山區(qū)高等級公路厚層軟基路段預(yù)應(yīng)力管樁結(jié)合棄土反壓處理路基滑移分析

鄭繼祖

摘 要：隨著國家對節(jié)能環(huán)保的高度重視，復(fù)合地基處治措施和邊坡加固方案也朝著經(jīng)濟(jì)、綠色、低碳、節(jié)能、環(huán)保及可持續(xù)方面發(fā)展。本文以山區(qū)某一級公路厚層軟基處治為例，對厚層軟基采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行處治，同時結(jié)合棄土反壓解決路基滑移。實踐證明：該設(shè)計方案取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：路基滑移;濕軟黃土;預(yù)應(yīng)力管樁

中圖分類號：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0119-03

Analysis of Subgrade Slip Treated by Prestressed Pipe Pile Combined with Spoil Back Pressure in Thick Soft Foundation Section of High Grade Highway in Mountainousarea

ZHENG Jizu

（Gansu Communications Planning Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Lanzhou Gansu 730000）

Abstract： With the high attention of the state to energy conservation and environmental protection， the treatment measures of composite foundation and the reinforcement scheme of slope are also developing towards economy， green， low-carbon， energy conservation， environmental protection and sustainability. Taking the treatment measures of thick soft foundation of a class highway in mountainous area as an example， the prestressed pipe pile is used to treat the thick soft foundation， and the subgrade slip is solved in combination with the back pressure of spoil. Practice shows that the design scheme has achieved good social and economic benefits.

Keywords： subgrade slip;wet soft loess;prestressed pipe pile

1 工程概況

某雙向四車道一級公路，設(shè)計行車速度為80 km/h，整體式路基寬度為22.5 m，分離式路基寬度為11.25 m。受地形、地質(zhì)及投資限制，K8+960—K9+230段采用深挖路塹方案，中樁最大挖深為58 m，邊坡最大高度為89 m，地質(zhì)均為黃土。K9+320—K9+420段路基填土高度為21 m，該段路基位于多年形成的堰塞湖邊緣，路基右側(cè)邊坡傍山，路基寬度范圍和左側(cè)路基邊坡均位于堰塞湖中。一般情況下，堰塞湖中無積水，被當(dāng)?shù)鼐用癞?dāng)作耕地使用。雨季降雨較多，周圍山坡雨水均匯集于堰塞湖中，只能靠自然蒸發(fā)排出坑中積水。

2 地質(zhì)及水文條件

項目區(qū)屬隴西黃土高原西部，是青藏高原向黃土高原的過渡帶，系祁連山褶皺帶臨夏—臨洮向斜盆地的中心地帶，是夾于馬銜山—太子山之間的廣大紅層盆地與黃土丘陵地區(qū)。經(jīng)調(diào)查走訪，該堰塞湖主要成因為巨型山體滑坡堆積體堵塞原始溝道成分主要為全新統(tǒng)湖洪積濕軟黃土狀土，分布厚18.8～25.5 m。一般堰塞湖中心段分布較厚，接近堰塞湖邊緣厚度變薄，該層含水量高，多呈軟塑狀，承載力低，壓縮性高，比貫入阻力[PS]=484 kPa，壓縮模量[ES]=3.0 MPa，容許承載力[fa0]=60～75 kPa。上部主要為可塑黃土狀土，為硬殼層，厚4.5～5.5 m，比貫入阻力[PS]=1.54 MPa，壓縮模量[ES]=6.3 MPa，容許承載力[fa0]=100～120 kPa。下伏基巖為新近系砂質(zhì)泥巖，為隔水層?？辈炱陂g路基區(qū)無地表水。經(jīng)調(diào)查訪問，堰塞湖內(nèi)強(qiáng)降雨時期易形成地表匯水，影響溝道內(nèi)土體的工程力學(xué)性質(zhì)。

3 工程難點分析

第一，路線平縱面受小樁號側(cè)深挖路塹和大樁號側(cè)長段落濕軟黃土及排水的影響，調(diào)整余地受限，且周圍地形地質(zhì)條件復(fù)雜，路線沒有完全繞避該段的可能性。

