斜坡软土路基处治方案研究

2013-07-10王瑞甫胡兴尧

交通科技 2013年1期

龙森王瑞甫胡兴尧刘品

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳 550001）

我国西南地区公路建设过程中，在软质岩地层的沟谷斜坡上，常常遇到斜坡软土。斜坡软土为一种地区性岩土，是在特定地质、气候条件下形成的具有特殊性质的土体，除了具有常规软土天然含水率高、孔隙比大、高压缩性、低强度性等特点外，还具有成因复杂性、顺坡性、隐伏性、不均匀性和不连续性等特点。公路工程建设过程中如果认识和重视不够，处理措施不当，极易造成填方路堤基底滑移、路堤沉陷、路堑边坡滑坡、垮塌等危害［1］。斜坡软土路基处治是西南地区公路建设的难题之一。本文以驾欧至荔波高速公路（简称驾荔高速）斜坡软土路段为研究背景，借助现场勘察和理论分析等手段，对斜坡软土路基处治方案开展系统的研究，提出C20 素混凝土联合碎石桩（简称CM 桩）处治斜坡软土的设计方案，为今后类似工程提供典型的工程案例和借鉴资料。

1 工程地质条件

驾荔高速斜坡软土路基主要位于K8＋000～K9＋100段，路线沿一单向斜坡中下部布线，斜坡坡率一般为1∶10～1∶2.5之间，斜坡上主要为梯田，软土分布在沟谷地势低洼处和缓斜坡上，软土段落不连续。斜坡上软土表面存在1～3m 可塑状粉质粘土（硬壳层），硬壳层至基岩面之间为软塑状淤泥质粉质粘土；沟谷内地下水发育，软土为软塑状淤泥质粉质粘土。软土路段岩土体自上而下分成耕植土、粉质粘土（沟谷内缺失）、淤泥质粉质粘土，下伏三叠系下统罗楼组－紫云组（T1l－z）泥质灰岩、泥岩。

2 天然地基路堤稳定性评价

驾荔高速设置双向4车道，路基宽度为21.5 m，软土路段以填方路基通过，轴线最大填高13.7 m。为评价天然条件下填方路堤稳定性，笔者根据《公路路基设计规范》［2］第3.6.7，3.6.8条对软土路段型断面的路堤自身稳定性、路堤和地基的整体稳定性、路堤沿斜坡软弱层滑动的稳定性进行计算，计算结果见表1。本路段为填石路堤，路堤填料的参数采用以往工程经验值：γ＝23.0 kN／m3，c＝0kPa，φ＝35°。

表1 天然地基路堤稳定性安全系数计算表

由表1可知，FS1≥1.35，路堤堤身稳定性能满足规范要求；部分断面FS2＜1.20，其路堤和地基的整体稳定性较差，不能满足规范要求；FS3最大值为0.83，远小于规范规定的1.30，路堤沿斜坡软弱层滑动的稳定性不足，难以满足规范要求，路堤填筑后会导致填方边坡沿软弱层滑动，须进行治理。

3 处治方案技术经济比较

受路线总体方案控制，该路段已无平面线位调整的可能，须治理。根据该路段现场调绘及地勘资料，结合各软土段落的实际情况，提出了桥梁、换填、桩板墙、复合地基的4个处治方案。

3.1 处治方案技术比较

（1）桥梁方案。受路线平、纵、横指标限制，5段软土中仅K8＋530～K8＋760段适合设桥，其余4段软土采用桥梁方案不合理，须用其他处治方案，未能体现其安全、环保、占地少的优势。

（2）装板式挡土墙方案。该方案是在右侧路肩位置或路堤填方边坡上设抗滑桩支挡，桩间采用挡土板挡土，抗滑桩按悬臂8 m 控制，并设置排水盲沟排出露头的地下水，但桩板墙方案未对软土进行处治，存在路基沉降及路堤由桩顶滑移的隐患。

