草炭土路堤穩(wěn)定性分析及工程處理措施研究

于炎鑫，佴 磊，劉建磊，丁黃平

(吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130026)

0 引言

草炭土是地表沼澤環(huán)境中的植物遺體，在氧氣和微生物的作用下，早期產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成一種新的多水的富含腐殖酸的腐殖質(zhì)，形成年代在1萬年以內(nèi)的特殊的腐殖質(zhì)土，主要由有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)和水組成。據(jù)國(guó)內(nèi)外資料顯示，草炭土具有如下工程特性:高孔隙比且飽水、高壓縮性、高含水量、低透水性、低強(qiáng)度、高有機(jī)質(zhì)等。由于草炭土的工程地質(zhì)性質(zhì)較差，作為建筑物地基時(shí)是一種不良的軟土地基。草炭土路基面臨穩(wěn)定性和沉降兩大問題，路堤填筑中的坍陷和過大的工后沉降均對(duì)路基的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)造成不利的影響。不但加大養(yǎng)護(hù)成本，而且影響公路的正常使用，甚至威脅行車安全。

在天然的軟土地基上，基底不作特殊加固處理，用快速施工(即不控制填土速度)修筑路堤所能填筑的最大高度，稱為極限填高。當(dāng)路堤的設(shè)計(jì)高度超過此極限高度時(shí)，路堤或地基必須采取加固或處理措施，以保證路堤的安全填筑和正常使用。極限高度的大小，可按穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的結(jié)果確定。在施工條件允許時(shí)，也可在工地進(jìn)行填筑試驗(yàn)確定極限填高，這是解決路堤極限高度的最可靠方法。此項(xiàng)研究是根據(jù)對(duì)試驗(yàn)路段軟土的路堤穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，通過計(jì)算路堤在修筑過程中和完工后的穩(wěn)定情況，選擇合理的填高速度和穩(wěn)定加固措施，從而保證路堤在施工過程中和完工后的穩(wěn)定。因此，對(duì)此類軟土路堤邊坡進(jìn)行評(píng)價(jià)及對(duì)極限填高的研究可以指導(dǎo)施工，保障路基穩(wěn)定，且對(duì)減少公路病害的發(fā)生、保障公路的工程質(zhì)量及安全運(yùn)營(yíng)具有極其重要的意義。

1 試驗(yàn)路段工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)路段位于吉林省敦化市江源鎮(zhèn)南5 km處，鶴大公路K1+300～K2+520段，屬長(zhǎng)白山山脈北部的高寒山區(qū)，地處以敦化為中心的山間盆地，周圍長(zhǎng)白山系的山嶺環(huán)繞，牡丹江在此發(fā)源向北流入松花江后匯入黑龍江，草炭土沼澤地水源靠牡丹江河流及大氣降水補(bǔ)給。

該地區(qū)為冰凍季風(fēng)大陸性山地氣候，夏季溫暖多雨，冬季漫長(zhǎng)寒冷。全年降水量在600～1 430 mm之間，全區(qū)多年平均降水總量為655億m3，折合降水深度為690 mm。該區(qū)地勢(shì)低洼平坦，降水量較充足，排水困難，地面常年積水形成濕生環(huán)境，故苔草植被的草炭土沼澤地極為發(fā)育。

根據(jù)野外鉆孔資料，試驗(yàn)路段地層主要為:草炭土、黏土和砂土組成沖積相地層。第1層為草炭土，為該區(qū)的表層土，平均厚約1.2 m，最厚達(dá)3.5 m左右;第2層為黏土，其平均層厚為30 cm，局部地段未見該層土，該層土為草炭土的淺育層;第3層為圓礫。

