公路軟土地基設計探討

劉裕娥

(汕頭市公路勘察設計院 汕頭市 515041)

0 引言

軟土[1]是指以水下沉積的飽水的軟弱粘性土或淤泥為主的地層，有時也夾有少量的腐泥或泥炭層。隨著公路建設事業發展，對公路質量得到改善的同時，也重視對軟基處理的改進和發展。在軟土地區修筑路堤，常會遇到一些路段由于路堤荷載的作用使地基土產生過量沉陷和側向位移，甚至路面破壞。軟基處理一般比較復雜，處理方法多樣，且難度大、耗資巨、范圍廣，特別是深厚軟土地基上的高填土路段對公路造價、工期等影響較大，應考慮其軟土地基處理方案對線位比選的影響。結合工程軟基處理的方法，并參考有關資料和設計文獻，對軟基處理設計的方法作簡要介紹及探討。

1 軟基處理的方法

軟土地基處理的目的首先是改善地基土的力學性能，增加路堤同基底土的穩定性；其次是改善地基土的壓縮性能，加速排水固結，提前完成預計的沉降量，使殘余沉降量小于允許值。目前國內外采用的軟基處理方法很多，常用的處理方法有[2-3]：

(1)開挖換填法：以人工、機械或爆破方法將地基土挖出，換填強度較高的砂、礫、卵石等滲水土。此方案從根本上改善地基的性質，效果甚佳。但僅適用于軟土層較薄，其上無覆蓋層的情況。

(2)排水固結法：包括堆載預壓法、砂井預壓法、袋裝砂井法、塑料排水板法、井點降水法、真空預壓法等；其原理為利用外加荷載對飽和軟粘土地基進行預壓，增加地基的總應力，在地基中形成超靜孔隙水壓力，通過超靜孔隙水壓力的消散，使地基土的固結壓力增加而產生固結；為加速土層的固結，增加土層的排水途徑，縮短排水距離，袋裝砂井、塑料排水板和砂層等是很好的豎向排水體和水平排水層。此方案適用于處理厚度較大的飽和軟粘土地基，但堆載預壓需要較長的工期。

(3)化學加固法：包括注漿法、深層攪拌法、旋噴法等，其原理是通過注入水泥漿和化學漿液，使持力層地基形成復合地基，提高原地基的承載能力。適用于巖基、砂土、淤泥、淤泥質粘土、粉土和一般人工填土層等地質情況，適用范圍廣，加固效果顯著，但其成本較高。

(4)加筋法：在土中加入條帶、纖維或網格等抗拉材料，依靠它改善土的力學性能，提高土的強度和穩定性，抵抗地基不均勻的沉降能力。適用于土層性質相對較好的軟基路段。

2 工程實例

2.1 工程概況

汕頭市潮陽區海門鎮瀕臨南海，扼練江出海口，位于潮陽區東南端沿海，這里地平、土厚、水豐，軟土分布較廣。工程局部路段處于軟基路段，其工程地質特點為：地基上部存在軟土結構層，結構層多屬淤泥、淤泥質土，軟土層厚度很大，多呈流塑至軟塑狀態，且地表硬殼層厚度較小。天然地基難以滿足工后沉降容許范圍及構造物對地基承載力的要求。拓寬路段中有軟基，同時沿線有橋梁拓寬，全線完工通車需要較長的工期。

2.2 設計依據及試驗資料

2.2.1設計依據

路堤(含路面結構)的原設計高度(m)∶1.80

路堤設計頂寬(m)∶52.0

加寬頂寬(m)∶9.0×2

路堤邊坡比例系數m(縱∶橫)∶1.5

路基的重力密度(kN/m3)∶19.5

路面結構的重力密度(kN/m3)∶21.0

土基地下水位至地面的深度(m)∶0.10

2.2.2試驗資料

試驗資料見表1、表2。

表1 土工試驗數據

表2 各級壓縮試驗荷載(針對壓縮特性及固結系數來分層)

2.3 擬設計方案

因工程中有橋梁需拓寬，有較長的施工工期，選擇堆載預壓是很好的處理方式。因其施工簡單，成本低，對深厚飽和粘土具有很好的沉降效果，采用超載預壓可減少工后沉降，為加速地基的固結，選擇袋裝砂井，并穿過軟土層，結合砂層，加快地基的沉降速率。拓寬路段處于軟基，為避免新老路基的不均勻沉降，新老路基拼接交接位置設置鋼塑土工格柵。

