浅谈斜坡软弱地基高速公路路堤处治技术

2021-03-19梁瑶吴兵

四川建筑 2021年6期

梁瑶吴兵

在斜坡软弱地基上填筑高速公路路堤，因地基表面或下部软弱土层底部，具有倾向外侧的斜面，直接填筑路堤易沿软弱斜面产生侧向滑移造成失稳破坏。文章首先在着重分析斜坡软弱地基特點的基础上，因地制宜、有针对性的制定了科学合理的地基处理、土方填筑、工程防护等技术方案。通过采取有效限制斜坡软弱地基侧向变形措施，确保高速公路路堤长期安全与稳定。最后通过处治方案的技术经济比选，提出了斜坡软弱地基路堤填筑处治原则，可为今后类似工程实践提供参考。

斜坡软弱地基; 高速公路; 路堤稳定性; 地基处理; 处治技术

U416.1+2 A

[定稿日期]2021-08-04

[作者简介]梁瑶（1982～），女，博士，高级工程师，主要从事高速公路设计及咨询工作。

我国是一个丘陵和山地较多的国家，在斜坡地基上填筑路堤，是高速公路工程建设中常见的活动之一。由于斜坡软弱地基表面或下部软弱土层底部具有一定倾向外侧的斜面，在路堤填筑加载作用下，地基土在产生竖向压缩变形的同时，将在斜坡下侧产生明显的侧向变形[1]。与水平软弱地基变形集中在地基中部不同，斜坡软弱地基变形主要集中在下坡一侧路堤坡脚附近，在其上填筑公路路堤更易引起地基的侧向滑移失稳破坏[2-3]。因此在斜坡软弱地基上填筑高速公路路堤时，应在开展深入细致的地质勘察工作基础上，因地制宜、有针对性的制定科学合理的地基处理、土方填筑、工程防护等技术方案，采取有效限制地基侧向变形的措施，确保斜坡软弱地基填方路堤的长期安全稳定[4-5]。

图1 斜坡软弱地基上路堤填筑示意

在斜坡软弱地基上进行高速公路路堤填筑时，首先应限制地基侧向变形[5]。其主要途径包括：清除地基软弱土层、提高地基抵抗变形能力、限制地基侧向变形发展等措施。

1 清除地基软弱土层

这是一种简单而有效的措施。当地面横坡较陡且下部软弱土层埋深较浅、厚度较薄时，可采用清除地基软弱土层措施。一般情况下，层厚小于4 m时，采取清除方案，相比其他措施，经济合理、施工难度较小。地基表面或下部软弱土层底面横坡缓于1∶10，可与增设反压护道方案作技术经济比选，择优选取;地基表面或下部软弱土层底面横坡陡于1∶10且层厚小于4 m时，一般应采取清除地基软弱土层方案。德昌至会理高速公路主线长约78 km，主线与互通区共有斜坡软弱地基填方路堤40余处，其中采用清除地基软弱土层的简单处治方案共有18处。

2 提高地基抵抗变形能力

通过提高地基土抵抗变形能力，可有效减小地基侧向变形，增强路堤稳定性。其主要方法包括：①采用强夯或重锤夯实，提高地基土体密实度;②在地基土层中置换或植入各种强度相对较高的竖向增强体，形成复合地基[6-7]。

2.1 强夯或重锤夯实加固

强夯或重锤夯实可使地基产生压缩或振密，增强土体密实度，降低土层压缩性、提高地基抵抗变形能力。国内外学者从不同的角度对强夯或重锤夯实加固原理进行了大量的研究，普遍看法包括：夯击能量转化，使土体振密压缩;土体液化或结构破坏;排水固结压密;触变恢复并伴随固结压密。强夯或重锤夯实的有效加固深度可按梅纳公式进行计算：

H=KMh;K=0.34～0.80（1）

式中：M为夯锤质量（t）;h为落距离（m）;K为修正系数。

强夯或重锤夯实工法在我国经过40余年的不断发展和完善，目前已广泛应用于公路、铁路、机场、码头、工业与民用建筑等地基处理中，但一般多限于以下使用条件：①水平软弱地基，即地面及软弱土层底面横坡均较缓;②地基土层为非饱和土。

当强夯或重锤夯实施工时，由于软弱土层底面坡度较陡，夯锤容易歪斜，造成地基土向下坡一侧产生变形破坏，如图2所示。

图2 斜坡软弱地基上夯锤歪斜示意

当地基土为饱和黏性土时，强夯或重锤夯实极易出现“橡皮土”现象。因此，一般情况下不宜直接采用强夯或重锤夯实。对于饱和黏性土，近年来在强夯法或重锤夯实法基础上开发了强夯置换法。利用夯击能将碎石、矿渣等材料强行挤入地基土中形成碎石墩，通过与墩间土形成复合地基，达到增大地基土强度和减小地基土沉降的目的[8-9]。

对于粉土置换地基，当施工后形成厚度大于2.0 m的硬壳层时，其地基承载力可通过现场单墩复合地基静载荷试验确定;对淤泥或流塑状黏性土中的强夯置换法复合地基承载力，不考虑墩间土承载力时，即可按下式计算：

fspk=mfpk（2）

式中：m为置换率;fpk为桩体承载力特征值（kPa）。

但该工法对于坡度较大的斜坡软弱地基并不适合，因为在地基土（饱和土）夯坑中填压碎石后，进行强夯或重锤夯实作业时，会出现偏向下方一侧的地基变形，难以形成稳定的碎石墩。

