《廣東省公路路堤軟基處理技術標準》主要增改內容釋義

姜啟珍,劉吉福

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司， 廣州 510507)

0 引言

廣東省沿海地區，特別是珠江三角洲廣泛分布深厚的軟土地基，軟土具有含水量高、強度低、滲透性差等工程特點，軟土地區公路建設面臨的主要問題是沉降和穩定問題。相對其他地區，廣東沿海地區水網、路網、水塘密布，公路結構物多、路堤高度大；雨季長，路基有效施工時間短。這些因素導致廣東省軟基路堤面臨的沉降和穩定問題更為突出。自上世紀九十年代以來，隨著高速公路的大規模建設，針對上述難題，廣東實施了20余個公路軟基試驗工程，完成了30余項科研課題，形成了一批具有廣東特色的公路地基處理經驗、技術和成果[1-10]。

為推廣應用具有廣東特色的實用方法和技術、規范廣東省公路路堤軟基處理，2008～2010年廣東省交通運輸廳組織制定了《廣東省公路軟土地基設計與施工技術規定(試用)》《GDJTG/T E01-2011》，廣東省交通運輸廳于2011年5月發布實施。2017～2018年，本標準編制組認真總結工程經驗和研究成果，深入調查論證，在廣泛征求意見的基礎上，按照標準編寫規則編制了《廣東省公路路堤軟基處理技術標準》。2018年底已通過審查，并上報廣東省技術質量監督局。

為便于理解和應用，將《廣東省公路路堤軟基處理技術標準》主要增改內容和技術要點進行介紹。

1 相對現行標準的增改內容

相對現行行業標準《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》(JTG/T D31-02)、《公路路基設計規范》(JTG D30)，主要增改以下內容：(1)天然地基法；(2)就地固化法；(3)水載預壓法；(4)排水固結路堤水平滑動、軟土擠出穩定分析；(5)卸真空后的穩定分析；(6)柔性樁復合地基樁身抗壓強度驗算及相應的承載力計算；(7)復合地基固結度計算；(8)考慮樁土作用的剛性樁復合地基承載力計算；(9)剛性樁復合地基路堤繞流滑動穩定分析；(10)考慮工作墊層影響的剛性樁復合地基沉降計算方法；(11)換填輕質土厚度確定方法；(12)過渡段長度確定方法；(13) 改溝改河、涵洞基坑與路堤關系；(14)既有路堤軟基處理；(15)表觀法和拐點法等路堤穩定評估方法；(16) 非等載預壓路段的卸載標準等。

相對《廣東省公路軟土地基設計與施工技術規定(試用)》《GDJTG/T E01-2011》，主要增改以下內容：(1)天然地基法；(2)就地固化法；(3)水袋預壓法；(4)完善了卸真空后軟土抗剪強度公式；(5)柔性樁復合地基樁身抗壓強度驗算及相應的承載力計算；(6)考慮樁土作用的剛性樁復合地基承載力計算；(7)剛性樁復合地基路堤繞流滑動穩定分析；(8)考慮工作墊層影響的剛性樁復合地基沉降計算方法；(9)換填輕質土厚度確定方法；(10) 改溝改河、涵洞基坑與路堤關系。

2 主要增改技術要點

2.1 真空聯合堆載預壓卸真空后的軟土抗剪強度

部分真空聯合堆載預壓路堤卸除真空荷載后出現沉降速率增大甚至滑塌的事故，其主要原因是真空聯合堆載預壓工程中真空荷載不是永久性荷載，卸除真空荷載后地基土抗剪強度降低(如圖1所示)，指向加固區的滲透力消失，地下水位回升，可能導致路堤失穩[4]。因此應驗算卸真空后的路堤穩定性。

圖1 卸真空導致的抗剪強度降低

Ladd和Foott(1977)研究得出表明黏性土不排水抗剪強度與超固結比的關系為[11]：

(1)

對于卸除真空后的軟土，由式(1)得：

(2)

式中:σg為地基土初始豎向有效應力，σf為卸真空時路堤荷載在地基中產生的豎向附加應力，ccq為固結快剪黏聚力，φcq為固結快剪內摩擦角，σv為真空度，Uf為對應σf的固結度，Uv為對應σv的固結度。

由式(2)得到:

(3)

2.2 基于抗壓強度的攪拌樁復合地基承載力

部分涵洞、擋土墻沉降過大或滑塌的原因之一，是現行規范規定的復合地基承載力計算公式的前提是樁身不會被壓碎。但是攪拌樁樁身強度低，可能被壓碎，因此應計算樁身強度控制的復合地基承載力。

