不同類型軟土路基路堤填筑變形特性分析

■曾蓉琴

（莆田市交通投資集團有限公司， 莆田 351100）

軟弱土地基在我國分布廣泛， 常見于沿海、沿江、內陸湖泊、西南山區等地，在此類地基上開展工程建設，如地基處理不當或沉降預測不準確，將會引發較為嚴重的工程事故。20 世紀80 年代初，我國結合大部分省份對軟基情況及處治的相關研究，形成了現行標準JTG/T D31-02-2013 《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》[1]，隨后就海相、湖泊相沉積的處治方法[2-3]，對軟基的沉降和穩定計算、沉降規律、沉降的監測控制進行了相關探討，提出了施工期軟基沉降動態監測的監測方法和監測標準。以上標準在保證工程施工安全的前提下，能夠較為準確地估算工后沉降。 此外，國內研究針對公路延伸距離很長的帶狀構筑物的特點，還形成了排水預壓法、粉體攪拌樁深層處理法等軟基處理方法[4-7]，在大多數的工況下能夠很好地保證高速公路對地基變形量的高要求。 但基于沉降監測的高速公路施工優化設計尚屬空白。 且現行規范所提出的控制標準主要以沿海地區的軟基情況為依據[8]，對于山區溝谷相軟基的規范尤為鮮見。 綜上所述，本研究以西南地區某高速公路K0～K7 段為研究對象， 結合工程資料和調研數據，對研究區山區溝谷相軟基進行工程類別劃分， 結合長階段的原位沉降監測結果，探討不同軟基類型在路堤施工過程中的沉降規律，分析沉降量與填土高度、軟基厚度間的關系。 該研究成果可以為西南地區與尤其是成渝都市圈修筑高速公路時路基沉降控制提供相應的參考。

1 研究區軟土地基工程特性

成渝雙城經濟圈某高速公路全長約200 km，路面寬度24 m，雙向四車道，設計時速120 km/h，坡比為1∶1.5。沿線軟基發育百余處，均為山間溝谷型，其上路堤填筑超15 m 的段落有20 處。 軟土地層組成從上到下為第四系全新統填土和沼澤沉積層（Q4m）， 可細分為高液限粘土和低液限粘土組成，層厚一般3～8 m，局部最厚達15 m，在山谷之間間隔呈串珠狀分布，發育狀態不規則，多以波狀為主（圖1）。

圖1 場地地層剖面圖

研究區軟土具有與沿海軟土相似的工程地質特性。 但因為西南地區軟土炭質較少，其化學成分和礦物組成存在地域區域性，其物理力學特性有其自身的獨特性。 如表1 所示，區域內軟土密度均較低，孔隙比、壓縮系數、液限較高，抗剪強度較低，但由于埋深及成因差別，其變化范圍較大。

表1 研究區軟土物理力學參數

2 研究區軟基分類

影響軟土地基施工沉降的因素較多， 對于本研究區而言，主要因素為軟土深度、回填高度及軟基加固方法，因此從這3 個方面對K0～K7 段軟土地基進行分類（表2）。（1）第一類軟基（軟基厚度1～3 m）（圖2a），主要以換填為主（圖3a），位于山間溝谷地區，該類軟土一般順溝發育，平面上呈互不相通，長度一般在150～200 m，厚薄不均，從坡腳處往溝谷中間逐漸過渡加厚。 （2）第二類軟基（軟基厚度6～9 m）（圖2b），主要以塑料排水板處理方式為主（圖3b），處理間距在1～1.5 m，處理深度以超過軟土層厚度為標準。 該類軟基位于沖溝中地勢低洼處，平面上呈互不相通，長度一般為250～300 m， 一般從自地勢低洼處向山坡腳逐漸變薄， 厚度或埋深與下伏基巖面起伏及埋深密切相關。（3）第三類軟基（軟基厚度9～12 m）（圖2c），主要以碎石樁處理方式為主（圖3c），正三角型布設（間距1.2～1.5 m），樁長穿越軟土地層深度并進入硬土層或巖層0.5～1.0 m，發育于山間洼地區域，分布形狀似“雞爪狀”或“掌心狀”。

圖2 三類軟基形態分布

圖3 軟土地基典型斷面處理方式

3 沉降變形特征分析

3.1 變形監測方案

在路堤兩側路肩和路中位置分別埋設沉降觀測點進行人為觀測，沉降觀測以沉降觀測板為主，沉降觀測板尺寸為0.5 m×0.5 m×0.03 m 的鋼板，鋼測管直徑為4 cm， 觀測儀器為精度2 mm+2 Ppm 的TopconGTS311 型全站儀。 填筑初期沉降板固定于軟基表面（圖4），隨后測管隨路堤增高而接長。