综上可知，当斜坡软弱地基坡度较大时，一般不宜采用强夯或重锤夯实加固。

2.2 复合地基处理

在斜坡软弱地基中通过置换或植入各种强度相对较高的桩体形成复合地基，可有效提高地基土强度，增加地基稳定性，减小地基横向变形。常用的复合地基方法主要有：①散体桩，如振动沉管碎石桩、振冲碎石桩;②水泥土桩，如水泥搅拌桩、水泥旋喷桩;③低强度混凝土桩（含CFG桩）。

一般情况下，散体桩复合地基与水泥土桩和低强度混凝土桩相比较，在路堤荷载作用下会出现相对较大的变形，且变形稳定时间也较长。德会高速公路部分软土地基分别采用水泥搅拌桩和碎石桩复合地基进行处理，路基沉降监测表明，水泥搅拌桩复合地基的路堤工后沉降约2～5 cm，工后沉降稳定时间约2～6个月，碎石桩复合地基的路堤工后沉降约8～10 cm，工后沉降稳定时间约6～12个月。因此，对于路基沉降要求严格的填方工程，宜选择用水土桩和低强度混凝土桩复合地基处理方案。

3 限制地基侧向变形

通过限制斜坡软弱地基侧向变形，可有效提高公路路堤的稳定性。其主要方法包括被动限制和主动限制2种不同的技术措施。

3.1 被动限制

在斜坡软弱地基路堤坡脚设置钢筋混凝土侧向约束桩，可被动限制地基侧向变形。对于水平软弱地基，则可采用放缓路堤填筑坡率或增设反压护道（地基侧向变形因地基剪切应力降低而减小）被动限制地基侧向变形;采用齿墙（仅适用于软弱土层较薄的情况，实际工程应用较少）;采用钢筋混凝土侧向约束桩（工程成本高，适用不多）。由于斜坡软弱地基具有一定横坡，采用放缓路堤填筑坡率或增设反压护道的方案，工程规模较大，且对提高路堤稳定性效果较差。因此，对于地面横坡陡于1∶10的斜坡软弱地基路段，一般多采用侧向约束桩限制地基变形。如德会高速公路全线（含互通）40余处斜坡软弱地基填方路堤中，共有12处在填路堤坡脚处设置侧向约束桩（包括桩基托梁挡土墙）处治;广元至平武高速公路主线长约90 km，其主线和互通区共有15处斜坡软弱地基填方路堤采用坡脚处设置侧向约束桩加固。

根据具体工程措施，采用钢筋混凝土侧向约束桩加固斜坡软弱地基路堤可分为以下5种类型：①下坡一侧坡脚附近设单排侧向约束桩;②下坡一侧坡脚附近设单排侧向约束桩+碎石桩或粉喷桩复合地基处理;③下坡一侧坡脚附近设单排侧向约束桩+砂井或塑料排水板地基处理;④采用桩基托梁挡土墙，避免填方坡脚挤压斜坡软弱地基;⑤下坡一侧附近设双排侧向约束桩。

3.2 主动限制

高强度钢筋混凝土桩中的桩基础可承担地基上部的路堤填筑及行车荷载，减小下部斜坡软弱土层的承担荷载和沉降变形。桩网结构基础是由钢筋混凝土稀疏桩群及桩顶加筋土垫层共同作用，通过加筋土垫层的“网兜效益”使稀疏桩桩间相互牵制形成复合桩群。桩网结构基础中的桩体主要承受竖向力作用，在地基土中形成竖向增强体—“桩”;桩顶的加筋土垫层主要发挥侧向约束作用，在地基土上部形成水平向增强体—“网”;在网-桩-土三者协同作用下，构成一个可共同承担上部荷载的人工地基。地基上部路堤填筑及行车荷载主要由桩体承担，地基土层承担的荷载则相对较小，因而竖向沉降较小，横向变形不大。因此，桩网结构可起到主动限制地基土层侧向变形的作用。

3.3 侧向约束桩处治工程实例

德会高速全线共有12处斜坡软弱地基路堤在坡脚处采用钢筋混凝土侧向约束桩（包括桩基托梁挡土墙）处治。部分典型工点处治方案图及一览表，分别如图4和表1所示。

4 以桥代路方案

当斜坡软弱地基路段路堤加固措施的工程可靠性较低或工程造价较高时，选用以桥代路方案是合理的。以桥代路方案，主要应考虑以下因素。

4.1 工程可靠性

斜坡软弱地基公路路堤可靠性分析主要考虑两个方面因素：①斜坡软弱地基工程地质是否查明，工程设计基础资料是否充分、正确;②所采取的工程措施设计理论是否完善，是否存在工程风险，建成后长期运营的耐久性如何。

对于斜坡软弱地基路堤工程遇到以下情况时需研究以桥代路方案：①斜坡软弱地基的地质条件复杂，难以查明下部软弱土层基底横坡;②斜坡软弱地基强度过低，采用复合地基加固困难;③路堤填筑高度较高，按天然地基分析路堤稳定性小于0.8;④斜坡软弱土层较厚，路堤工后沉降难以控制。

4.2 工程造价

当斜坡软弱地基公路路堤工程造价已与桥梁方案接近时，考虑建设工期要求、土地资源占用、自然环境保护等因素，一般宜选择以桥代路方案。

4.3 节约土地与保护环境

土地作为一种不可再生资源，在路桥方案解决策中应从社会效益角度，充分考虑占用土地的社会成本，控制路堤高度，节约用地。

5 结论