第二，濕軟黃土層厚度較大，路基填筑后將面臨過大的工后沉降。

第三，路基填筑高度較大，高路堤橫向穩(wěn)定性差。

第四，路基底部濕軟黃土層分布厚度存在差別，路基填筑后易產(chǎn)生不均勻沉降，后期路面鋪筑后易產(chǎn)生縱橫向裂縫。

4 方案比選及分析計算

4.1 方案比選

項目為高等級公路，各項指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)要求高。由于項目里程較長，投資受限，設(shè)計方案應(yīng)從安全、實用、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等角度出發(fā)，著重考慮路線與地形、地貌、水文、地質(zhì)等的協(xié)調(diào)，工程建設(shè)應(yīng)與社會、人文環(huán)境相統(tǒng)一，堅持“人性化設(shè)計”“地質(zhì)選線”“環(huán)保優(yōu)先”“景觀協(xié)調(diào)”“可持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，避免過度設(shè)計，造成資源浪費。經(jīng)綜合分析，設(shè)計過程中提出兩個方案進(jìn)行分析比較。

方案一為路基方案。該方案的優(yōu)點是造價低，可充分利用路基和路側(cè)地形條件，設(shè)置整平區(qū)和填平區(qū)，以消化小樁號側(cè)路基挖方，盡可能減小本項目線外棄土的方量。整平區(qū)和填平區(qū)施工完成后復(fù)耕，對環(huán)境影響小，同時路基加寬填筑設(shè)置邊溝，可將上游堰塞湖積水（K9+760—K11+640段）通暢排出，避免路基在雨季受積水浸泡失穩(wěn)。雨季當(dāng)?shù)卮迕裆a(chǎn)生活安全性高，社會效益改善顯著。該方案的缺點是地基處理難度大，路基填筑后需要一定的沉降周期，施工時間較長。

方案二為橋梁方案。該方案的優(yōu)點是施工簡單，梁可提前預(yù)制，后期養(yǎng)護(hù)費用低，施工周期短，能保證質(zhì)量。該方案的缺點是造價高，橋梁岸坡開挖對環(huán)境影響較大，雨季堰塞湖中積水不能及時排除，積水浸泡坡腳使橋梁岸坡容易失穩(wěn)，穩(wěn)定性差，小樁號側(cè)挖土方不能得到有效利用，棄方量大，且路線上游堰塞湖水不能通暢排出，均匯集于路基（K9+760—K11+640段）兩側(cè)，路基容易失穩(wěn)或易產(chǎn)生不均勻沉降，而且雨季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全隱患大。

為確保安全，減小項目棄土方量，避免大量棄土引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害，同時保證上游堰塞湖水快速通暢排出，經(jīng)綜合對比分析，確定采用方案一，即采用路基方案通過該段堰塞湖。

4.2 分析計算

4.2.1 路基沉降處治計算。由于該段濕軟黃土狀土厚度較大，路基底部分布厚度存在差別，為盡可能消除或減小高填路堤的沉降和沉降差，經(jīng)水泥粉煤灰碎石CGF（Cement Fly-ash Gravel）樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、碎石樁等多種復(fù)合地基方案進(jìn)行比選論證，預(yù)應(yīng)力管樁具有一定的抗彎、抗壓性能，且具有單樁承載力高、施工速度快、工效高、工期短、污染小、檢驗方便、地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)、成樁質(zhì)量可靠等優(yōu)點，用于復(fù)合地基處理高速公路軟基路段時，管樁與樁間土能共同分擔(dān)上部荷載，能有效提高路基的承載力、減少總沉降量、降低工后沉降等[1]。最終確定采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁處理基底。

預(yù)應(yīng)力管樁以打穿濕軟黃土層為基本原則，樁底嵌入泥巖深度不小于1 m。對于管樁長度，采用打入樁貫入度的方式來具體控制每根樁的終孔樁長，確保每根樁均充分發(fā)揮作用。根據(jù)地勘資料和填土高度，建立最不利斷面處路基沉降計算模型，如圖1所示，荷載效應(yīng)采用最不利組合及其相應(yīng)抗力。由于剛性樁頂部路基填土?xí)纬梢欢ǖ耐凉靶?yīng)，隨著樁間距增大，樁間土發(fā)揮分擔(dān)作用也更大;由于路基兩側(cè)均設(shè)置填平區(qū)，其壓實度與路基壓實度相同，因此路基無橫向滑移條件，且樁在打入或壓入過程中，對地基具有較好的擠密作用，樁頂設(shè)置承臺與砂礫墊層后，樁體與周圍土體形成了較好的復(fù)合作用。因此，本次設(shè)計只對復(fù)合地基承載力進(jìn)行了驗算，不再進(jìn)行單樁承載力驗算。計算公式為[2]：

f=mR/A+β（1-m）f （1）

式中：f表示處理后樁間土承載力特征值，根據(jù)軟基規(guī)范，取天然地基承載力特征值;m表示樁土面積置換率;R表示單樁承載力特征值，由于單樁承載力[R]值計算中已考慮了分項系數(shù)，因此R=R;Ap表示單樁截面積，此處取管樁外徑換算的截面積;β表示樁間土承載力折減系數(shù)，取0.1～0.4，本項目濕軟黃土狀土取0.2。

