基沿斜坡向下方一側(cè)變形的現(xiàn)象，使得夯入的碎石不易形成穩(wěn)定的碎石墩（樁），則強(qiáng)夯置換法不適用該種工況。

綜上所述，對(duì)于坡度較大的斜坡軟弱土地基，強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)加固一般不宜采用。

2.3 增強(qiáng)體復(fù)合地基處理

增強(qiáng)體復(fù)合地基是將增強(qiáng)體以豎向置換、加筋等方式植入軟弱土地基中，形成強(qiáng)度較高的人工地基，在斜坡軟弱土地基中也可使用該方法，可有效提高軟弱地基強(qiáng)度，增加地基整體穩(wěn)定性，減小地基橫向變形。斜坡軟弱地基常用復(fù)合地基處治方法有：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）[7]。

一般情況下，斜坡軟弱土填方路堤設(shè)置復(fù)合地基加固后在填筑加載過(guò)程中，局部應(yīng)力過(guò)大會(huì)造成樁體破壞，進(jìn)而引起過(guò)大的地基沉降和地基破壞，在地基表層設(shè)置加筋碎石墊層（土工格柵+碎石砂墊層），可以提高填方路堤的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，減小地基沉降。

3 限制地基側(cè)向變形

限制地基側(cè)向變形是斜坡軟弱土地基的常用手段，可有效提高填方路堤的穩(wěn)定性。根據(jù)限制形式的不同，將限制措施分為被動(dòng)限制和主動(dòng)限制兩種。

3.1 被動(dòng)限制

被動(dòng)限制即在斜坡軟弱土填方路堤的坡腳設(shè)置一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，避免軟弱土地基發(fā)生橫向剪切破壞，限制地基側(cè)向變形。常用的被動(dòng)限制措施有放緩路堤坡率、反壓護(hù)道、齒墻和抗滑樁等。

斜坡軟弱土地基由于地形地貌的原因，使得填方路堤具有橫坡，采用放緩路堤填筑坡率或增設(shè)反壓護(hù)道的方案（適用于水平軟土地基），工程規(guī)模較大，且對(duì)提高路堤穩(wěn)定性處治效果不佳。齒墻適用于軟弱土層較薄的工程中，實(shí)際工程使用較少。在山區(qū)對(duì)于地面橫坡大于1∶10的斜坡軟弱地基路段，抗滑樁在實(shí)際工程中大量使用，抗滑樁處治示意圖如圖2，其能有效控制路堤變形，工程效果好，但造價(jià)偏高。

圖2 抗滑樁處治示意圖

在實(shí)際的工程實(shí)踐中，斜坡軟弱土填方路堤采用抗滑樁進(jìn)行側(cè)向約束可分為以下5種類(lèi)型：①沿斜坡向下坡腳處設(shè)單排抗滑樁；②沿斜坡向下坡腳處進(jìn)行單排抗滑樁+增強(qiáng)體復(fù)合地基處理；③沿斜坡向下坡腳處進(jìn)行單排抗滑樁+塑料排水板或砂井地基處理；④沿斜坡向下坡腳處設(shè)雙排抗滑樁；⑤采用樁基托梁擋土墻，避免填方坡腳擠壓斜坡軟弱地基[5]。

3.2 主動(dòng)限制

主動(dòng)限制是在路基內(nèi)部設(shè)置結(jié)構(gòu)骨架，通過(guò)結(jié)構(gòu)骨架來(lái)承擔(dān)路堤填筑荷載和行車(chē)荷載，使下部軟弱土地基承擔(dān)的荷載較少，達(dá)到控制整體變形失穩(wěn)的效果。一般常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式有樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)和樁板結(jié)構(gòu)。斜坡軟弱土地基不同于水平軟土控制地基的豎向沉降，由于地面橫坡的特殊工況，結(jié)構(gòu)骨架還需限制側(cè)向變形。

樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)是在天然地基中打入鋼筋混凝土樁后形成樁土復(fù)合地基加固區(qū)的基礎(chǔ)上，在復(fù)合地基上加鋪加筋土褥墊層形成“網(wǎng)兜效應(yīng)”，使“樁—網(wǎng)—土”三者協(xié)同作用共同承擔(dān)上部荷載[9]。在樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，上部加筋土褥墊層能將上部荷載分散傳遞，均勻傳遞到下部復(fù)合地基加固區(qū)，防止局部因受力過(guò)大發(fā)生樁體破壞，在此過(guò)程中樁體能承擔(dān)大部分荷載，使地基承擔(dān)的荷載減小，從而有效減小軟弱土地基沉降，使得軟弱土地基側(cè)向滑移得到有效控制，樁網(wǎng)復(fù)合地基如圖3。

圖3 樁網(wǎng)復(fù)合地基

樁板結(jié)構(gòu)是最早應(yīng)用于鐵路軟土路基治理的新型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主要由樁基和承臺(tái)板（部分會(huì)加托梁）組成。其主要的工作原理是利用承臺(tái)板均勻地將上部荷載傳遞到下部樁基，樁基再將荷載分散在樁間土和下部巖層中，從而使地基的承載能力得到增強(qiáng)，填方路堤整體穩(wěn)定性得到明顯提升[10-12]。該方法與常規(guī)治理方法相比具有結(jié)構(gòu)整體性好、剛度大、變形小等特性，適用于一些深厚軟土地區(qū)以及山區(qū)斜坡軟弱土地區(qū)，但是造價(jià)較高，施工技術(shù)要求高，樁板結(jié)構(gòu)在斜坡軟弱地基上的應(yīng)用示意圖如圖4。

圖4 樁板結(jié)構(gòu)在斜坡軟弱地基上的應(yīng)用示意圖

4 防排水措施

水是引起道路病害的主要因素，其不僅易引起路基路面發(fā)生病害，并且還是山區(qū)斜坡軟弱土地基形成的主要因素，長(zhǎng)期持續(xù)的富水環(huán)境和遇水易軟化的地層易形成軟弱土。為了保證山區(qū)斜坡軟弱土填方路堤的整體穩(wěn)定性，在實(shí)際工程中應(yīng)重視水對(duì)工程質(zhì)量的影響[13-14]。常用的防排水的措施包括“攔、截、疏、排”等方法[4]。

5 結(jié)論與展望

（1）山區(qū)斜坡軟弱土地基由于地形及水文地質(zhì)等特殊條件，使其與一般水平軟土地基治理方案相比更加復(fù)雜要求更高。結(jié)合斜坡軟弱土地基的工程特性，該文初步提出斜坡軟弱地基路堤工程處治的5個(gè)原則。

（2）對(duì)于斜坡軟弱地基路堤工程處治措施有很多，在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于具體地基問(wèn)題具體分析，綜合考慮區(qū)域地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)效益，科學(xué)合理地選取有效的治理措施，對(duì)多種方案進(jìn)行比選，使用多種措施綜合治理。

（3）新建的公路逐漸飽和，在役道路的改造問(wèn)題凸顯，目前針對(duì)在役道路的斜坡軟弱土地基處治技術(shù)還比較少，將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向在役道路治理是未來(lái)研究趨勢(shì)。