周建良

(湖南環(huán)達(dá)公路橋梁建設(shè)總公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

我國(guó)東南沿海地區(qū)分布大量軟土，尤其在海陸交接區(qū)域存在大量濱海相軟土，這類軟土含水量高、壓縮性大、承載力低、滲透性差，排水固結(jié)慢，沉降穩(wěn)定往往需要很多年時(shí)間［1，2］。在這一地區(qū)建造公路，路堤荷載作用下容易發(fā)生工后沉降過大、承載力不足的問題，濱海相軟土上建造公路很難滿足強(qiáng)度變形要求，必須采進(jìn)行地基處理以改善地基強(qiáng)度并控制工后沉降［3］。同時(shí)，近海路基工程還需考慮潮汐及降雨的作用［4］。針對(duì)這一問題，對(duì)濱海相軟土地基加固措施及效果開展研究，研究成果具有重要工程價(jià)值。

1 濱海軟基加固措施

1.1 場(chǎng)地工程特性

某公路建設(shè)項(xiàng)目Ⅳ標(biāo)段位于濱海相潮間帶灘涂地區(qū)，標(biāo)高 －2.70～0.00 m，漲潮淹沒水深2.5～4.5 m。潮流形式為往復(fù)型半日潮，冬季潮差小秋季潮差大，漲潮時(shí)差約40 min。Ⅳ標(biāo)段全長(zhǎng)7.97 km，設(shè)計(jì)路面寬度52 m，地基為流塑～軟塑狀淤泥，無法滿足強(qiáng)度要求，必須進(jìn)行加固處理。公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)工后沉降小于30 cm。路面施工前固結(jié)度要求達(dá)到90%以上。

場(chǎng)地地基土各層分別為:

1)人工填土層。黃褐色，松散，火山巖殘積土并夾巖質(zhì)碎塊，局部含有粗礫砂。

2)淤泥質(zhì)吹填土?；液谏魉苘浰軤?，厚4.5 m，表層失水干縮形成1.2 m 硬殼層，壓縮模量1.87 MPa，高壓縮性土。

3)淤泥。海相沉積，厚度1.5～14.5 m。深灰色流塑狀，成分以粘粒為主，含腐殖質(zhì)。壓縮模量1.67 MPa，滲透系數(shù) kv=3.0 ×10－7cm/s，不排水剪強(qiáng)度cu=17.5 kPa，靈敏度4.01。低強(qiáng)度、高壓縮性、低滲透性，承載力標(biāo)準(zhǔn)值47 kPa。局部夾含泥礫粗砂透鏡體，透鏡體最大厚度0.5～3.2 m。

4)粘土。灰黃，可塑，以粉粒為主，局部含粉細(xì)砂相變?yōu)榉圪|(zhì)粘土。厚度3.7～6.5 m，承載力標(biāo)準(zhǔn)值165 kPa。

1.2 加固措施

為明確最佳地基處理方法，施工前選取100 m試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作?？紤]潮汐不利影響，確定采用袋裝砂井超載預(yù)壓聯(lián)合圍堰加固措施。

1.2.1 填筑圍堰

在試驗(yàn)段袋裝砂井處理區(qū)段，施工前先修筑內(nèi)外圍堰。圍堰采用塊石與粘性土混合材料，底部鋪設(shè)土工格柵以增加圍堰整體穩(wěn)定性，考慮水頭壓力差下可能造成圍堰失穩(wěn)，每隔150 m 設(shè)置橫向圍堰起隔水和防側(cè)移作用，具體設(shè)計(jì)如下:

1)為保證干面無水施工，并加快進(jìn)度，填筑的圍堰與反壓護(hù)道結(jié)合使用，從而節(jié)省投資。

2)填筑圍堰與路基中線平行，當(dāng)路基加寬時(shí)圍堰隨之偏移。

3)考慮潮汐與波浪影響，外圍堰頂部寬3.5 m，底部寬15.5 m，內(nèi)圍堰頂部寬2.0 m，底寬10.0 m，兩端設(shè)置橫向圍堰形成封閉堰。

4)圍堰填筑與砂墊層同步施工，低潮時(shí)圍堰內(nèi)鋪砂，淤泥穩(wěn)定后再鋪設(shè)土工布并用砂袋疊壓。退潮后土工布上鋪砂，每層45 cm 直至總厚度達(dá)2 m，各層之間設(shè)土工布，迎海水面土工布折回，形成1∶1.5 邊坡。

5)高潮時(shí)拋填護(hù)腳塊石，低潮時(shí)堆砌塊石做迎水面護(hù)坡，塊石與砂層之間設(shè)反濾層。砂層厚度達(dá)2 m 時(shí)圍堰填土頂面鋪塊石，內(nèi)側(cè)堆疊砂袋護(hù)坡。拋砂至設(shè)計(jì)標(biāo)高，保證砂墊層＞1 m。

1.2.2 袋裝砂井超載預(yù)壓

超載預(yù)壓即將填土作為超過設(shè)計(jì)荷載的荷載填筑軟基之上［5］，預(yù)壓一段時(shí)間后移去荷載。該方法實(shí)質(zhì)是增加了軟土固結(jié)沉降量。地基固結(jié)度一定時(shí)，超載越大固結(jié)沉降量也越大，根據(jù)這一原理超載預(yù)壓可加速固結(jié)過程。理論上超載預(yù)壓可消除工后沉降，但考慮土體卸載回彈，有必要延長(zhǎng)預(yù)壓時(shí)間［6，7］。

試驗(yàn)段海相淤泥質(zhì)土地基袋裝砂井聯(lián)合超載預(yù)壓設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 袋裝砂井聯(lián)合堆載預(yù)壓示意圖