3.2 軟基斷面變形特征

3.2.1 第一類軟基斷面變形特征

以K0+040 斷面監測數據為例進行分析，繪制施工階段路中沉降速率-時間、累計沉降量-時間的關系曲線（圖5a）。由圖5a 可知，在路堤填筑初期， 軟基沉降與路堤填高呈正比例增大的關系，近似呈現線性變形的特點，沉降速率在施工前3 個月始終保持在2～3 mm/d，這主要是因為換填處置后片石未經壓密且殘留厚度不同的軟基。 在此之后，沉降變化趨于平緩，沉降速率亦在逐漸變小。 對于此類軟基而言，其施工期整體沉降變形量不大，在80～120 mm 之間（其他斷面變形結果見表2），一方面是因為此類軟土地基自身厚度較小（1～3 m），而且換填的處理方式是將軟弱土層全部挖除換成片石， 地基承載力及抵抗變形的能力明顯提高。

3.2.2 第二類軟基斷面變形特征

以K0+460 斷面監測數據為例進行分析， 繪制施工階段路中沉降速率-時間、累計沉降量-時間的關系曲線（圖5b）。由圖5b 可知，施工初始階段軟土地基的沉降隨著路堤填筑高度的增大瞬間增大，后非線性增大，沉降速率在施工前3 個月始終保持在3～5 mm/d，累計沉降在60～80 mm 之間，曲線表明總沉降與沉降速率和填筑時間、填筑高度是正比例增大關系。 軟基經過塑料排水板處理后，土中孔隙水壓力會隨著填筑荷載的增加而逐漸消散，從而引起軟基變形， 但是因為孔隙水壓力消散的滯后性，使得該種方式處理后的軟基在施工期的沉降相對較小，主固結主要發生在工后，當孔隙水壓力轉變為有效應力時，沉降速率逐漸變小。

3.2.3 第三類軟基斷面變形特征

以K5+380 斷面監測數據為例進行分析， 繪制施工階段路中沉降速率-時間、累計沉降量-時間的關系曲線（圖5c）。由圖5c 可知，此類軟基斷面累計沉降量在30～60 mm 之間， 總沉降與沉降速率和填筑時間、填筑高度亦是正比例增大關系。 在施工初始階段， 軟土地基隨著施工填土而不斷地沉降，特別是在施工前1 個月，沉降速率1.5～2 mm/d，在此之后變為0.5～1 mm/d，主要是因為碎石樁處理后軟土地基自身強度增大的同時也增加了孔隙水壓力消散的通道，使得其在施工階段即能達到總沉降的70%～80%，并因為地基承載力增加能夠顯著降低累計沉降量。

圖5 典型斷面監測曲線

3.3 主要影響因素與沉降的關系

結合表2 中11 處典型斷面監測數據以及K0～K7 段其他30 個斷面的監測變形量進一步統計軟基厚度、填筑高度與沉降的關系，如圖6、7 所示。 由圖6 可知， 軟土地基處理方式不同沉降量亦不相同，路堤下軟弱土層厚度越厚，荷載傳遞后壓縮層厚度就越深，沉降量大體上是隨著軟基厚度增大而增大。 由圖7 可知，軟土厚度、填筑高度均與軟基沉降呈正比，同時也由于受到側向變形、路基寬度等因素的影響，并不呈現出線性增長的趨勢。

圖6 軟基厚度與沉降的關系

圖7 填筑高度與沉降的關系

總體而言：（1）換填的處理方式是將軟弱土層全部挖除換填，地基承載力及抵抗變形的能力明顯提高，沉降量僅發生在填筑初期且在施工期即已完成全部沉降量，沉降量大小與回填密實度和殘留軟基厚度有關；（2）塑料排水板處理后軟土地基在遭受路堤等上部荷重后， 孔隙水壓力消散存在滯后性，使得該種方式處理后的軟基在施工期的沉降相對較小，主固結主要發生在工后；（3）碎石樁處理后軟土地基自身強度增大的同時也增加了孔隙水壓力消散的通道，使得其在施工階段即能達到總沉降的70%～80%， 并因為地基承載力增加能夠顯著降低累計沉降量。

4 結論

目前西南地區基礎工程大量興建，對于高速公路穿越山區溝谷相軟基引發的路基沉降變形這一方面研究涉及較少。 本研究以西南地區某高速公路K0～K7 段為例，通過線路穿越段軟基的工程地質特征及工程施工特點對軟基斷面進行分類，并結合路堤填筑過程中地基沉降監測結果，探討不同軟基類型在路堤施工過程中的沉降規律。 研究結果表明：（1）根據研究區軟土地基厚度、路堤填筑高度及軟基加固方法，可將線路穿越段軟基分為3 類；（2）第一類軟基厚度為1～3 m，以換填為主，累計沉降在80～120 mm 之間；第二類軟基厚度為6～9 m，以塑料排水板處理方式為主， 累計沉降在60～80 mm 之間；第三類軟基厚度為9～12 m，以碎石樁處理方式為主，累計沉降在30～60 mm 之間；（3）同一大類軟基總沉降量和沉降速率差異不大，從沉降速率曲線上看， 總體表現為施工期前1～3 個月大于施工后期；（4）軟基厚度、填筑高度不同沉降量亦不相同，沉降量大體上是隨著軟基厚度增大、填筑高度增大而增大。 但不同處理方式的處理效果不同，導致最終沉降量及沉降發生階段也有所不同。 總體而言，在施工前期特別要控制填筑速率，以便維持軟基的穩定。