高路堤中厚層軟土地基治理對策技術研究

劉桂宏

(四川西南交大土木工程設計有限公司， 成都 610000)

某工程段D 匝道DK0+110～DK0+230 段為填方路基，填方最高約20.57m。該段地表上覆第四系坡洪積粉質(zhì)粘土，呈軟塑狀，局部為流塑狀，層厚6.60～11.00m，下伏基巖為碎塊狀強風化泥巖（層厚1.80～8.30m）及中風化泥巖。針對此段路基填方高、軟弱土層深的特殊情況，原設計采用水泥攪拌樁對地基進行加固處理。

2020 年1 月10 日，該段填方路堤頂距設計線5.0m 處出現(xiàn)一條“C”字形裂紋，且坡腳外水田地表發(fā)生隆起現(xiàn)象；截止2020 年1 月12 日，該段路基填筑高9.3m時，路堤與軟弱地基發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，坡腳外地表隆起累計最大值2.5m。因此必須對失穩(wěn)路段進行補救設計。

1 地質(zhì)概況

項目區(qū)軟土主要成因為山間溝谷盆地型，分布在水量充沛的山間盆地和溝谷平緩區(qū)域，主要為流軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，其孔隙比大，含水量高，局部夾可～硬塑薄層，力學性質(zhì)較差。該路段現(xiàn)狀為一凹形溝谷老溝槽，為排水主通道，匯水面積較大，地下水補給豐富。

根據(jù)現(xiàn)場鉆探及室內(nèi)土工試驗，該段地基大致分為以下四種：

位于地表下0～6m，深灰色，流～軟塑狀，局部夾可塑狀，由粘粒、粉粒組成，含腐殖質(zhì)，有異味，粘性好； ＜4-2-1＞坡洪積層（Q4dl+pl）粉質(zhì)黏土 位于地表下6～11m，褐灰、褐黃色，軟～可塑，粘粒為主，粉粒次之，土質(zhì)均勻，粘性一般；

＜12-1-2＞自流井組（J1-2z）強風化泥巖

位于地表下11～13m，紫紅色，砂泥質(zhì)結構，中厚層構造，巖芯呈長柱狀，節(jié)長10-20cm，局部差異風化呈碎塊狀，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，巖質(zhì)極軟，錘擊聲啞，遇水易軟化，暴露、失水易干裂，Ⅳ級軟石。

＜12-1-3＞自流井組（J1-2z）中風化泥巖

位于地表下13m 處以下，紫紅色，砂泥質(zhì)結構，中厚層構造，巖芯呈長柱狀，節(jié)長15-40cm，局部差異風化呈碎塊狀，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，巖質(zhì)極軟，錘擊聲啞，遇水易軟化，暴露、失水易干裂，屬Ⅳ級軟石。

各土層物理力學特性指標表1.1

2 工程概況

為消耗棄方進行“橋改路”，DK0+110～DK0+230段設計為高路堤，填方邊坡采用折線形放坡，一級邊坡高8米，坡比1：1.5，二級邊坡高12米，坡比1：1.75，邊坡平臺寬5m。一級邊坡坡面采用拱形骨架防護，二級邊坡坡面采用塊石碼砌護坡，二級平臺高度以下采用填石路堤。

地基為平均深11m的軟弱土，設計采用水泥攪拌樁進行加固處理，樁基按正三角形布置，樁徑0.5m，間距1.1m，樁身采用普通硅酸鹽水泥，初步擬定的水泥摻入量擬為被加固土體質(zhì)量的15%，水泥漿水灰比為0.45～0.55，具體的水泥摻入量及外加劑品種、各項施工參數(shù)通過室內(nèi)配合比試驗及現(xiàn)場成樁工藝試驗確定；水泥加固土試塊標準養(yǎng)護條件下90天齡期強度不小于1.8MPa，復合地基承載力不小于180KPa，樁頂鋪設0.6m厚的碎石墊層夾2層80kN/m雙向拉伸塑料土工格柵。

2019年6月，水泥攪拌樁施工完成，9月完成質(zhì)量檢測后開始填筑路堤；2020年1月10日，該段路基填筑高9.3m（高程342.60m）時，路堤與軟弱地基發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。

3 失穩(wěn)原因分析

3.1 定性分析

（1）計算路堤和天然軟土地基時，一般不考慮由于固結增長的地基抗剪力；水泥攪拌樁是將水泥材料通過專用的機械在地基深部將軟土和固化劑強制拌和形成的具有較高強度的豎向加固體，提高復合地基的抗剪強度，并沒有提高地基土的固結度，進而復合地基和路堤的整體穩(wěn)定性分析時，亦不考慮固結增長的地基抗剪力（即地基固結度為0）[1][2]。原設計計算加固土樁與地基的整體穩(wěn)定性計算時，將地基固結度假定為1 進行計算，認識出現(xiàn)偏差。

（2）路堤上游匯水面積大，上游沿老溝槽補給的地下水豐富，導致軟弱地基飽水嚴重；隨著路堤填方加載，路堤填料垂直附加總應力σ變化將導致軟弱地基孔隙水壓力u 不斷上升，形成的孔隙水壓力u 將導致土體中的有效應力σ'不斷降低，有效剪應力τ'不斷減小，可導致路堤與地基整體失穩(wěn)破壞。

（3）復合地基設計承載力180KPa，當路基填筑高9.3m 時，即填筑荷載約213.9kPa（路堤材料容重按23kN/m3考慮），加上施工車輛頻繁在填筑路堤頂通行，附加荷載已大于復合地基的極限填筑高度。路堤填筑速率過快，超過地基平均固結度提高至能承受填筑荷載的所需固結時間，可導致路堤與地基整體失穩(wěn)破壞。

