花崗巖地區(qū)河谷相軟土路基處治與沉降變形特性

古鵬翔，劉先林，駱俊暉，張 濤

(1.廣西陽(yáng)鹿高速公路有限公司，廣西 南寧 530021；2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

高速公路屬于條帶狀構(gòu)筑物，其穿越區(qū)域沿線工程地質(zhì)條件復(fù)雜。軟土路基具有承載力低、變形不均勻、沉降量大且難以穩(wěn)定等特點(diǎn)，是地基處理領(lǐng)域需要重點(diǎn)解決的問題之一[1-2]。同一地理位置的區(qū)域性軟土，因其沉積環(huán)境和應(yīng)力歷史相似，具有相近的物理力學(xué)性質(zhì)；因此系統(tǒng)地研究同一區(qū)域內(nèi)軟土的工程性質(zhì)，對(duì)于該區(qū)域內(nèi)的道路建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。廣西花崗巖地區(qū)廣泛分布的河谷相軟土為中-高壓縮性土，具有力學(xué)強(qiáng)度低和靈敏度高的特征，此類軟土不能直接作為公路路基的持力層[3]。根據(jù)現(xiàn)有道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，需要對(duì)該類軟土進(jìn)行處治，滿足相關(guān)要求后，方可應(yīng)用于路基施工建設(shè)。

目前關(guān)于軟土路基沉降變形特征的研究都集中在我國(guó)沿海、沿湖和沿河等發(fā)達(dá)地區(qū)，軟土對(duì)象多為海相沉積或湖相沉積，對(duì)于西南地區(qū)河谷相軟土的工程性質(zhì)及其相應(yīng)處治措施方面的研究較少[4-6]。梁國(guó)錢等[7]為了研究浙江沿海地區(qū)軟土的工程性質(zhì)，基于66項(xiàng)軟土地基工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地研究了軟土的物理力學(xué)指標(biāo)、地域分布規(guī)律以及指標(biāo)間的相互關(guān)系；張繼周等[8]基于蘇中某高速公路提供的大量軟土室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)軟土土性參數(shù)的變異性特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；張濤等[9]通過歸納太湖沖積湖相軟土的沉降規(guī)律，提出了軟土沉降的經(jīng)驗(yàn)公式；徐超等[10]為采用水泥攪拌樁法加固連云港海相軟土地基，并提出了合理配比和施工方案；經(jīng)緋等[11]根據(jù)江蘇某高速公路的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水泥攪拌樁法治理地基的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，揭示了該治理方法地基沉降變形特性；López-Fernández等[12]證明西班牙Burata鐵路隧道沉降量取決花崗巖的風(fēng)化等級(jí)、花崗巖殘積土的厚度、地下水位下降的幅度等，且證實(shí)該隧道地基沉降量與花崗巖殘積土的厚度成正比；Sun等[13]基于微觀層面分析了顆粒的接觸方式以及顆粒的規(guī)則化處理下花崗巖殘積土的力學(xué)性質(zhì)；Fan等[14]通過室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)，驗(yàn)證了摻入石灰能改善花崗巖地區(qū)軟土的力學(xué)性質(zhì)，提高路基穩(wěn)定性和耐久性。

基于上述研究，本文以廣西花崗巖地區(qū)軟土的分布、工程性質(zhì)等基本信息為背景，在某高速公路軟土路基試驗(yàn)段進(jìn)行換填法和水泥攪拌樁法處治，根據(jù)換填法路段進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果和水泥攪拌樁路段進(jìn)行的單樁載荷試驗(yàn)結(jié)果，研究了兩種軟土路基處治方法的適用性和此類軟土路基的沉降變形特性。該研究結(jié)果對(duì)于花崗巖地區(qū)類似工程的軟土路基處理具有一定的參考價(jià)值。

1 廣西花崗巖地區(qū)河谷相軟土工程特性

貴港—合浦高速公路路線全長(zhǎng)為143.182 km，為雙向四車道，最高設(shè)計(jì)車速為120 km/h，路基寬度為28 m。該線路途經(jīng)典型的花崗巖地區(qū)河谷相軟土區(qū)域，軟土發(fā)育完全，分布范圍較廣，合計(jì)超過路線總長(zhǎng)的50%。

