花岗岩地区河谷相软土路基处治与沉降变形特性

2020-05-21古鹏翔刘先林骆俊晖

安全与环境工程 2020年2期

古鹏翔，刘先林，骆俊晖，张涛

(1.广西阳鹿高速公路有限公司，广西南宁 530021；2.广西交通设计集团有限公司，广西南宁 530029;3.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)

高速公路属于条带状构筑物，其穿越区域沿线工程地质条件复杂。软土路基具有承载力低、变形不均匀、沉降量大且难以稳定等特点，是地基处理领域需要重点解决的问题之一[1-2]。同一地理位置的区域性软土，因其沉积环境和应力历史相似，具有相近的物理力学性质；因此系统地研究同一区域内软土的工程性质，对于该区域内的道路建设具有重要的指导意义。广西花岗岩地区广泛分布的河谷相软土为中-高压缩性土，具有力学强度低和灵敏度高的特征，此类软土不能直接作为公路路基的持力层[3]。根据现有道路路基设计规范的要求，需要对该类软土进行处治，满足相关要求后，方可应用于路基施工建设。

目前关于软土路基沉降变形特征的研究都集中在我国沿海、沿湖和沿河等发达地区，软土对象多为海相沉积或湖相沉积，对于西南地区河谷相软土的工程性质及其相应处治措施方面的研究较少[4-6]。梁国钱等[7]为了研究浙江沿海地区软土的工程性质，基于66项软土地基工程试验数据，系统地研究了软土的物理力学指标、地域分布规律以及指标间的相互关系；张继周等[8]基于苏中某高速公路提供的大量软土室内试验数据，对软土土性参数的变异性特征进行了统计分析；张涛等[9]通过归纳太湖冲积湖相软土的沉降规律，提出了软土沉降的经验公式；徐超等[10]为采用水泥搅拌桩法加固连云港海相软土地基，并提出了合理配比和施工方案；经绯等[11]根据江苏某高速公路的沉降观测数据，对水泥搅拌桩法治理地基的沉降数据进行了统计分析，揭示了该治理方法地基沉降变形特性；López-Fernández等[12]证明西班牙Burata铁路隧道沉降量取决花岗岩的风化等级、花岗岩残积土的厚度、地下水位下降的幅度等，且证实该隧道地基沉降量与花岗岩残积土的厚度成正比；Sun等[13]基于微观层面分析了颗粒的接触方式以及颗粒的规则化处理下花岗岩残积土的力学性质；Fan等[14]通过室内强度试验，验证了掺入石灰能改善花岗岩地区软土的力学性质，提高路基稳定性和耐久性。

基于上述研究，本文以广西花岗岩地区软土的分布、工程性质等基本信息为背景，在某高速公路软土路基试验段进行换填法和水泥搅拌桩法处治，根据换填法路段进行的标准贯入试验结果和水泥搅拌桩路段进行的单桩载荷试验结果，研究了两种软土路基处治方法的适用性和此类软土路基的沉降变形特性。该研究结果对于花岗岩地区类似工程的软土路基处理具有一定的参考价值。

1 广西花岗岩地区河谷相软土工程特性

贵港—合浦高速公路路线全长为143.182 km，为双向四车道，最高设计车速为120 km/h，路基宽度为28 m。该线路途经典型的花岗岩地区河谷相软土区域，软土发育完全，分布范围较广，合计超过路线总长的50%。

广西花岗岩地区河谷相软土主要分布于桂东南地区，即钦州—梧州一线之东南部。在广西贵港、合浦、岑溪、兴业等地区，花岗岩风化壳厚度一般达20～50 m左右，残积土层厚度约3～20 m，软土面积约1.51万km2，约占广西总面积的6.4%。

广西花岗岩河谷相软土多发育于风化作用强烈的冲沟、谷地等低洼地带，主要由河流冲洪积作用形成，软土类型主要为淤泥质砂土，其呈流塑状或软塑状，厚度为2～6 m，局部达8 m。