設(shè)計(jì)具體包括:①砂井。砂井設(shè)計(jì)直徑100 mm，間距1.2 m，等邊三角形布置，砂井頂設(shè)計(jì)進(jìn)入墊層30 cm，砂井端部設(shè)計(jì)進(jìn)入持力層0.5 m，墊層內(nèi)縱橫方向分別布置盲溝，縱向每50 m 布置一個(gè)積水井，構(gòu)成垂向橫向排水系統(tǒng)。②加筋墊層。土工布:路堤袋裝砂井頂面鋪設(shè)一層土工布。土工格柵:墊層頂鋪設(shè)土工格柵。③砂墊層。土工布之上鋪設(shè)1.0 m 厚砂墊層，墊層即作排水通道又作施工墊層。④超載預(yù)壓。超載量根據(jù)設(shè)計(jì)消除的變形量確定，預(yù)壓后殘余沉降量應(yīng)小于30 cm。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 測(cè)試方案

試驗(yàn)段對(duì)路基變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括:①沉降觀測(cè)，采用分層沉降磁環(huán)與沉降板進(jìn)行測(cè)試，以控制加荷速率并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)推算工后沉降。②水平位移觀測(cè)，采用測(cè)斜管，依據(jù)水平位移速率控制填土加載速率，并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析路基穩(wěn)定性。③孔壓監(jiān)測(cè)，采用孔隙水壓計(jì)測(cè)試，根據(jù)孔壓可進(jìn)行固結(jié)度計(jì)算。

2.2 測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)工點(diǎn)沉降測(cè)試曲線從圖2可以看出，軟土的沉降在某時(shí)間點(diǎn)陡降，說明此時(shí)在荷載作用下土體發(fā)生了剪切破壞，土體結(jié)構(gòu)破壞后經(jīng)過固結(jié)變形調(diào)整，沉降速率又開始變小，并在加載后期沉降曲線發(fā)展趨勢(shì)變緩。測(cè)試得到，大沉降速率0.42～1.5 cm/d，最終沉降量 250～487 mm。

圖2 沉降測(cè)試曲線

水平位移數(shù)據(jù)如圖3所示，累計(jì)水平位移23～140 mm，說明圍堰具有限制土體側(cè)移作用。最大側(cè)向位移發(fā)生在淤泥下2 m 左右處，路基未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖3 側(cè)向位移分布曲線

孔隙水壓力消散規(guī)律如圖4所示，初期荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力加速軟土固結(jié)，加載后期沉降曲線發(fā)展趨勢(shì)逐漸變緩，說明此時(shí)軟土固結(jié)已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

圖4 孔壓消散變化規(guī)律

根據(jù)沉降測(cè)試曲線進(jìn)行的工后沉降預(yù)測(cè)得到試驗(yàn)工點(diǎn)工后沉降45～201 mm 之間，滿足工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)小于30 cm。路基固結(jié)度為93.4%，滿足路基固結(jié)度大于90%控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 數(shù)值計(jì)算效果評(píng)價(jià)

3.1 建立模型

為進(jìn)一步分析加固措施的效果，建立有限元數(shù)值分析模型，計(jì)算袋裝砂井聯(lián)合堆載預(yù)壓作用下路堤變形。計(jì)算考慮了加筋墊層、砂墊層、砂井、圍堰對(duì)路基沉降變形的影響。模型為平面應(yīng)變模型，路面寬52 m，計(jì)算寬度100 m，深度40 m，砂墊層1 m，填土厚度9.9 m。底部水平及豎向位移約束;左右兩側(cè)水平位移約束。

計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.2 效果分析

根據(jù)計(jì)算云圖5可知，豎向位移云圖呈明顯的層狀分布規(guī)律，隨超載作用增加位移也隨之增加，且位移區(qū)域也逐漸呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)。位移分布呈鍋底型，淤泥層中心沉降最大。路堤表面沉降最大52.51 cm，淤泥層表面最大沉降97.88 cm。

圖5 豎向位移等值線

基底中心最終沉降量計(jì)算值90.2 cm 和實(shí)測(cè)值100.23 cm。二者較為相近，驗(yàn)證了計(jì)算模型的合理性。計(jì)算表明，超載固結(jié)時(shí)間達(dá)到500 d 時(shí)，固結(jié)度為98%，從沉降控制角度看，袋裝砂井聯(lián)合堆載滿足設(shè)計(jì)要求。

計(jì)算得到水平位移等值線分布如圖6所示，可見水平位移呈類似橢圓形并輻射狀分布。水平位移分布隨深度增加而減小，超載作用前后水平位移發(fā)生明顯變化。位移累積最大值211.43 mm。淤泥以下2 m 水平位移達(dá)到最大。

圖6 第1 次超載前水平位移等值線

通過計(jì)算再次驗(yàn)證了圍堰施工同時(shí)袋裝砂井聯(lián)合超載預(yù)壓加固措施可行性，該方案達(dá)到預(yù)期的效果，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

沿海區(qū)濱海相軟基上修筑公路，如何確保地基滿足強(qiáng)度與變形控制要求是工程難點(diǎn)。本文依托工程試驗(yàn)段，利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與有限元計(jì)算，對(duì)濱海湘路基加固措施與效果開展研究得出以下結(jié)論:

1)考慮濱海地區(qū)特殊條件，提出袋裝砂井聯(lián)合超載預(yù)壓的加固措施，并歸納總結(jié)了圍堰填筑、拋石擠淤、袋裝砂井聯(lián)合堆載預(yù)壓處理施工工藝。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證加固措施的可行性;測(cè)試與計(jì)算表明濱海相軟土路基采用本方案達(dá)到預(yù)期效果。

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