樁間土可與樁形成復(fù)合地基，參照《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015），樁間土的壓縮性可忽略不計，最終沉降量計算公式為[3]：

式中：m表示樁端平面以下壓縮層內(nèi)土層分層的數(shù)目;n表示樁端平面下第j層土的計算分層數(shù);E表示樁端平面下第j層土第i個分層在自重應(yīng)力至自重應(yīng)力加附加應(yīng)力作用段的壓縮模量，MPa;Δh表示樁端平面下第j層第i分層的厚度，m;δ表示樁端平面下第j層第i分層的豎向附加應(yīng)力，kPa，可按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）附錄R計算;ψ表示樁基沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓こ虒崪y資料統(tǒng)計對比確定。

由于樁端均嵌入砂質(zhì)泥巖，樁端以下土層壓縮量不再進(jìn)行計算，因此本段軟土地基采用管樁處治后地基沉降量可忽略不計。

樁間距根據(jù)計算確定。地基土層自上而下依次為路基填土、黃土狀土、濕軟黃土狀土和砂質(zhì)泥巖。對于持力層為泥巖的樁承式路堤，管樁間距應(yīng)適當(dāng)加大，對管樁地基的承載力并不會產(chǎn)生較大影響，依然能保持較好的承載特性[4]。根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益對比，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁采用外徑40 cm、壁厚95 cm、樁間距2 m的梅花形布置，樁頂設(shè)置1.2 m×1.2 m×0.35 m的樁帽，樁帽采用C30混凝土現(xiàn)澆。路基沉降計算模型如圖1所示。

4.2.2 高路堤穩(wěn)定性分析。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基底土層含水率隨季節(jié)變化較大，路基發(fā)生滑移后，管樁的傾斜角度、破壞程度等難以度量，基底管樁所能提供的抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度無法測量[5]。因此，在高路堤穩(wěn)定性模擬計算時，預(yù)應(yīng)力管樁的抗剪強(qiáng)度值按照0 kPa考慮，即不考慮路基滑移破壞后管樁對地基的加固作用。路基滑移計算模型如圖2所示。

根據(jù)地質(zhì)條件及計算結(jié)果，路基正常填筑后，在天然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，非正常工況Ⅰ下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在地基土含水量變化較大的雨季，容易造成路基失穩(wěn)。該處地質(zhì)條件較差，采用支擋防護(hù)措施，防護(hù)構(gòu)造物穩(wěn)定性差，且費用較高。經(jīng)綜合比較，為確保路基安全穩(wěn)定，充分利用路基挖方在路側(cè)設(shè)置填平區(qū)，將堰塞湖采用路基挖余方填平，同時，為避免填平區(qū)壓實度不足，造成路基邊坡失穩(wěn)或產(chǎn)生裂縫，明確要求路基兩側(cè)填平區(qū)壓實度同路基壓實度，整平區(qū)填筑完成后，路基永久征地以外的區(qū)域復(fù)耕。此設(shè)計方案既減少了線外棄土，又增大了耕地面積，而且對路基起到反壓作用，極大地提高了路基的安全性，取得了良好的效果。

5 結(jié)語

高等級公路對路基沉降、邊坡穩(wěn)定等要求較高，軟基對路基而言極為不利，尤其是厚層軟基，路線布設(shè)時一般都采取繞避措施，避免過高的處置費用。為保護(hù)環(huán)境，控制挖方邊坡高度，減少棄方，在綜合對比分析的基礎(chǔ)上采用復(fù)合地基結(jié)合棄方反壓路基邊坡的處置措施，既消化了棄方，又有效解決了工程難題，而且處置費用相對較少，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。由于國內(nèi)對預(yù)應(yīng)力管樁抗剪強(qiáng)度研究較少，管樁加固對地基土的抗剪作用不能得到較好的計算分析，希望該項技術(shù)能在今后的工程實例和理論分析中得到進(jìn)一步研究和論證。

參考文獻(xiàn)：

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