公路软土地基设计探讨

刘裕娥

(汕头市公路勘察设计院 汕头市 515041)

0 引言

软土[1]是指以水下沉积的饱水的软弱粘性土或淤泥为主的地层，有时也夹有少量的腐泥或泥炭层。随着公路建设事业发展，对公路质量得到改善的同时，也重视对软基处理的改进和发展。在软土地区修筑路堤，常会遇到一些路段由于路堤荷载的作用使地基土产生过量沉陷和侧向位移，甚至路面破坏。软基处理一般比较复杂，处理方法多样，且难度大、耗资巨、范围广，特别是深厚软土地基上的高填土路段对公路造价、工期等影响较大，应考虑其软土地基处理方案对线位比选的影响。结合工程软基处理的方法，并参考有关资料和设计文献，对软基处理设计的方法作简要介绍及探讨。

1 软基处理的方法

软土地基处理的目的首先是改善地基土的力学性能，增加路堤同基底土的稳定性；其次是改善地基土的压缩性能，加速排水固结，提前完成预计的沉降量，使残余沉降量小于允许值。目前国内外采用的软基处理方法很多，常用的处理方法有[2-3]：

(1)开挖换填法：以人工、机械或爆破方法将地基土挖出，换填强度较高的砂、砾、卵石等渗水土。此方案从根本上改善地基的性质，效果甚佳。但仅适用于软土层较薄，其上无覆盖层的情况。

(2)排水固结法：包括堆载预压法、砂井预压法、袋装砂井法、塑料排水板法、井点降水法、真空预压法等；其原理为利用外加荷载对饱和软粘土地基进行预压，增加地基的总应力，在地基中形成超静孔隙水压力，通过超静孔隙水压力的消散，使地基土的固结压力增加而产生固结；为加速土层的固结，增加土层的排水途径，缩短排水距离，袋装砂井、塑料排水板和砂层等是很好的竖向排水体和水平排水层。此方案适用于处理厚度较大的饱和软粘土地基，但堆载预压需要较长的工期。

(3)化学加固法：包括注浆法、深层搅拌法、旋喷法等，其原理是通过注入水泥浆和化学浆液，使持力层地基形成复合地基，提高原地基的承载能力。适用于岩基、砂土、淤泥、淤泥质粘土、粉土和一般人工填土层等地质情况，适用范围广，加固效果显著，但其成本较高。

(4)加筋法：在土中加入条带、纤维或网格等抗拉材料，依靠它改善土的力学性能，提高土的强度和稳定性，抵抗地基不均匀的沉降能力。适用于土层性质相对较好的软基路段。

2 工程实例

2.1 工程概况

汕头市潮阳区海门镇濒临南海，扼练江出海口，位于潮阳区东南端沿海，这里地平、土厚、水丰，软土分布较广。工程局部路段处于软基路段，其工程地质特点为：地基上部存在软土结构层，结构层多属淤泥、淤泥质土，软土层厚度很大，多呈流塑至软塑状态，且地表硬壳层厚度较小。天然地基难以满足工后沉降容许范围及构造物对地基承载力的要求。拓宽路段中有软基，同时沿线有桥梁拓宽，全线完工通车需要较长的工期。

2.2 设计依据及试验资料

2.2.1设计依据

路堤(含路面结构)的原设计高度(m)∶1.80

路堤设计顶宽(m)∶52.0

加宽顶宽(m)∶9.0×2

路堤边坡比例系数m(纵∶横)∶1.5

路基的重力密度(kN/m3)∶19.5

路面结构的重力密度(kN/m3)∶21.0

土基地下水位至地面的深度(m)∶0.10

2.2.2试验资料

试验资料见表1、表2。

表1 土工试验数据

表2 各级压缩试验荷载(针对压缩特性及固结系数来分层)

2.3 拟设计方案

因工程中有桥梁需拓宽，有较长的施工工期，选择堆载预压是很好的处理方式。因其施工简单，成本低，对深厚饱和粘土具有很好的沉降效果，采用超载预压可减少工后沉降，为加速地基的固结，选择袋装砂井，并穿过软土层，结合砂层，加快地基的沉降速率。拓宽路段处于软基，为避免新老路基的不均匀沉降，新老路基拼接交接位置设置钢塑土工格栅。

