高路堤中厚層軟土地基治理對(duì)策技術(shù)研究

劉桂宏

(四川西南交大土木工程設(shè)計(jì)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(qiáng)風(fēng)化泥巖（層厚1.80～8.30m）及中風(fēng)化泥巖。針對(duì)此段路基填方高、軟弱土層深的特殊情況，原設(shè)計(jì)采用水泥攪拌樁對(duì)地基進(jìn)行加固處理。

2020 年1 月10 日，該段填方路堤頂距設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)最大值2.5m。因此必須對(duì)失穩(wěn)路段進(jìn)行補(bǔ)救設(shè)計(jì)。

1 地質(zhì)概況

項(xiàng)目區(qū)軟土主要成因?yàn)樯介g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(xué)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(bǔ)給豐富。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探及室內(nèi)土工試驗(yàn)，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(qiáng)風(fēng)化泥巖

位于地表下11～13m，紫紅色，砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，巖芯呈長(zhǎng)柱狀，節(jié)長(zhǎng)10-20cm，局部差異風(fēng)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(jí)軟石。

＜12-1-3＞自流井組（J1-2z）中風(fēng)化泥巖

位于地表下13m 處以下，紫紅色，砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，巖芯呈長(zhǎng)柱狀，節(jié)長(zhǎng)15-40cm，局部差異風(fēng)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(jí)軟石。

各土層物理力學(xué)特性指標(biāo)表1.1

2 工程概況

為消耗棄方進(jìn)行“橋改路”，DK0+110～DK0+230段設(shè)計(jì)為高路堤，填方邊坡采用折線形放坡，一級(jí)邊坡高8米，坡比1：1.5，二級(jí)邊坡高12米，坡比1：1.75，邊坡平臺(tái)寬5m。一級(jí)邊坡坡面采用拱形骨架防護(hù)，二級(jí)邊坡坡面采用塊石碼砌護(hù)坡，二級(jí)平臺(tái)高度以下采用填石路堤。

地基為平均深11m的軟弱土，設(shè)計(jì)采用水泥攪拌樁進(jìn)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(xiàng)施工參數(shù)通過(guò)室內(nèi)配合比試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)成樁工藝試驗(yàn)確定；水泥加固土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90天齡期強(qiáng)度不小于1.8MPa，復(fù)合地基承載力不小于180KPa，樁頂鋪設(shè)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(cè)后開(kāi)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(shí)，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(jì)算路堤和天然軟土地基時(shí)，一般不考慮由于固結(jié)增長(zhǎng)的地基抗剪力；水泥攪拌樁是將水泥材料通過(guò)專用的機(jī)械在地基深部將軟土和固化劑強(qiáng)制拌和形成的具有較高強(qiáng)度的豎向加固體，提高復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度，并沒(méi)有提高地基土的固結(jié)度，進(jìn)而復(fù)合地基和路堤的整體穩(wěn)定性分析時(shí)，亦不考慮固結(jié)增長(zhǎng)的地基抗剪力（即地基固結(jié)度為0）[1][2]。原設(shè)計(jì)計(jì)算加固土樁與地基的整體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，將地基固結(jié)度假定為1 進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)識(shí)出現(xiàn)偏差。

（2）路堤上游匯水面積大，上游沿老溝槽補(bǔ)給的地下水豐富，導(dǎo)致軟弱地基飽水嚴(yán)重；隨著路堤填方加載，路堤填料垂直附加總應(yīng)力σ變化將導(dǎo)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(dǎo)致土體中的有效應(yīng)力σ'不斷降低，有效剪應(yīng)力τ'不斷減小，可導(dǎo)致路堤與地基整體失穩(wěn)破壞。

（3）復(fù)合地基設(shè)計(jì)承載力180KPa，當(dāng)路基填筑高9.3m 時(shí)，即填筑荷載約213.9kPa（路堤材料容重按23kN/m3考慮），加上施工車(chē)輛頻繁在填筑路堤頂通行，附加荷載已大于復(fù)合地基的極限填筑高度。路堤填筑速率過(guò)快，超過(guò)地基平均固結(jié)度提高至能承受填筑荷載的所需固結(jié)時(shí)間，可導(dǎo)致路堤與地基整體失穩(wěn)破壞。