廣西花崗巖地區(qū)河谷相軟土主要分布于桂東南地區(qū)，即欽州—梧州一線之東南部。在廣西貴港、合浦、岑溪、興業(yè)等地區(qū)，花崗巖風(fēng)化殼厚度一般達(dá)20～50 m左右，殘積土層厚度約3～20 m，軟土面積約1.51萬(wàn)km2，約占廣西總面積的6.4%。

廣西花崗巖河谷相軟土多發(fā)育于風(fēng)化作用強(qiáng)烈的沖溝、谷地等低洼地帶，主要由河流沖洪積作用形成，軟土類型主要為淤泥質(zhì)砂土，其呈流塑狀或軟塑狀，厚度為2～6 m，局部達(dá)8 m。

根據(jù)勘察資料和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出貴港—合浦高速公路沿線花崗巖地區(qū)河谷相軟土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

該花崗巖地區(qū)軟土為河谷相沖洪積軟土，土質(zhì)類型為砂質(zhì)黏性土、淤泥質(zhì)黏性土和黏性土，其中黏性土和砂質(zhì)黏性土的天然含水率低于液限，根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007)[15]劃分為低液限黏性土，淤泥質(zhì)軟土的天然含水率接近或高于液限，為高液限黏性土。該類軟土含砂量高且含有砂礫或碎石夾層，具有高含水量、高壓縮性、低透水性等工程特性，若未經(jīng)處理直接作為路基持力層，容易使路基產(chǎn)生不均勻沉降、震陷等危害，影響路用性能及行車安全[16-17]。

表1 貴港—合浦高速公路沿線花崗巖地區(qū)河谷相軟土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 軟土路基處理方法

根據(jù)貴港—合浦高速公路沿線軟土路基工程性質(zhì)的不同，選擇不同的治理方法，結(jié)合不同區(qū)域軟土的厚度及其分布范圍，確定該高速公路軟土路基此次試驗(yàn)段分別進(jìn)行換填法和水泥攪拌樁法處治，同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，探討兩種軟土路基處治方法的適用性。

2. 1 換填法

本文選擇該高速公路沿線其中的400 m作為換填路段，該區(qū)域軟土厚度平均為2.5 m，軟土層下依次有2.7～4.7 m的粉質(zhì)黏土層、強(qiáng)—中風(fēng)化花崗巖，軟土多為淤泥質(zhì)軟土，力學(xué)強(qiáng)度低。選擇換填法處治該區(qū)域軟土的原因是：①軟弱層較薄，分布范圍小；②換填法適用于處理厚度h≤3 m范圍內(nèi)或厚度在3 m

該工程建設(shè)沿線存在豐富的風(fēng)化花崗巖、花崗巖殘積土以及碎石、河砂等天然建筑材料。在綠色建設(shè)的要求下，換填處治路段的換填材料本著就地取材、方便施工和節(jié)約建設(shè)成本的原則，主要選用花崗巖殘積土、風(fēng)化花崗巖和碎石3種材料。換填材料的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 換填材料的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

按照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2004)[18]的要求，花崗巖殘積土作為填料，其強(qiáng)度、壓實(shí)度和物理力學(xué)性能需滿足以下要求：液限wL<50%，塑性指數(shù)IP<26,填筑碾壓時(shí)含水率不得超過最佳含水率的±2%，加州承載比CBR值≥3%；石料強(qiáng)度一般要求不小于30 MPa，片石的填料最大粒徑不大于500 mm，且不宜超過層厚的2/3,碎石要求壓碎值小于20%。對(duì)照表2中的測(cè)試結(jié)果，本試驗(yàn)段換填料的各項(xiàng)工程性質(zhì)指標(biāo)滿足規(guī)范的要求。填筑方案中片石主要用于基坑施工地下水水位以下部分的換填；碎石主要用于片石換填層表面平整。具體填筑方案為：坑底以上0.5～1.5 m范圍內(nèi)填筑片石，片石層表面填筑0.3 m的碎石平整，碎石層以上至路面標(biāo)高填筑花崗石殘積土，施工采用分層填筑并壓實(shí)。