當涵洞、擋土墻等剛性基礎下的攪拌樁復合地基未設置褥墊層時，樁頂以下一定范圍為樁土等沉區[7]，樁土應變相等、樁土應力比等于樁土模量比(圖2)，樁身應力最大。攪拌樁復合地基設置褥墊層時，樁頂沉降小于樁間土沉降，樁身上部存在負摩擦力，樁頂以下一定深度處為等沉區，樁土應力比等于樁土模量比，樁身應力最大。

圖2 復合地基樁土應力比

等沉區樁、土應力分別為：

(4)

(5)

式中：σp為樁身附加應力，RE為樁土模量比，p為復合地基頂面荷載集度，B為基礎寬度，L為加固區與非加固區之間存在正摩擦力的邊長總和，z為深度，qs為側阻力，m為置換率，σs為樁間土附加應力。

當滿足式(6)時，樁身會被壓碎，對應的荷載p為復合地基極限承載力。

(6)

(7)

式中:γp為樁身重度，γs為樁間土重度，K0為樁間土靜止土壓力系數，Kp為攪拌樁被動土壓力系數，c為攪拌樁黏聚力，qu為水泥土90d抗壓強度。

由式(4)～式(7)可得:

(8)

式中:fspk為復合地基極限承載力。

當z取等沉區頂面深度時，fspk最小。未設置褥墊層時，z取0，此時有：

(9)

設置褥墊層時，為計算簡便起見，可保守地忽略樁土自重和加固區兩側摩阻力的影響，則式(8)變為式(9)。

為簡化計算，偏保守地取K0與Kp之積等于1，則式(9)變為:

(10)

2.3 復合地基固結度計算

工程實踐中及標準征求意見階段，部分單位認為復合地基荷載主要由樁承擔，不存在固結問題。本文通過公式推導說明復合地基固結度計算的必要性。

由土力學可知，天然地基飽和土單元固結方程為:

(11)

式中：U為超靜孔壓，Es為土的壓縮模量，t為時間，ks為土的滲透系數，γw為水重度，z為深度。

(12)

剛性樁復合地基樁土不等沉，此時仍可計算采用上述方法，但是RE應變更為樁土應力比n。

計算表明，相同預壓時間內，攪拌樁復合地基的固結度小于剛性樁復合地基。

2.4 考慮樁間土繞流的剛性樁復合地基穩定分析

近幾年廣東省、浙江省等發生多起剛性樁復合地基路堤滑塌事故。除施工、監測等因素外，現行規范推薦的穩定分析方法存在重大缺陷是一個重要原因。

剛性樁樁身抗剪強度非常大，剛性樁復合地基路堤樁土一起剪切破壞的整體滑動穩定安全系數非常大，剛性樁復合地基路堤通常不會產生整體滑動。

剛性樁復合地基路堤滑塌實例、離心模型試驗等均表明，剛性樁承載力不足或樁帽太小會導致樁間土附加應力過大、樁間土沉降和位移較大，產生繞流滑動或繞流滑動趨勢[12]，導致剛性樁受彎斷裂或傾倒[13]，最終導致路堤滑塌。為合理反映剛性樁復合地基路堤滑塌機理，本標準推薦采用修正重度法進行路基穩定驗算[8,14]。

圖3 剛性樁受彎斷裂情況

穩定安全系數Fs應按下列步驟試算：

(1)土拱效應控制的樁頂荷載Ppa按土拱效應公式計算，樁頂荷載Pp應取FsPpa與單樁極限承載力Quk中的小者。

(13)

(3)路堤土的修正重度可按下列公式計算：

(14)

(15)

式中：γfr為樁帽以上填料修正重度，γf為樁帽以上填料重度，Pu為對應Fsγf的單樁分擔面積內樁帽以上荷載，γfdr為樁間路堤土修正重度，γfd為樁間路堤土重度，up為樁周長，Au為單樁分擔面積。

(4)樁間地基土修正重度可按下列公式計算：

(16)

式中：γsr為樁間地基土修正重度，γs為樁間地基土重度。

(5)剛性樁未穿透軟土層時，樁端區土層的修正重度宜按下式計算：

(17)

式中：Qpk為總極限端阻力標準值，Te為樁端區厚度(m)，可取0.5～1.0m。

(6)樁間土黏聚力或不排水抗剪強度可按下列公式修正：

csr=cs(1-mp)

