斜坡软弱地基站场路堤加固方案现场试验研究

曾永红

(中铁二院工程集团土建二院，四川成都 610031)

1 概述

斜坡软弱土是指其表面或底部具有一定的斜坡坡度的软弱土，根据其成因可大致分成四类——丘间谷地相沉积软土或软粘土、非沉积的岩堆、湖泊边缘沉积土、斜坡[1]。在斜坡软土上修筑路堤，尤其是高路堤，地基的变形与稳定问题较为突出。一般认为，在路堤荷载作用下，斜坡软弱土地基中产生的剪切应变、水平变形在下坡一侧坡脚附近集中，水平变形及竖向沉降通常较水平软弱土地基要大，加固措施宜从提高地基承载力与限制地基侧向变形入手，将地基处理与抗滑并举[2-4]。但对于各种加固措施的加固效果及加固措施的合理选择研究较少。

某新建铁路地处西南山区，沿线地形、地质条件复杂，沿线多处分布有斜坡软弱土，多属丘间谷地相沉积软土或软粘土，系由于水流搬运岩石风化产物和地表有机物质在低洼处沉积而成。部分地段路堤边坡高度在14 m以上，为保证工程安全、限制变形，需选择适当的工程措施。结合这一背景选取DK123+462，DK123+497两断面进行了路堤及地基的沉降与水平变形的测试，比较了在打入桩(振动沉管钢筋混凝土灌注桩)加固和抗滑桩加固的效果，分析了后施工打入桩对塑料排水板效果的影响。

2 试验设计

2.1 工点概况

试验工点场地属浅丘沟槽地貌，相对高差约50 m，丘坡上多为旱地，沟槽内为种植水田或鱼塘荷塘。线路以填方横穿沟槽，沟槽地面横坡坡度约10°～15°;地表覆盖第四系坡洪积砂粘土，呈软塑～硬塑状，局部呈流塑状，含少量砂质角砾，层厚4 m～8 m，主要物理力学指标如表1所示;下伏基岩为泥岩夹砂岩，表层1 m～2 m风化严重。路基面宽约21.33 m～38.42 m，路堤中心填高约7 m～15 m，填方边坡高度最大约15 m，左侧(下坡一侧)边坡分两级，一级边坡高6 m～10 m，一、二级边坡坡度均为1∶1.5，两级边坡间设宽8 m～12 m的护道，路堤底部铺设垫层，其结构为0.5 m厚砂砾石夹一层双向40 kN/m的土工格栅，典型断面如图1所示。地基采用竖向排水板+打入桩或抗滑桩加固，其中DK123+440～DK123+520范围内设置竖向排水板，间距2 m，呈梅花形布置，打入深度8 m;DK123+440～DK123+480范围左侧软基采用打入桩群加固，桩径0.4 m，桩长平均8 m，间距2 m，梅花形布置;DK123+466～DK123+518范围软基采用抗滑桩侧向约束，沿线路纵向布置于护道外侧边缘，截面1.5 m×2.75 m，桩长为17 m～22 m，桩间距为6 m。

表1 砂粘土主要物理力学指标均值

2.2 试验方案

选取DK123+462，DK123+497两断面为测试断面。DK123+462断面路基面宽23.46 m，路堤中心高10.6 m，DK123+497断面路基面宽31.14 m，路堤中心高11.4 m，两断面边坡如前所述。DK123+497断面前后两抗滑桩(DK123+494，DK123+500)浇筑前，在桩中心布置了两根测斜管，观测桩身侧向变形;路堤施工前，分别在左侧二级边坡坡脚、一级边坡坡脚(延伸)、一级边坡中心、左路肩、路堤中心5个位置布置了测斜管以观测地基水平变形;在前述5个位置及右路肩、右边坡坡脚7个位置地表处布置了沉降板以观测地基沉降，具体的测点布置如图2所示。路堤施工过程中，测斜管及沉降板均随路堤填高的增加而接长。