3.2 定量分析

（1）原設(shè)計(jì)假設(shè)復(fù)合地基發(fā)生剪切破壞，樁體抗剪強(qiáng)度取室內(nèi)制備的加固土試件測(cè)得的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變（一般為0.5%～2%）較樁間土小得多，且水泥土的殘余強(qiáng)度小于其峰值強(qiáng)度，一般僅為峰值強(qiáng)度的60%～70%，樁和樁周土不能同時(shí)達(dá)到峰值，高估了水泥攪拌樁復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度，為了樁土的漸進(jìn)破壞，樁體和樁周土應(yīng)該選取合適的強(qiáng)度值，如進(jìn)行樁周土強(qiáng)度折減或樁體強(qiáng)度折減，樁體強(qiáng)度折減時(shí)通常取樁體的殘余抗剪強(qiáng)度，樁間土強(qiáng)度折減系數(shù)易取0.25。[3][4][5]

考慮折減后的樁體設(shè)計(jì)參數(shù)得：C = 216kPa， 通過(guò)樁土面積置換率可得復(fù)

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(fù)合地基與路堤的整體穩(wěn)定性破壞機(jī)理較為復(fù)雜，攪拌樁復(fù)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(dòng)法)分析攪拌樁復(fù)合地基上路堤的整體穩(wěn)定性時(shí)通常不能合理地計(jì)算地基的破壞荷載。當(dāng)水泥攪拌樁樁體強(qiáng)度較高，樁體剛度較樁間土剛度高很多時(shí)，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(chǔ)下的樁體以剪切破壞為主，但外側(cè)樁體則是撓曲破壞。[3][6]。

樁體發(fā)生撓曲破壞時(shí)，Kivelo(1999)[7]建議樁體的等效抗剪強(qiáng)度（τf）由以下公式計(jì)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)度（kPa）；D 樁體直徑（m）;

根據(jù)地勘資料與樁體設(shè)計(jì)參數(shù)得：Mu,max= 18.75 kN-m；；通過(guò)樁土面積置換率可得復(fù)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(shè)樁體發(fā)生撓曲破壞時(shí)的計(jì)算結(jié)果與考慮折減后的圓弧滑動(dòng)法計(jì)算結(jié)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(dòng)法中的有效固結(jié)應(yīng)力法計(jì)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(yàn)測(cè)定；φcqi—地基土的內(nèi)摩擦角，由固結(jié)快剪試驗(yàn)測(cè)定；Ui—地基平均固結(jié)度（%）；αi—土條地面與水平面交角； Li—土條地面弧長(zhǎng)（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(jì)算時(shí)不考慮固結(jié)增長(zhǎng)的地基抗剪力（即地基固結(jié)度為0），對(duì)以上兩種破壞模式下，進(jìn)行計(jì)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(chǎng)實(shí)際情況基本吻合。

4 治理設(shè)計(jì)

4.1 方案設(shè)計(jì)

（1）充分考慮到上游沿老溝槽補(bǔ)給的地下水豐富，設(shè)計(jì)采取截排上游地表來(lái)水，同時(shí)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(bǔ)給，隔離墻采用水泥攪拌樁隔離墻。

隔離墻設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)同原水泥攪拌樁設(shè)計(jì)，這種混合型漿液可快速完成流塑粒土的劈裂固結(jié)，達(dá)到快速防滲的目的。

（2）在路堤下游段設(shè)置排水盲溝，快速疏干老溝槽地基地下水，減小路堤加載過(guò)程中空隙水壓力對(duì)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(dāng)補(bǔ)增用地紅線，進(jìn)一步放緩坡率，設(shè)置反壓護(hù)道；

（4）在路堤邊坡適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置抗滑樁進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，以提高整體穩(wěn)定性。，計(jì)算得到坡腳設(shè)計(jì)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(jié)論

（1）水泥攪拌樁可提高復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度，并沒(méi)有提高地基土的固結(jié)度，復(fù)合地基和路堤的整體穩(wěn)定性分析時(shí)，亦不考慮固結(jié)增長(zhǎng)的地基抗剪力（即地基固結(jié)度為0）。

（2）高路堤深層軟基治理的對(duì)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(bǔ)給為主，在下游設(shè)置排水設(shè)施快速疏干地基溝槽水，減小路堤加載過(guò)程中空隙水壓力對(duì)整體穩(wěn)定性的不利影響。

（3）當(dāng)路堤與地基整體穩(wěn)定性不足時(shí)，可在路堤前緣設(shè)置抗滑支擋工程或反壓護(hù)道。