根据勘察资料和室内试验数据，得出贵港—合浦高速公路沿线花岗岩地区河谷相软土的主要物理力学性质指标见表1。

该花岗岩地区软土为河谷相冲洪积软土，土质类型为砂质黏性土、淤泥质黏性土和黏性土，其中黏性土和砂质黏性土的天然含水率低于液限，根据《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)[15]划分为低液限黏性土，淤泥质软土的天然含水率接近或高于液限，为高液限黏性土。该类软土含砂量高且含有砂砾或碎石夹层，具有高含水量、高压缩性、低透水性等工程特性，若未经处理直接作为路基持力层，容易使路基产生不均匀沉降、震陷等危害，影响路用性能及行车安全[16-17]。

表1 贵港—合浦高速公路沿线花岗岩地区河谷相软土主要物理力学性质指标

2 软土路基处理方法

根据贵港—合浦高速公路沿线软土路基工程性质的不同，选择不同的治理方法，结合不同区域软土的厚度及其分布范围，确定该高速公路软土路基此次试验段分别进行换填法和水泥搅拌桩法处治，同时进行现场试验测试，探讨两种软土路基处治方法的适用性。

2. 1 换填法

本文选择该高速公路沿线其中的400 m作为换填路段，该区域软土厚度平均为2.5 m，软土层下依次有2.7～4.7 m的粉质黏土层、强—中风化花岗岩，软土多为淤泥质软土，力学强度低。选择换填法处治该区域软土的原因是：①软弱层较薄，分布范围小；②换填法适用于处理厚度h≤3 m范围内或厚度在3 m

该工程建设沿线存在丰富的风化花岗岩、花岗岩残积土以及碎石、河砂等天然建筑材料。在绿色建设的要求下，换填处治路段的换填材料本着就地取材、方便施工和节约建设成本的原则，主要选用花岗岩残积土、风化花岗岩和碎石3种材料。换填材料的基本物理力学性质指标见表2。

表2 换填材料的物理力学性质指标

按照《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)[18]的要求，花岗岩残积土作为填料，其强度、压实度和物理力学性能需满足以下要求：液限wL<50%，塑性指数IP<26,填筑碾压时含水率不得超过最佳含水率的±2%，加州承载比CBR值≥3%；石料强度一般要求不小于30 MPa，片石的填料最大粒径不大于500 mm，且不宜超过层厚的2/3,碎石要求压碎值小于20%。对照表2中的测试结果，本试验段换填料的各项工程性质指标满足规范的要求。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换填；碎石主要用于片石换填层表面平整。具体填筑方案为：坑底以上0.5～1.5 m范围内填筑片石，片石层表面填筑0.3 m的碎石平整，碎石层以上至路面标高填筑花岗石残积土，施工采用分层填筑并压实。

2. 2 水泥搅拌桩法

本文选择该高速公路沿线软土厚度3～7 m的路段采用水泥搅拌桩法进行治理，该试验路段软土主要为粉质黏土，其下有砂质黏土层和花岗岩，可视为不透水层。水泥搅拌桩法处治软土厚度的适用范围为3.5～10 m，本次所选路段完全满足该要求；同时，该处治方法对提高软土地基承载力较为明显，具有施工速度快等优势。本次搅拌桩间距设置为1.3 m，桩长为6.5 m，桩径为0.5 m，水灰比选用0.45～0.55，水泥配合比(质量比)为M水泥∶M土∶M水=1∶4.38∶0.5，采用“四喷四搅”法成桩。

3 软土路基承载力与沉降变形特性分析

3. 1 软土路基承载力分析

在换填法试验路段，当换填达到设计标高时，选择3个试验点进行标准贯入试验，分别为ZK1、ZK2、ZK3，3个点之间的间距分别为29.1 m、22.7 m。标准贯入试验的目的是定量评价该路段软土路基的承载力，检验换填法处治的效果。3个试验点的标准贯入试验结果，见图1至图3。

图1 换填期与竣工后ZK1试验点软土路基的标准贯入击数Fig.1 Blow counts of SPT at ZK1 before and after construction process

本次标准贯入试验参照《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[19]计算3个试验点的软土路基承载力。