2. 2 水泥攪拌樁法

本文選擇該高速公路沿線軟土厚度3～7 m的路段采用水泥攪拌樁法進(jìn)行治理，該試驗(yàn)路段軟土主要為粉質(zhì)黏土，其下有砂質(zhì)黏土層和花崗巖，可視為不透水層。水泥攪拌樁法處治軟土厚度的適用范圍為3.5～10 m，本次所選路段完全滿足該要求；同時(shí)，該處治方法對(duì)提高軟土地基承載力較為明顯，具有施工速度快等優(yōu)勢(shì)。本次攪拌樁間距設(shè)置為1.3 m，樁長(zhǎng)為6.5 m，樁徑為0.5 m，水灰比選用0.45～0.55，水泥配合比(質(zhì)量比)為M水泥∶M土∶M水=1∶4.38∶0.5，采用“四噴四攪”法成樁。

3 軟土路基承載力與沉降變形特性分析

3. 1 軟土路基承載力分析

在換填法試驗(yàn)路段，當(dāng)換填達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，選擇3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，分別為ZK1、ZK2、ZK3，3個(gè)點(diǎn)之間的間距分別為29.1 m、22.7 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的目的是定量評(píng)價(jià)該路段軟土路基的承載力，檢驗(yàn)換填法處治的效果。3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果，見圖1至圖3。

圖1 換填期與竣工后ZK1試驗(yàn)點(diǎn)軟土路基的標(biāo)準(zhǔn) 貫入擊數(shù)Fig.1 Blow counts of SPT at ZK1 before and after construction process

本次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[19]計(jì)算3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的軟土路基承載力。

由圖1可見，換填期ZK1試驗(yàn)點(diǎn)軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為6～20擊，平均值為11.7擊，地基承載力為359 kPa；竣工后ZK1試驗(yàn)點(diǎn)軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)明顯增加，為14～25擊；深度12.55～15.05 m范圍為原換填土層，該層平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為19.7擊，地基承載力為545 kPa，約為換填期的2倍。

圖2 換填期與竣工后ZK2試驗(yàn)點(diǎn)軟土路基的標(biāo)準(zhǔn) 貫入擊數(shù)Fig.2 Blow counts of SPT at ZK2 before and after construction process

由圖2可見，換填期ZK2試驗(yàn)點(diǎn)軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為6～16擊，平均值為14.5擊，地基承載力約為359 kPa；竣工后ZK2試驗(yàn)點(diǎn)軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為11～24擊，軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)-深度曲線在深度為13.75 m處轉(zhuǎn)折，軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)隨深度增大而減??；原換填土層平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為16.7擊，地基承載力約為421 kPa，對(duì)比換填期地基承載力得到了提高。

圖3 換填期與竣工后ZK3試驗(yàn)點(diǎn)軟土路基的標(biāo)準(zhǔn) 貫入擊數(shù)Fig.3 Blow counts of SPT at ZK3 before and after construction process

由圖3可見，換填期ZK3試驗(yàn)點(diǎn)軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為8～17擊，平均值為13.8擊，地基承載力約為343 kPa；竣工后ZK3試驗(yàn)點(diǎn)軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為11～27擊，在深度14.15 m以下軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)降低顯著，遠(yuǎn)小于上部填土；原換填土層平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為16.4擊，地基承載力約為382 kPa，略大于換填期。

該路段軟土路基填高為12.5～13.5 m，估算路基所需承載力為237.5～256.5 kPa，換填期與竣工后試驗(yàn)點(diǎn)地基承載力均超過設(shè)計(jì)值，表明換填土層整體力學(xué)強(qiáng)度滿足要求。

換填期軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)在0～2.4 m時(shí)隨深度的增加而增加，當(dāng)深度大于2.4 m后軟土路基的標(biāo)準(zhǔn)貫入次數(shù)隨深度的增加而減小，原因是在深度為2.4 m處是換填層，深度增加受地下水的影響其強(qiáng)度降低；竣工后原換填土層地基承載力均大于換填期，說明換填土在上部填筑荷載作用下變得密實(shí)，地基承載力得到提高，其中ZK1試驗(yàn)點(diǎn)地基承載力提高最為顯著。原地面以上路堤填土基本為花崗巖殘積土，整體標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為14～27擊，力學(xué)強(qiáng)度較好，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知，該路段軟土層薄，換填后路基承載力較高，處治效果良好，沿線花崗巖殘積土作為換填材料具有高可行性。

針對(duì)水泥攪拌樁法處治路段的復(fù)合地基，選擇單樁進(jìn)行地基承載力檢測(cè)，地基承載力分8級(jí)進(jìn)行逐級(jí)加載，總荷載為300 kPa，是地基承載力設(shè)計(jì)值的2倍。水泥攪拌樁單樁載荷試驗(yàn)的荷載-沉降曲線，見圖4至圖6。

