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(yè)發(fā)展，對公路質(zhì)量得到改善的同時，也重視對軟基處理的改進和發(fā)展。在軟土地區(qū)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(chǎn)生過量沉陷和側(cè)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(jié)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(wěn)定性；其次是改善地基土的壓縮性能，加速排水固結(jié)，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(nèi)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(zhì)，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(jié)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(jié)壓力增加而產(chǎn)生固結(jié)；為加速土層的固結(jié)，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(zhì)粘土、粉土和一般人工填土層等地質(zhì)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(wǎng)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(wěn)定性，抵抗地基不均勻的沉降能力。適用于土層性質(zhì)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(qū)海門鎮(zhèn)瀕臨南海，扼練江出海口，位于潮陽區(qū)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(zhì)特點為：地基上部存在軟土結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)層多屬淤泥、淤泥質(zhì)土，軟土層厚度很大，多呈流塑至軟塑狀態(tài)，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(gòu)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(jù)及試驗資料

2.2.1設計依據(jù)

路堤(含路面結(jié)構(gòu))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(shù)m(縱∶橫)∶1.5

路基的重力密度(kN/m3)∶19.5

路面結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)

表2 各級壓縮試驗荷載(針對壓縮特性及固結(jié)系數(shù)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(jié)，選擇袋裝砂井，并穿過軟土層，結(jié)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(nèi)的殘余沉降0.10m

路堤填筑經(jīng)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(jié)度計算

按經(jīng)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(jié)度。

砂井區(qū)總的平均固結(jié)度U

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

2.4.2地基沉降計算

主固結(jié)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(jié)沉降(m)；

n—壓縮土層內(nèi)土層分層的數(shù)目；

eoi—地基中各分層在自重應力作用下的穩(wěn)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(wěn)定孔隙比；

Δhi—地基中各分層的初始厚度(m)。

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

總沉降S∞采用沉降系數(shù)ms與主固結(jié)沉降計算：

S∞=msSc

ms=0.123γ0.7(θH0.2+VH)+Y

式中：ms—沉降系數(shù)，宜根據(jù)現(xiàn)場沉降觀測資料確定，也可采用經(jīng)驗公式估算；

θ—地基處理類型系數(shù)，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(shù)，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(zhì)因素修正系數(shù)，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(jié)沉降量ΔSi計算結(jié)果見表3。

表3 路基中軟土地基固結(jié)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(shù)細則》[4](JTG/T D31-02—2013)中式(4.3.5-1)。

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

沉降系數(shù)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(wěn)定性驗算

軟土地基路堤的穩(wěn)定驗算采用圓弧滑動法中的有效固結(jié)應力法。

穩(wěn)定計算安全系數(shù)F：

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

φcqi—地基土的內(nèi)摩擦角(°)，由固結(jié)快剪試驗測得；

Ui—地基平均固結(jié)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(shù)細則》[4](JTG/T D31-02—2013)中穩(wěn)定安全系數(shù)容許值(表4.2.6)，有效固結(jié)應力法在考慮固結(jié)安全系數(shù)為1.2，F(xiàn)=1.671滿足要求。

3 結(jié)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(jié)合。工程選用袋裝砂井輔以超載預壓(為防止地基突然發(fā)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(guī)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(zhì)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?yōu)橹袎嚎s性。項目完工通車運營六年來，未發(fā)現(xiàn)有明顯沉降，新舊路未有差異沉降，達到預期效果。