由图1可见，换填期ZK1试验点软土路基的标准贯入击数为6～20击，平均值为11.7击，地基承载力为359 kPa；竣工后ZK1试验点软土路基的标准贯入击数明显增加，为14～25击；深度12.55～15.05 m范围为原换填土层，该层平均标准贯入击数为19.7击，地基承载力为545 kPa，约为换填期的2倍。

图2 换填期与竣工后ZK2试验点软土路基的标准贯入击数Fig.2 Blow counts of SPT at ZK2 before and after construction process

由图2可见，换填期ZK2试验点软土路基的标准贯入击数为6～16击，平均值为14.5击，地基承载力约为359 kPa；竣工后ZK2试验点软土路基的标准贯入击数为11～24击，软土路基的标准贯入击数-深度曲线在深度为13.75 m处转折，软土路基的标准贯入击数随深度增大而减小；原换填土层平均标准贯入击数为16.7击，地基承载力约为421 kPa，对比换填期地基承载力得到了提高。

图3 换填期与竣工后ZK3试验点软土路基的标准贯入击数Fig.3 Blow counts of SPT at ZK3 before and after construction process

由图3可见，换填期ZK3试验点软土路基的标准贯入击数为8～17击，平均值为13.8击，地基承载力约为343 kPa；竣工后ZK3试验点软土路基的标准贯入击数为11～27击，在深度14.15 m以下软土路基的标准贯入击数降低显著，远小于上部填土；原换填土层平均标准贯入击数为16.4击，地基承载力约为382 kPa，略大于换填期。

该路段软土路基填高为12.5～13.5 m，估算路基所需承载力为237.5～256.5 kPa，换填期与竣工后试验点地基承载力均超过设计值，表明换填土层整体力学强度满足要求。

换填期软土路基的标准贯入次数在0～2.4 m时随深度的增加而增加，当深度大于2.4 m后软土路基的标准贯入次数随深度的增加而减小，原因是在深度为2.4 m处是换填层，深度增加受地下水的影响其强度降低；竣工后原换填土层地基承载力均大于换填期，说明换填土在上部填筑荷载作用下变得密实，地基承载力得到提高，其中ZK1试验点地基承载力提高最为显著。原地面以上路堤填土基本为花岗岩残积土，整体标准贯入击数为14～27击，力学强度较好，结合试验结果可知，该路段软土层薄，换填后路基承载力较高，处治效果良好，沿线花岗岩残积土作为换填材料具有高可行性。

针对水泥搅拌桩法处治路段的复合地基，选择单桩进行地基承载力检测，地基承载力分8级进行逐级加载，总荷载为300 kPa，是地基承载力设计值的2倍。水泥搅拌桩单桩载荷试验的荷载-沉降曲线，见图4至图6。

图4 1号桩单桩载荷试验的荷载-沉降曲线Fig.4 Loading-settlement curves of No.1 pile in the single pile loading test

由图4可见，1号桩基在试验荷载逐级加载至300 kPa时的总沉降量为12.94 mm，其沉降量不大；当荷载加载至为75 kPa时，沉降量为4.37 mm，约占总沉降量为1/3。

图5 2号桩单桩载荷试验的荷载-沉降曲线Fig.5 Loading-settlement curves of No.2 pile in the single pile loading test

由图5可见，2号桩基在试验荷载逐级加载至300 kPa时的总沉降量很小，只有7.78 mm，当荷载加载至为75 kPa时，其沉降量为3.55 mm，约占总沉降量的一半。1、2号桩基在施加荷载初期沉降量显著，其占总沉降量的比值较大，这是由于花岗岩地区软土初始含水率高，加载初期沉降速率较大；1、2号桩基荷载-沉降曲线总体变化缓慢，当加载达到设计荷载2倍时桩基未破坏，按破坏极限荷载确定地基承载力，取设计荷载的2倍作为最大加载力，地基承载力特征值为最大加载力的一半，其值为150 kPa。