拟设计方案如下：

超载预压，预压高度采用3.5m,其中超载填土高度为1.2m

堆载预压采用河砂预载，重力密度16.0kN/m3

工后沉降基准期，即路面设计使用期180个月

容许工后沉降基准期内的残余沉降0.10m

路堤填筑经历时间9个月

袋装砂井直径0.07m，间距0.9m，井深18m，采用三角形布置，砂层厚度0.6m，袋装砂井伸入砂层0.3m，拟设计方案示意图如图1。

图1 拟设计方案示意图

实施多级荷载加载速率如图2。

图2 路基填筑、预压进度示意图

2.4 设计计算[4]

2.4.1固结度计算

按经验取砂井井径为0.07m，井距采用0.9m，井径比n为13.5，井列采用三角形布置，井的有效排水圆柱体直径de=1.05×0.9=0.945m,井径比n=94.5/7=13.5。井长按穿过淤泥层，取18.0m。

=2.39×10-8(1/s)=0.00207(1/d)

式中：qi—第i级荷载平均加载速率(kPa/d)。

加载速率q1,q2,q3,…q7=8.0/2=4.0(kPa/d)

=0.877

为缩短排水距离，地基上设单层60cm砂层，计算其排水固结度。

砂井区总的平均固结度U

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

2.4.2地基沉降计算

主固结沉降Sc采用分层总和法在荷载作用下的软土地基计算：

式中：Sc—主固结沉降(m)；

n—压缩土层内土层分层的数目；

eoi—地基中各分层在自重应力作用下的稳定孔隙比；

e1i—地基中各分层在自重应力和附加应力共同作用下的稳定孔隙比；

Δhi—地基中各分层的初始厚度(m)。

主固结沉降Sc的计算，按《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》[4](JTG/T D31-02—2013)中式(4.3.2)。

总沉降S∞采用沉降系数ms与主固结沉降计算：

S∞=msSc

ms=0.123γ0.7(θH0.2+VH)+Y

式中：ms—沉降系数，宜根据现场沉降观测资料确定，也可采用经验公式估算；

θ—地基处理类型系数，地基用塑料排水板处理时取0.95～1.1，用粉体搅拌桩处理时取0.85，一般预压时取0.90；

H—路堤中心高度(m)；

γ—路堤填料重度(kN/m3)；

V—填土速率修正系数，填土速率在0.02～0.07m/d之间时，取0.025；采用分期加载，速率小于0.02m/d时取0.005；采用快速加载，速率大于0.07m/d时取0.05；

Y—地质因素修正系数，满足软土层不排水抗剪强度小于25kPa、软土层的厚度大于5m、硬壳层厚度小于2.5m三个条件时，Y=0，其它情况下可取Y=-0.1。

路基中软土地基固结沉降量ΔSi计算结果见表3。

表3 路基中软土地基固结沉降量ΔSi计算表

总沉降S∞的计算，按《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》[4](JTG/T D31-02—2013)中式(4.3.5-1)。

沉降系数ms的计算，按《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》[4](JTG/T D31-02—2013)中式(4.3.5-2)。

沉降系数ms=0.123γ0.7θH0.2+VH)+Y

=0.123×160.7×(1.0×3.50.2+0.005×3.5)+0

=1.12

软土地基的总沉降S∞=msSc=0.844m

2.4.3地基稳定性验算

软土地基路堤的稳定验算采用圆弧滑动法中的有效固结应力法。

稳定计算安全系数F：

式中：Cqi、φqi—地基土或路堤填料的粘聚力(kPa)和内摩擦角(°),由快剪试验测得；

φcqi—地基土的内摩擦角(°)，由固结快剪试验测得；

Ui—地基平均固结度(%)；

αi—土条底面与水平面交角(°)；

Li—土条底面弧长(m)；

WIi—土条地基部分重力(kN)；

WIIi—土条路堤部分重力(kN)。

《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》[4](JTG/T D31-02—2013)中稳定安全系数容许值(表4.2.6)，有效固结应力法在考虑固结安全系数为1.2，F=1.671满足要求。

3 结语

为取得更好的软基处理效果，软基处理方式可采用多种形式结合。工程选用袋装砂井辅以超载预压(为防止地基突然发生滑动及坍陷，采用逐级加载方式)及钢塑土工布，通过设计计算，符合设计规范要求。为了解原软土地基处理效果，在ZK1附近断面进行路基对比钻孔研究，处理后的地基物理力学指标有明显提高，土的定名由淤泥质土到亚粘土，天然含水量降低明显，地基强度提高，由高压缩性变为中压缩性。项目完工通车运营六年来，未发现有明显沉降，新旧路未有差异沉降，达到预期效果。