2 評(píng)價(jià)方法及工程處理措施

2.1 評(píng)價(jià)方法

軟土地基上路堤的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，通常采用圓弧滑動(dòng)面法。即假定路堤填土連同軟土地基沿同一圓弧破裂面滑動(dòng)，而圓弧滑動(dòng)面法主要是 SARMA法、JANBU法、BISHOP法[3]。采用上述三種方法計(jì)算不同填高時(shí)路堤穩(wěn)定性，計(jì)算各個(gè)填高下從不同地層中剪出(不同剪出口位置)時(shí)的安全系數(shù)，比較后求出各個(gè)填高時(shí)的最小安全系數(shù) Fs。做出Fs與各個(gè)填高H的關(guān)系曲線，根據(jù)路基設(shè)計(jì)要求取一定的安全系數(shù)Fs，即可求出安全系數(shù)最小時(shí)對(duì)應(yīng)的路堤填高，即極限填高。當(dāng)計(jì)算方法、計(jì)算參數(shù)可靠性高時(shí)，一般取Fs為1.20～1.25[2]。計(jì)算路堤穩(wěn)定性時(shí)偏于安全考慮，地下水位均視作位于地表，即路堤的底部。由于JANBU法綜合考慮了條間力、條分可以不是豎直等特點(diǎn)，也證明JANBU法得出的安全系數(shù)Fs最小，故在本次路堤穩(wěn)定性計(jì)算中，最終采用JANBU法計(jì)算得出的安全系數(shù)Fs值。

計(jì)算路堤穩(wěn)定性時(shí)，由于路堤下面地層主要由草炭土、黏土、礫砂組成，路堤由分化軟巖填筑。因此，在計(jì)算時(shí)，計(jì)算中所用到的各地層計(jì)算參數(shù)為:重度 γ值、內(nèi)聚力C值、內(nèi)摩擦角 φ值均是取所有土層的加權(quán)平均值(包括路堤填筑材料)。整個(gè)試驗(yàn)段路堤的路面寬度是10 m，路堤的坡高比是1∶1.5。路堤的填料是風(fēng)化軟巖，具體參數(shù)如表1。

表1 所有土層參數(shù)加權(quán)平均值

計(jì)算不同填高路堤穩(wěn)定性時(shí)，首先進(jìn)行最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的搜尋，如圖1～圖3所示，計(jì)算發(fā)現(xiàn)同一填高下最危險(xiǎn)滑動(dòng)面通過路基頂面邊緣點(diǎn)，經(jīng)過地基的黏土層在坡腳外剪出。不同穩(wěn)定系數(shù)Fs與各個(gè)填高H的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖1 草炭土層剪出

圖2 黏土層剪出

圖3 礫砂層剪出

圖4 穩(wěn)定系數(shù)Fs與填高H的關(guān)系曲線

2.2 工程處理措施

針對(duì)路段不良地質(zhì)情況，以不破壞原狀草炭土地層和有利于保護(hù)濕地為前提，以及提高路基的整體穩(wěn)定性和抗變形能力，方便施工、就地取材的原則，經(jīng)過計(jì)算、研究和分析，確定了八種處治方案。起點(diǎn)K1+300至K2+520，全長(zhǎng)1 220 m。具體處理方案如下:

第一種方案:風(fēng)化軟巖直接填筑+反壓護(hù)道(K1+300～K1+420，全長(zhǎng)120 m)

第二種方案:風(fēng)化軟巖+土工格柵(K1+420～K1+560，全長(zhǎng) 140 m)

第三種方案:風(fēng)化軟巖直接填筑(K1+560～K1+705，全長(zhǎng) 145 m)

第四種方案:塑料排水板+復(fù)合土工布(K1+705～K1+840，全長(zhǎng) 135 m)

第五種方案:風(fēng)化軟巖 +聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(K1+840～K1+920，全長(zhǎng) 80 m)

第六種方案:砂樁+復(fù)合土工布法(K2+140～K2+300，全長(zhǎng) 160 m)

第七種方案:砂礫換填法(K2+300～K2+440，全長(zhǎng)140 m)

第八種方案:土工格柵 +聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(K2+440～K2+520，全長(zhǎng) 80 m)

2.3 實(shí)例

以土工格柵+聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(K2+440～K2+520)為例(如圖5所示)，該路段各地層重度γ值、內(nèi)聚力C值、內(nèi)摩擦角φ、土工格柵的參數(shù)值見表2。