3.2 定量分析

（1）原設計假設復合地基發(fā)生剪切破壞，樁體抗剪強度取室內(nèi)制備的加固土試件測得的無側限抗壓強度乘以折減系數(shù)0.2～0.3 求得。然而較樁間土而言，水泥土是一種脆性材料，水泥土達到峰值強度時的應變（一般為0.5%～2%）較樁間土小得多，且水泥土的殘余強度小于其峰值強度，一般僅為峰值強度的60%～70%，樁和樁周土不能同時達到峰值，高估了水泥攪拌樁復合體的抗剪強度，為了樁土的漸進破壞，樁體和樁周土應該選取合適的強度值，如進行樁周土強度折減或樁體強度折減，樁體強度折減時通常取樁體的殘余抗剪強度，樁間土強度折減系數(shù)易取0.25。[3][4][5]

考慮折減后的樁體設計參數(shù)得：C = 216kPa， 通過樁土面積置換率可得復

合地基抗剪參數(shù)約為：4-1-1 層 C = 50kPa， φ = 5.3°；4-2-1 層C = 53kPa ， φ = 6.4°。

（2）加固土樁復合地基與路堤的整體穩(wěn)定性破壞機理較為復雜，攪拌樁復合地基的破壞模式并不一定為剪切破壞，且采用極限平衡原理(如圓弧滑動法)分析攪拌樁復合地基上路堤的整體穩(wěn)定性時通常不能合理地計算地基的破壞荷載。當水泥攪拌樁樁體強度較高，樁體剛度較樁間土剛度高很多時，攪拌樁并非全部發(fā)生剪切破壞，而是部分樁體發(fā)生撓曲破壞；豎向荷載作用下，基礎下的樁體以剪切破壞為主，但外側樁體則是撓曲破壞。[3][6]。

樁體發(fā)生撓曲破壞時，Kivelo(1999)[7]建議樁體的等效抗剪強度（τf）由以下公式計算：

式中： Mu為樁體抗彎彎矩（ m-kN ）， Mmax,u為樁體的最大抗彎彎矩； qu為樁體無側限抗壓強度（kPa）；分別為假定的破壞面以內(nèi)和破壞面以外土體的不排水抗剪強度（kPa）；D 樁體直徑（m）;

根據(jù)地勘資料與樁體設計參數(shù)得：Mu,max= 18.75 kN-m；；通過樁土面積置換率可得復合地基抗剪參數(shù)約為：4-1-1 層 C = 52kPa , φ = 7.1°；4-2-1層C = 55kPa, φ = 8.6°。

假設樁體發(fā)生撓曲破壞時的計算結果與考慮折減后的圓弧滑動法計算結果基本一致。

（3）為節(jié)省地勘取樣工作量，路堤和地基整體穩(wěn)定安全系數(shù)F 采用圓弧滑動法中的有效固結應力法計算[8]，公式如下：

式中： cqi、φqi—地基土或路堤填料的黏聚力（kPa）和內(nèi)摩擦角，由快剪試驗測定；φcqi—地基土的內(nèi)摩擦角，由固結快剪試驗測定；Ui—地基平均固結度（%）；αi—土條地面與水平面交角； Li—土條地面弧長（m）；WIi—土條地基部分重力（kN）； WIIi—土條路堤部分重力（kN）。

加固土樁與地基的整體穩(wěn)定性計算時不考慮固結增長的地基抗剪力（即地基固結度為0），對以上兩種破壞模式下，進行計算分析得到整體穩(wěn)定性安全系數(shù)1.10＞F≥1.0，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，兼顧施工質(zhì)量因素，與現(xiàn)場實際情況基本吻合。

4 治理設計

4.1 方案設計

（1）充分考慮到上游沿老溝槽補給的地下水豐富，設計采取截排上游地表來水，同時施做防滲型隔離墻（或止水帷幕），切斷沿老溝槽的上游地下水補給，隔離墻采用水泥攪拌樁隔離墻。

隔離墻設計參數(shù)如下：墻體厚度為0.7m，水泥漿可采用水泥-水玻璃雙液漿，其參數(shù)如下：水玻璃波美度30，模數(shù)2.4，水泥漿與水玻璃體積比1:0.5，其余設計參數(shù)同原水泥攪拌樁設計，這種混合型漿液可快速完成流塑粒土的劈裂固結，達到快速防滲的目的。

（2）在路堤下游段設置排水盲溝，快速疏干老溝槽地基地下水，減小路堤加載過程中空隙水壓力對整體穩(wěn)定性的不利影響。

（3）清除失穩(wěn)路堤范圍，重新施做水泥攪拌樁，以減少高路堤工后沉降；適當補增用地紅線，進一步放緩坡率，設置反壓護道；

（4）在路堤邊坡適當?shù)奈恢迷O置抗滑樁進行強支護，以提高整體穩(wěn)定性。，計算得到坡腳設計安全系數(shù)下的剩余下滑力約1050 kN/m，為方便施工，樁基采用單排圓形抗滑樁，樁徑2m，樁間距3m。

5 結論

（1）水泥攪拌樁可提高復合地基的抗剪強度，并沒有提高地基土的固結度，復合地基和路堤的整體穩(wěn)定性分析時，亦不考慮固結增長的地基抗剪力（即地基固結度為0）。

（2）高路堤深層軟基治理的對策隨主要病因而異，可在上游截排、切斷沿老溝槽的地下水補給為主，在下游設置排水設施快速疏干地基溝槽水，減小路堤加載過程中空隙水壓力對整體穩(wěn)定性的不利影響。

（3）當路堤與地基整體穩(wěn)定性不足時，可在路堤前緣設置抗滑支擋工程或反壓護道。