由图6可见，3号桩基在试验荷载逐级加载至300 kPa时的总沉降量为55.90 mm，其沉降量随着荷载的增加而加速沉降，这与地基软土的高压缩性有关。

单桩荷载试验承压板的总沉降量与承压板直径的比值大于0.06，荷载-沉降曲线无明显的比例界限，地基承载力特征值按相对变形值确定，取s/d=0.006所对应的压力(其中s为荷载试验承压板的沉降量；d为承压板直径)，其计算结果为214 kPa，大于最大加载压力的一半150 kPa，按最大加载压力的一半作为地基承载力特征值。3个试验桩的最大加载压力都是300 kPa，试验桩的承载力取地基承载力特征值的平均值，所以水泥搅拌桩复合地基承载力特征值为150 kPa，满足公路路基设计的要求。

3. 2 软土路基沉降变形分析

结合施工现场工程地质条件、软土路基处治方法、路基填土高度等情况，本文选取不同的观测剖面，通过埋设沉降板对软土路基的沉降变形情况进行观测。在换填路段分别在断面K01左11 m、K01右11 m、K02左11 m和K02右11 m处设置4块沉降板，用以监测软土路基施工期间的沉降变形。根据监测结果，将软土路基各断面的沉降量数据进行整理，得到在监测时间内软土路基各断面实际沉降量值，见表3。

表3 软土路基各断面沉降量的监测值

根据现场监测数据，该路基在断面K01左11 m原地面标高处的沉降量为22.17 mm，在断面K02左11 m地面以上1.42 m标高处的沉降量为16.14 mm，在断面K01右11 m地面以上4.8 m标高处的沉降量为12.54 mm，在断面K02右11 m地面以上4.64 m标高处的沉降量为14.93 mm，说明沉降主要发生在软土路基部分，上部路基填土经振动碾压后沉降量较小。由此可见，沉降板埋设的标高越低，上部路堤填土厚度越大，相应的路堤荷载也就越重，其沉降量越大。另外，相似标高的路基两侧沉降值并不完全一致，沉降板4比沉降板3的沉降量稍大，这是由于K02断面左侧地基地质条件相对于右侧较差导致。

在水泥搅拌桩法治理软土路基段设置沉降盘用来监测治理路基的沉降，根据沉降盘监测的沉降量数据绘制软土路基荷载-沉降时程曲线，见图7。水泥搅拌桩法治理软土路基的沉降经历三个阶段，即发生阶段、发展阶段和稳定阶段。加载初期，由于荷载较小，地基处于弹性变形阶段，地基沉降量缓慢增加，在45 d内该地基沉降量高达107 mm，而总沉降量为215 mm；随着荷载的逐级增加以及加载时间的增长，地基中孔隙水因地基压实而逐渐排出，超静水压力逐渐消失，地基产生压缩变形，进入塑性阶段，该阶段沉降速率小于初期沉降速率；随着荷载的逐级增大，地基沉降量也随之增大，当填筑结束时地基沉降量已经达到201 mm，283 d后停止加载，地基孔隙水压力接近完全消散，固结过程尚未完全完成，土骨架出现蠕变变形，地基沉降量随时间推移以极小速率增加，在283～378 d内地基沉降量仅为14 mm，说明固结沉降基本完成，地基沉降趋于稳定。

图7 软土路基荷载-沉降时程曲线Fig.7 Time history curve of loading-settlement curves of the soft soil subgrade

由图7可见，软土路基荷载-沉降时程曲线具有相似的走势，填筑期地基沉降量占总沉降量的比例较大，停止加载后地基沉降逐渐趋于稳定，这是由于地基在填筑荷载分级逐级加载过程中，孔隙水压力经历了增长—消散—增长—再消散的过程，随着时间的增加，地基孔隙水压力消散的速率逐渐减慢，在填筑结束后，地基孔隙水压力趋于完全消散。可见，地基沉降量值随着填筑荷载的增加而呈现阶梯状增长，反映出在荷载逐级加载作用下地基土沉降发展的特征。

由于花岗岩地区软土的初始含水率高、压缩性大，在加载初期软土路基的沉降速率远大于后期沉降速率，在荷载作用初期地基迅速沉降，45 d内地基沉降量达到107 mm，约占总沉降量的50%；软土路基在加载期间，沉降速率较大，停载一段时间，沉降速率的变化趋于平缓，软土路基沉降基本经历了发生—发展—稳定的变化过程，与软土固结变形特点相吻合。