（3）换土填石。该方案可除尽软土，且路基排水性好、路堤稳定性高，但换填方案存在以下方面问题。首先，换填石料须远运。路段3km 范围内岩性以软质岩为主，遇水易软化，不能用于换填，换填石料需要从3km 外进行调运；其次，挖出的软土须远弃。本段为一单向坡，无弃土之地，须运至3km 外丢弃；再次，采用换填环保效应差。路段所在地联山湾风景秀美，属荔波大七孔三级景区边缘，换填大挖大填对环境影响大；最后，由于部分软土为隐伏型，换填需挖开1～3 m的硬壳层，浪费硬壳层的既有强度，且换填深度达7m，施工难度大及危险性大。

（4）复合地基方案。该方案为CM 桩处治，碎石桩置换、挤密、排水固结加固土体，C20素混凝土桩增强复合地基抗剪强度，确保斜坡路堤的稳定性。从CM 桩在玉三、三凯、贵新等高速公路处治斜坡软土的成功经验来看，具有较好的技术可行性。

3.2 处治方案经济比较

为直观比较4种处治方案所需费用，对各软土路段概况及其处治方案的费用进行统计，见表2。

表2 软土路段概况及处治费用比较表

综上所述，CM 桩处治斜坡软土路基具有良好的经济性，技术可行，环保效应好，为优选方案。

4 CM 桩处治方案

CM 桩呈正方形交叉布置，桩体直径d＝0.45m，桩间距s＝2.4m，采用振动沉管桩机，桩端应置于基岩上，桩顶铺0.5 m 的碎石垫层，有地下水露头位置增设横向排水盲沟，垫层顶部铺设土工格栅，见图1、图2。

图1 CM 桩平面布置大样图

图2 CM 桩处理典型横断面图

4.1 复合地基承载力计算

根据CM 桩的工作机理和受力特点，参考相关资料［3］，其复合地基承载力特征值采用下式进行估算。

式中：Ra1，Ra2为C桩、M 桩的单桩承载力特征值；fsk为桩间土承载力标准值；m1为C20素混凝土桩面积置换率；m2为碎石桩面积置换率；η1 为C20素混凝土桩承载力发挥系数；η2 为碎石桩承载力发挥系数；η3 为桩间土承载力发挥系数；Ap1为C20素混凝土桩桩身横截面面积；AP2为碎石桩桩身横截面面积。

复合地基承载力特征值计算参数及结果见表3。

表3 复合地基承载力特征值计算参数及结果表

计算得复合地基承载力特征值为255kPa，设计值取250kPa，能满足路堤填筑要求。施工时须进行荷载试验复核，如何不满足须进一步调整设计参数。

4.2 复合地基沉降与稳定计算

复合地基沉降一般分成两部分，即复合地基加固区沉降量和下卧层沉降量。本文复合桩基置于基岩面上，所以复合地基沉降仅为加固区沉降量。沉降和稳定计算将CM 桩和桩间土视为复合土体。沉降分析采用复合压缩模量来评价复合土体的压缩性，再用分层总和法进行沉降计算［4－5］；稳定分析采用复合土体综合强度指标进行。

式中：s为复合地基加固区沉降量；Δpi为第i 层复合土层上附加应力增量；Hi为第i 层复合土层的厚度；Espi为第i 层复合土层压缩模量；Ea1为C20素混凝土桩压缩模量；Ea2为碎石桩压缩模量；Esi为第i层桩间土压缩模量；csp，φsp第i层复合土层粘聚力及内摩擦角；ca1，φa1为C20素混凝土桩粘聚力及内摩擦角；ca2，φa2为碎石桩粘聚力及内摩擦角；csi，φsi为第i层桩间土聚力及内摩擦角；m1，m2意义同式（1）。

根据式（2）～（5）计算结果，在路堤填筑完成的条件下进行稳定和沉降分析，计算结果见表4。