圖5 土工格柵+聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(單位:cm)

表2 各地層密度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角一覽

對(duì)不同路堤填高(2 m、6 m和8 m)、不同剪出口位置、不同工程處理措施的路堤穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，得出的安全系數(shù)見表3。

根據(jù)表3得出處理前后各級(jí)填高下安全系數(shù)Fs與剪出口距離B的關(guān)系曲線[5](如圖6、圖7所示)。

表3 安全系數(shù)Fs計(jì)算結(jié)果

圖6 天然軟土地基上各級(jí)填高下Fs與B的關(guān)系

圖7 土工格柵+EPS板上各級(jí)填高下Fs與B的關(guān)系

根據(jù)圖6、圖7找出各級(jí)填高下的最小安全系數(shù)，做出Fs與填高 H的關(guān)系曲線圖，如圖8、圖9所示。Fs取1.2時(shí)，處理前路堤的極限填高為6.7 m，通過土工格柵+EPS板處理后，該路堤的極限填高是8.6 m。

2.4 路堤極限填高統(tǒng)計(jì)結(jié)果

因該路段上部車輛動(dòng)荷載是7.875 kN/m，據(jù)此換算出是0.38 m的填土高度產(chǎn)生的荷載。因而，路段的極限填高應(yīng)該是上述研究得出的高度減去0.38 m[4]。根據(jù)上述研究得出的結(jié)果，將各個(gè)斷面處理前后的路堤填高值列表如表4所示。

圖8 Fs與填高H關(guān)系曲線(天然軟土地基)

圖9 Fs與填高H關(guān)系曲線(土工格柵+EPS板)

表4 試驗(yàn)段各斷面極限填高

3 結(jié)論與建議

1)在實(shí)際工程中，用 SARMA法、JANBU法、BISHOP法進(jìn)行計(jì)算并分析比較，由于JANBU法綜合考慮了條間力、非豎直條分等特點(diǎn)，也證明JANBU法得出的安全系數(shù)Fs最小，更為安全，所以采取JANBU法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2)計(jì)算不同填高路堤穩(wěn)定性時(shí)，首先進(jìn)行最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的搜尋，計(jì)算發(fā)現(xiàn)同一填高下最危險(xiǎn)滑動(dòng)面通過路基頂面邊緣點(diǎn)、經(jīng)過地基的黏土層在坡腳外剪出。

3)從計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表可以看出，采用風(fēng)化軟巖+土工格柵、風(fēng)化軟巖+EPS塊法進(jìn)行軟基處治后，對(duì)草炭土地基的穩(wěn)定性提高作用不大。在有條件的情況下，適當(dāng)加寬反壓護(hù)道寬度，對(duì)路基的穩(wěn)定性提高影響較大，但是由于我國(guó)土地資源有限，公路建設(shè)要盡量少占土地，因此在公路工程中，反壓護(hù)道法一般不宜大面積采用。砂樁+復(fù)合土工布、土工格柵+EPS板法對(duì)提高草炭土地基的穩(wěn)定性效果明顯，而且砂樁還可加速地基的排水固結(jié)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中究竟采用何種處治方法，還應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧蟻碓础⑹┕すて诳刂频戎T多因素進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較后決定，推薦采用砂樁+復(fù)合土工布法。

[1] 交通部第二公路勘察設(shè)計(jì)院.公路設(shè)計(jì)手冊(cè)《路基》(第二版)［M］.北京:人民交通出版社，1996.

[2] 中華人民共和國(guó)交通部.JTJ 017—96 公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1996.

[3] 劉紅軍.寒區(qū)濕地軟土地基固結(jié)沉降與穩(wěn)定性研究［D］.北京:中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2007.

[4] 鄭曉國(guó).高速公路軟土地基路堤填筑臨界高度研究［M］.南京:東南大學(xué)，2004.

[5] 陳云.高路堤沉降變形特性試驗(yàn)分析［M］.成都:西南交通大學(xué)，2008.