圖4 1號(hào)樁單樁載荷試驗(yàn)的荷載-沉降曲線Fig.4 Loading-settlement curves of No.1 pile in the single pile loading test

由圖4可見，1號(hào)樁基在試驗(yàn)荷載逐級(jí)加載至300 kPa時(shí)的總沉降量為12.94 mm，其沉降量不大；當(dāng)荷載加載至為75 kPa時(shí)，沉降量為4.37 mm，約占總沉降量為1/3。

圖5 2號(hào)樁單樁載荷試驗(yàn)的荷載-沉降曲線Fig.5 Loading-settlement curves of No.2 pile in the single pile loading test

由圖5可見，2號(hào)樁基在試驗(yàn)荷載逐級(jí)加載至300 kPa時(shí)的總沉降量很小，只有7.78 mm，當(dāng)荷載加載至為75 kPa時(shí)，其沉降量為3.55 mm，約占總沉降量的一半。1、2號(hào)樁基在施加荷載初期沉降量顯著，其占總沉降量的比值較大，這是由于花崗巖地區(qū)軟土初始含水率高，加載初期沉降速率較大；1、2號(hào)樁基荷載-沉降曲線總體變化緩慢，當(dāng)加載達(dá)到設(shè)計(jì)荷載2倍時(shí)樁基未破壞，按破壞極限荷載確定地基承載力，取設(shè)計(jì)荷載的2倍作為最大加載力，地基承載力特征值為最大加載力的一半，其值為150 kPa。

由圖6可見，3號(hào)樁基在試驗(yàn)荷載逐級(jí)加載至300 kPa時(shí)的總沉降量為55.90 mm，其沉降量隨著荷載的增加而加速沉降，這與地基軟土的高壓縮性有關(guān)。

單樁荷載試驗(yàn)承壓板的總沉降量與承壓板直徑的比值大于0.06，荷載-沉降曲線無(wú)明顯的比例界限，地基承載力特征值按相對(duì)變形值確定，取s/d=0.006所對(duì)應(yīng)的壓力(其中s為荷載試驗(yàn)承壓板的沉降量；d為承壓板直徑)，其計(jì)算結(jié)果為214 kPa，大于最大加載壓力的一半150 kPa，按最大加載壓力的一半作為地基承載力特征值。3個(gè)試驗(yàn)樁的最大加載壓力都是300 kPa，試驗(yàn)樁的承載力取地基承載力特征值的平均值，所以水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值為150 kPa，滿足公路路基設(shè)計(jì)的要求。

3. 2 軟土路基沉降變形分析

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件、軟土路基處治方法、路基填土高度等情況，本文選取不同的觀測(cè)剖面，通過埋設(shè)沉降板對(duì)軟土路基的沉降變形情況進(jìn)行觀測(cè)。在換填路段分別在斷面K01左11 m、K01右11 m、K02左11 m和K02右11 m處設(shè)置4塊沉降板，用以監(jiān)測(cè)軟土路基施工期間的沉降變形。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，將軟土路基各斷面的沉降量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)軟土路基各斷面實(shí)際沉降量值，見表3。

表3 軟土路基各斷面沉降量的監(jiān)測(cè)值

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該路基在斷面K01左11 m原地面標(biāo)高處的沉降量為22.17 mm，在斷面K02左11 m地面以上1.42 m標(biāo)高處的沉降量為16.14 mm，在斷面K01右11 m地面以上4.8 m標(biāo)高處的沉降量為12.54 mm，在斷面K02右11 m地面以上4.64 m標(biāo)高處的沉降量為14.93 mm，說明沉降主要發(fā)生在軟土路基部分，上部路基填土經(jīng)振動(dòng)碾壓后沉降量較小。由此可見，沉降板埋設(shè)的標(biāo)高越低，上部路堤填土厚度越大，相應(yīng)的路堤荷載也就越重，其沉降量越大。另外，相似標(biāo)高的路基兩側(cè)沉降值并不完全一致，沉降板4比沉降板3的沉降量稍大，這是由于K02斷面左側(cè)地基地質(zhì)條件相對(duì)于右側(cè)較差導(dǎo)致。