擬設計方案如下：

超載預壓，預壓高度采用3.5m,其中超載填土高度為1.2m

堆載預壓采用河砂預載，重力密度16.0kN/m3

工后沉降基準期，即路面設計使用期180個月

容許工后沉降基準期內的殘余沉降0.10m

路堤填筑經歷時間9個月

袋裝砂井直徑0.07m，間距0.9m，井深18m，采用三角形布置，砂層厚度0.6m，袋裝砂井伸入砂層0.3m，擬設計方案示意圖如圖1。

圖1 擬設計方案示意圖

實施多級荷載加載速率如圖2。

圖2 路基填筑、預壓進度示意圖

2.4 設計計算[4]

2.4.1固結度計算

按經驗取砂井井徑為0.07m，井距采用0.9m，井徑比n為13.5，井列采用三角形布置，井的有效排水圓柱體直徑de=1.05×0.9=0.945m,井徑比n=94.5/7=13.5。井長按穿過淤泥層，取18.0m。

=2.39×10-8(1/s)=0.00207(1/d)

式中：qi—第i級荷載平均加載速率(kPa/d)。

加載速率q1,q2,q3,…q7=8.0/2=4.0(kPa/d)

=0.877

為縮短排水距離，地基上設單層60cm砂層，計算其排水固結度。

砂井區總的平均固結度U

=1-(1-0.236)(1-0.877)=90.6%

2.4.2地基沉降計算

主固結沉降Sc采用分層總和法在荷載作用下的軟土地基計算：

式中：Sc—主固結沉降(m)；

n—壓縮土層內土層分層的數目；

eoi—地基中各分層在自重應力作用下的穩定孔隙比；

e1i—地基中各分層在自重應力和附加應力共同作用下的穩定孔隙比；

Δhi—地基中各分層的初始厚度(m)。

主固結沉降Sc的計算，按《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》[4](JTG/T D31-02—2013)中式(4.3.2)。

總沉降S∞采用沉降系數ms與主固結沉降計算：

S∞=msSc

ms=0.123γ0.7(θH0.2+VH)+Y

式中：ms—沉降系數，宜根據現場沉降觀測資料確定，也可采用經驗公式估算；

θ—地基處理類型系數，地基用塑料排水板處理時取0.95～1.1，用粉體攪拌樁處理時取0.85，一般預壓時取0.90；

H—路堤中心高度(m)；

γ—路堤填料重度(kN/m3)；

V—填土速率修正系數，填土速率在0.02～0.07m/d之間時，取0.025；采用分期加載，速率小于0.02m/d時取0.005；采用快速加載，速率大于0.07m/d時取0.05；

Y—地質因素修正系數，滿足軟土層不排水抗剪強度小于25kPa、軟土層的厚度大于5m、硬殼層厚度小于2.5m三個條件時，Y=0，其它情況下可取Y=-0.1。

路基中軟土地基固結沉降量ΔSi計算結果見表3。

表3 路基中軟土地基固結沉降量ΔSi計算表

總沉降S∞的計算，按《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》[4](JTG/T D31-02—2013)中式(4.3.5-1)。

沉降系數ms的計算，按《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》[4](JTG/T D31-02—2013)中式(4.3.5-2)。

沉降系數ms=0.123γ0.7θH0.2+VH)+Y

=0.123×160.7×(1.0×3.50.2+0.005×3.5)+0

=1.12

軟土地基的總沉降S∞=msSc=0.844m

2.4.3地基穩定性驗算

軟土地基路堤的穩定驗算采用圓弧滑動法中的有效固結應力法。

穩定計算安全系數F：

式中：Cqi、φqi—地基土或路堤填料的粘聚力(kPa)和內摩擦角(°),由快剪試驗測得；

φcqi—地基土的內摩擦角(°)，由固結快剪試驗測得；

Ui—地基平均固結度(%)；

αi—土條底面與水平面交角(°)；

Li—土條底面弧長(m)；

WIi—土條地基部分重力(kN)；

WIIi—土條路堤部分重力(kN)。

《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》[4](JTG/T D31-02—2013)中穩定安全系數容許值(表4.2.6)，有效固結應力法在考慮固結安全系數為1.2，F=1.671滿足要求。

3 結語

為取得更好的軟基處理效果，軟基處理方式可采用多種形式結合。工程選用袋裝砂井輔以超載預壓(為防止地基突然發生滑動及坍陷，采用逐級加載方式)及鋼塑土工布，通過設計計算，符合設計規范要求。為了解原軟土地基處理效果，在ZK1附近斷面進行路基對比鉆孔研究，處理后的地基物理力學指標有明顯提高，土的定名由淤泥質土到亞粘土，天然含水量降低明顯，地基強度提高，由高壓縮性變為中壓縮性。項目完工通車運營六年來，未發現有明顯沉降，新舊路未有差異沉降，達到預期效果。