3 试验数据及分析

试验段路堤填筑从2003年2月28日开始～2003年5月7日结束，历时69 d。路堤填筑结束后分别于2003年7月17日，10月3日，12月23日和2004年12月19日进行了四次定期观测。试验数据如下:

1)地基沉降。两断面地基沉降如图3所示，沉降与时间及路堤填高的关系曲线如图4所示，图4中的沉降值为路基面范围内地基沉降的均值。由图3可知，DK123+462断面地基沉降表现为左侧小右侧大，最大沉降发生在右路肩下，观测期末其值为0.25 m，这与地基处理范围有关，该断面位于打入桩处理区域，但打入桩处理范围为左侧二级边坡坡脚至路堤中心;DK123+497断面地基沉降表现为左路肩下大，其余地方小，其中最大沉降出现在左侧路肩下，观测期末其值为0.316 m。将两断面观测期末的地基总沉降值列于表2中，可看出，DK123+462断面的沉降比DK123+497断面小，但路堤中心、右路肩两处相反，这与DK123+462断面路堤中心处于打入桩处理范围的边缘、右路肩与右边坡坡脚在抛石挤淤的处理范围之外有关，这也证明了打入桩加固减少地基沉降的有效性。

表2 两断面观测期末地基沉降值 m

图4表明，路堤施工期内，地基沉降增长较快，462断面及497断面的沉降速率分别为1.94 mm/d，2.24 mm/d，施工期后沉降速率减缓趋于稳定，工后 0 d～71 d，71 d～230 d，230 d～593 d 462断面的沉降速率分别为0.51 mm/d，0.01 mm/d，497 断面的沉降速率分别为0.36 mm/d，0.03 mm/d。若将工后593 d的地基沉降近似为最终沉降则施工期末的固结度分别为79.4%(462断面)、82.7%(497断面)，可以认为塑料排水板的工程效果较为明显，同时考虑到462断面的处理措施为打入桩与塑料排水板共同作用，施工时为间隔布置，施工顺序为先排水板后打入桩，结合地基固结度数据，可以认为后施工打入桩会对塑料排水板的排水效果造成一定的影响。图4还表明，462断面路堤中心填高大于497断面，但路基面下地基的平均沉降小于后者。若定义地基沉降与路堤高度的比值为单位路堤高度的沉降，则施工期末、工后71 d、工后230 d、工后593 d 462断面的单位路堤高度的沉降分别为0.014 m，0.017 m，0.017 m，0.018 m，497 断面的分别为 0.018 m，0.020 m，0.021 m，0.021 m。综上所述，可以认为打入桩处理软土地基能有效减小地基沉降，且优于抗滑桩方案。

2)地基水平变形。两断面地基水平变形如图5所示。地表水平位移的分布曲线如图6所示。路堤施工过程中及后续观测过程中，462断面的路堤中心、左路肩处及497断面路堤中心、左路肩处、左侧一级边坡中心五处测斜管先后损坏，所测数据不完整。

由图5可知，两断面地基水平变形偏向下坡一侧(左侧)，主要发生在左路肩以外的地基内，沿深度分布在地表至地表以下6 m～7 m的范围内，路堤中心处地基水平变形较小。最大水平变形发生在左侧一级边坡中心(延伸)处，应指出的是从最终结果来看497断面该位置处地表变形是小于左侧一级边坡坡脚(延伸)的，但考虑到该断面左侧一级边坡中心处测斜管在施工期末损坏，后期变形未能测得，且损坏前相同时刻的水平变形是大于该断面其他部位的，因而可以认为该处水平变形是497断面上最大的。为考察打入桩方案及抗滑桩方案减小地基水平变形的效果，将两断面各测点的地表水平变形列入表3，由于部分测斜管在不同时期损坏，为方便比较，列入数据时的选择原则为:1)相同时刻;2)取最后一次观测数据，若两断面相同部位的最后一次观测时间不一致，则统一选择时间较近一次的数据。

由表3可看出，打入桩(沉管灌注桩)方案约束软弱地基水平变形的效果优于抗滑桩方案。取左侧一级边坡坡脚及二级边坡坡脚的水平变形平均值，定义变形系数如下:

若变形系数随路堤填高及时间延长而逐渐增大，表明地基的侧向变形增长快于竖向压密(固结)沉降，地基存在失稳的可能，若变形系数逐渐减小，则表明地基变形以竖向沉降为主，地基趋于稳定。462断面与497断面的变形系数与时间关系曲线如图7所示。需要指出的是497断面左侧二级边坡坡脚处地表侧向变形在工后的突然增大是施工原因导致的，路堤填筑完成后施工单位修建边沟，沟底设计标高低于了测斜管管口标高近2 m，边沟完成后在该处形成了临空面，导致了该处后期侧向变形突然增大，与之相邻的左侧一级边坡坡脚处的测斜管未发生这种突然增大的侧向变形。因此497断面的变形系数的分子取左侧一级边坡坡脚处的地表水平变形。

表3 两断面地表水平位移值比较 mm

462断面与497断面的变形系数与时间关系曲线如图7所示。

由图7可知，路堤填筑初期变形系数快速增加，而后逐渐减小，观测期末趋于稳定。由于地基沉降由三部分组成，第一部分是由于地基侧向变形引起的;第二部分是由主固结引起的;第三部分是次固结引起，一般情况下这部分较少考虑。填筑初期地基侧向变形主要由地基侧向变形引起，坡脚处侧向变形增长快于地基沉降，之后路堤荷载作用下地基排水固结，地基沉降由侧向变形及主固结引起，增长速度逐渐快于坡脚侧向变形，路堤填筑完毕后，若将地基视为线弹性体则地基侧向变形及沉降均不会继续增加变形系数将为一恒定值，但实际情况并非如此，地基将持续固结且会有蠕变，地基沉降与侧向变形均会增加，在地基稳定的前提下前者增长速度应快于后者，变形系数应缓慢降低或基本不变，考虑到试验误差，可以认为462断面与497断面均处于稳定状态。

综上所述，打入桩方案与抗滑桩方案均有助于提高地基稳定性，前者在整个加固范围内限制地基水平变形，而抗滑桩则将水平变形约束于桩前。综上所述，对于斜坡地基的处理原则应为“抗滑”解决稳定问题，“治软”进一步解决变形问题，二者应结合使用，对于斜坡软弱地基，还应加上排水固结措施，加快地基施工期固结，提高地基强度，减小工后沉降及侧向变形。

4 结语

针对某新线铁路具体工点的情况，进行了现场试验测试了抗滑桩+袋装砂井、打入桩+袋装砂井两种处理措施加固软基的地基变形，并结合现场情况进行了无加固措施、打入桩加固、抗滑桩加固、打入桩+抗滑桩加固四组离心模型试验，测试了地基变形，根据试验数据进行了分析比较，得出如下结论:1)斜坡软弱土地基的水平变形主要发生在下坡一侧坡脚至路堤中心范围内，沉降变形主要发生在护道坡脚至路基中心范围内;2)打入桩加固和抗滑桩加固均能保证斜坡软弱地基的稳定性，有效约束地基的水平变形与沉降变形，但前者的效果更好;3)抗滑桩加固软弱地基应防止桩间溜滑及桩后土体失稳，当地基过于软弱时应考虑与其他措施如排水固结或小型群桩结合使用;4)打入桩与塑料排水板共同加固软弱地基时会相互影响，在先施工塑料排水板的情况下，后施工的打入桩会挤密土体，降低塑料排水板的排水效果。

[1] 吴邦颖，张师德，陈绪禄.软弱土地基处理[M].北京:中国铁道出版社，1995:2-3.

[2] 魏永幸.松软倾斜地基填方工程安全性评价方法[J].地质灾害与环境保护，2001，12(2):73-75.

[3] 魏永幸.内昆铁路李子沟斜坡软弱土特性及路基工程对策[J].地质灾害与环境保护，2000，11(2):104-106.

[4] 尤昌龙.高原斜坡软土地基处理实践[J].岩石力学与工程学报，2003，22(1):126-130.