在水泥攪拌樁法治理軟土路基段設(shè)置沉降盤用來監(jiān)測(cè)治理路基的沉降，根據(jù)沉降盤監(jiān)測(cè)的沉降量數(shù)據(jù)繪制軟土路基荷載-沉降時(shí)程曲線，見圖7。水泥攪拌樁法治理軟土路基的沉降經(jīng)歷三個(gè)階段，即發(fā)生階段、發(fā)展階段和穩(wěn)定階段。加載初期，由于荷載較小，地基處于彈性變形階段，地基沉降量緩慢增加，在45 d內(nèi)該地基沉降量高達(dá)107 mm，而總沉降量為215 mm；隨著荷載的逐級(jí)增加以及加載時(shí)間的增長(zhǎng)，地基中孔隙水因地基壓實(shí)而逐漸排出，超靜水壓力逐漸消失，地基產(chǎn)生壓縮變形，進(jìn)入塑性階段，該階段沉降速率小于初期沉降速率；隨著荷載的逐級(jí)增大，地基沉降量也隨之增大，當(dāng)填筑結(jié)束時(shí)地基沉降量已經(jīng)達(dá)到201 mm，283 d后停止加載，地基孔隙水壓力接近完全消散，固結(jié)過程尚未完全完成，土骨架出現(xiàn)蠕變變形，地基沉降量隨時(shí)間推移以極小速率增加，在283～378 d內(nèi)地基沉降量?jī)H為14 mm，說明固結(jié)沉降基本完成，地基沉降趨于穩(wěn)定。

圖7 軟土路基荷載-沉降時(shí)程曲線Fig.7 Time history curve of loading-settlement curves of the soft soil subgrade

由圖7可見，軟土路基荷載-沉降時(shí)程曲線具有相似的走勢(shì)，填筑期地基沉降量占總沉降量的比例較大，停止加載后地基沉降逐漸趨于穩(wěn)定，這是由于地基在填筑荷載分級(jí)逐級(jí)加載過程中，孔隙水壓力經(jīng)歷了增長(zhǎng)—消散—增長(zhǎng)—再消散的過程，隨著時(shí)間的增加，地基孔隙水壓力消散的速率逐漸減慢，在填筑結(jié)束后，地基孔隙水壓力趨于完全消散?？梢?，地基沉降量值隨著填筑荷載的增加而呈現(xiàn)階梯狀增長(zhǎng)，反映出在荷載逐級(jí)加載作用下地基土沉降發(fā)展的特征。

由于花崗巖地區(qū)軟土的初始含水率高、壓縮性大，在加載初期軟土路基的沉降速率遠(yuǎn)大于后期沉降速率，在荷載作用初期地基迅速沉降，45 d內(nèi)地基沉降量達(dá)到107 mm，約占總沉降量的50%；軟土路基在加載期間，沉降速率較大，停載一段時(shí)間，沉降速率的變化趨于平緩，軟土路基沉降基本經(jīng)歷了發(fā)生—發(fā)展—穩(wěn)定的變化過程，與軟土固結(jié)變形特點(diǎn)相吻合。

4 結(jié) 論

(1) 廣西花崗巖地區(qū)廣泛分布的河谷相軟土厚度變化較大，主要由黏性土和淤泥質(zhì)土構(gòu)成，軟土呈軟塑狀和流塑狀，其強(qiáng)度低和壓縮性大，采用換填法對(duì)軟土路基進(jìn)行處理，處理后地基承載力高于300 kPa，滿足路基設(shè)計(jì)的要求。換填路段的沉降主要集中在換填層以下的軟土路基，上部換填層沉降較小。

(2) 水泥攪拌樁法復(fù)合地基沉降基本發(fā)生在填筑期。在填筑期以較小填土高度分級(jí)加載，可避免軟土路基瞬時(shí)沉降過大而減緩排水速率、延長(zhǎng)固結(jié)時(shí)間。加載初期軟土路基沉降速率遠(yuǎn)大于后期沉降速率，短期內(nèi)沉降量達(dá)到總沉降量的50%。

(3) 換填法充分利用沿線花崗巖殘積土作為填料，極大地降低了工程造價(jià)；水泥攪拌樁法處治軟土路基穩(wěn)定速度快、工后沉降小。因此，在花崗巖地區(qū)河谷相淺層軟土厚度較小路段(小于3 m)首選換填法處治，而在軟土厚度大、工后沉降控制嚴(yán)格路段(大于3 m)宜優(yōu)先考慮水泥攪拌樁法處治。