(18)

Cur=Cu(1-mp)

(19)

式中：csr為樁間土黏聚力修正值，cs為樁間土黏聚力，Cur為不排水抗剪強度修正值，Cu為不排水抗剪強度。

(7)忽略樁，路堤采用γfr、γfdr，地基加固區采用γsr、csr、Cur，其他區域采用γs、cs、Cu，利用穩定分析軟件計算得到繞流滑動安全系數Ff。

(8)當Ff不等于1.0時，應調整Fs并重復本款第(1)～(8)項直至Ff與1.0的偏差小于0.005。

2.5 考慮樁土差異沉降的復合地基沉降計算

剛性樁復合地基樁土模量差異大，樁土變形不協調，采用復合模量法計算的沉降嚴重偏小，本標準推薦采用附加應力法[10]。

(1)路基中線附近中性面處樁土加權平均附加應力為：

(20)

式中：σj為第j層土處路基中線附近中性面處樁土加權平均附加應力，p為路基中線附近的荷載集度，ζ為加固區兩側摩阻力發揮系數，P為路基縱向每延米的路基總荷載。

中性面處樁間土附加應力近似取零，則有：

(21)

(22)

樁底刺入破壞時，負摩擦力為：

(23)

中性面深度zn應根據式(21)、式(23)計算的負摩擦力小值確定。

(2)樁間土附加應力宜按下式計算：

(24)

式中：σsj為第j層土處樁間土附加應力，ζi為樁側阻力發揮系數。等沉面以上ζi應取1，等沉面以下ζi宜采用下式計算：

(25)

(3)樁間土沉降S1s應利用樁間附加應力采用分層總和法計算。加固區沉降S1應等于S1s(1-mp)。

2.6 既有路堤換填輕質土厚度計算

由于地基處理效果差、工期不足、設計計算方法存在不足等原因，部分采用排水固結法、復合地基處理的路堤在通車前或通車后預測的工后沉降不滿足規范要求。此時，換填輕質土往往是快捷、可靠、經濟的處治方法。

《現澆泡沫輕質土技術規程》(CECS 249:2008)推薦的換填厚度公式對路堤等效高度乘以安全系數，導致計算結果明顯偏大；《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》(CJJ/T 177-2012)按不產生剩余沉降的思路確定換填輕質土的厚度，對容許一定剩余沉降的情況不適用，且未考慮地下水的影響。本標準推薦方法克服了上述缺點。

由應變固結度定義可得：

(26)

式中:Up為目標固結度；Sra為容許工后沉降；Se為恒載對應的最終沉降。

研究表明，軟基路堤沉降與荷載基本成正比[15]，因此得：

(27)

式中：Tf為包括已完成沉降等效填土厚度的預壓填土厚度，γf為填土重度，Sf為對應預壓荷載的最終沉降，hl為輕質土厚度，γl為輕質土重度，Te為包括已完成沉降土方、路面結構的等效填土厚度的路堤設計等效填土厚度。

由應力固結度定義得：

(28)

式中：Ut為對應預壓荷載的固結度。

由式(26)～式(28)，并考慮安全系數可得：

(29)

式中：K為安全系數，St為已完成的沉降。

對于真空聯合堆載預壓式(29)變為式(30)，并考慮安全系數可得：

(30)

式中：Tvf為包括已完成沉降、真空荷載等效填土厚度的預壓填土厚度。

Tf、Te、Tvf對水位以下沉降土方重度應換算為水位以上填土重度，已通車公路尚應包括路面結構的等效填土厚度。

根據路基空間關系得到的輕質土厚度為：

Tl=Te-Tp-Tf

(31)

式中：Tp為路面結構等效果的厚度。

輕質土厚度應為式(29)或式(30)、式(31)計算值的大者。

3 結語

《廣東省公路路堤軟基處理技術標準》相對《廣東省公路軟土地基設計與施工技術規定》(GDJTG/T E01-2011)、《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》(JTG/T D31-02)作了較多增加或修改。

真空聯合堆載預壓工程應驗算卸真空后路基的穩定性，攪拌樁復合地基承載力應考慮樁身抗壓強度的限制，復合地基應計算固結度和工后沉降，剛性樁復合地基路堤應驗算繞流滑動穩定性、考慮樁土差異沉降的復合地基沉降。既有路堤換填輕質土厚度應同時滿足工后沉降和空間關系。