仇紅超，劉吉福，錢尼貴

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司，廣州 510507；2.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

廣東珠三角地區(qū)軟土分布廣泛，因其具有高壓縮性、強度低、物理力學指標差等特性，對工程建設(shè)產(chǎn)生較大的不利影響[1]。在公路工程建設(shè)中，軟土路基處理常采用的處治方法有淺層換填、深層排水固結(jié)以及復合地基處理等，考慮工程造價因素，在工期允許的情況下，排水固結(jié)法是相對有效而又經(jīng)濟的處治方案，因此排水固結(jié)法在公路軟基處理中得到了廣泛應用。但由于對該方法的使用不當，路堤失穩(wěn)的案例時有發(fā)生。

本文依托廣東某高速公路K23+217～+357段袋裝砂井+堆載預壓法軟基處理，對該路段施工過程中路堤失穩(wěn)的原因進行了分析，并采用有限元數(shù)值模擬方法對原處治方案及滑塌后采用反壓護道處理的處治方案進行了驗證分析[2-3]，為今后排水固結(jié)法的應用及解決類似的工程問題提供參考。

1 工程概況

1.1 項目建設(shè)

廣東某高速公路設(shè)計采用雙向四車道、行車速度120km/h的標準。該工程K23+217～+357段所在地區(qū)的地形地貌為沖積平原，現(xiàn)狀周邊主要為農(nóng)田，地面標高約1.3～1.5m。該路段設(shè)計標高7.8～8.6m，路基填方高度6.4m～7.2m，路基頂寬30m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，揭露該路段存在兩層軟土，均為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。場地土層自上而下為粉質(zhì)粘土2、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土4-1、粉質(zhì)粘土4-0、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土4-1、粉質(zhì)粘土5、粗砂6-6、粉質(zhì)粘土8等，如圖1所示。各土層的物理力學指標見表1。

表1 各土層物理力學指標

圖1 原軟基處理方案

1.2 原軟基處理方案

軟基處理形式為袋裝砂井+堆載預壓，堆載形式為超載預壓，超載高度為1m。袋裝砂井直徑為7cm，編織袋采用聚丙烯編織布，滲透系數(shù)不小于1×10-2cm/s，容許抗拉強度不小于15kN/m，有效孔徑<0.08mm。砂井采用的砂為風干的中粗砂，含泥量不大于3%，細度模數(shù)不小于2.7，不均勻系數(shù)小于4。袋裝砂井按正三角形布設(shè)，長度為8.6m，間距1.2m。排水墊層厚度0.6m，采用潔凈的中粗砂，滲透系數(shù)不小于5×10-3cm/s，含泥量不大于5%，細度模數(shù)不小于2.7。砂墊層頂部設(shè)置一層單向拉伸的聚丙烯塑料土工格柵 (不得熱熔且不得焊接)TGDG120PP。土工格柵拉伸強度不小于120kN/m，標稱伸長率不大于10%，2%伸長率時的抗拉強度不小于36kN/m，5%伸長率時的抗拉強度不小于72kN/m。

1.3 施工過程

該路段路基于2015年10月開始填筑，2016年4月填土至93區(qū)頂(累計厚度約5m)后，受土源影響暫停填土。2017年2月中旬重新填筑，于2017年4月完成(96區(qū)頂)及超載預壓1m的填筑，累計填筑厚度為8.06m。

2017年4月9日，K23+271～+357(長度約86m)路段右側(cè)路基出現(xiàn)縱向裂縫及向下塌陷，向外發(fā)生位移，路基右側(cè)排水土溝及地方農(nóng)田不同程度地受到影響；路基頂塌陷寬度為0～2.5m，受牽引產(chǎn)生的拉裂裂縫范圍距離路肩寬度約7m。

外側(cè)農(nóng)田發(fā)生不同程度的起拱、上升，拱起范圍距離坡腳寬度8～10m，高度約1m。

圖2 滑塌現(xiàn)場

2 滑塌原因分析

采用Midas GTS NX有限元數(shù)值模擬軟件，模擬該路段的施工過程，計算路堤沉降和穩(wěn)定性。沉降計算中考慮施工過程，模擬了路堤分層加載至預壓期結(jié)束、路面施工以及運營期結(jié)束，分不同施工階段計算相應的沉降。根據(jù)式(1)推算相應的固結(jié)度，根據(jù)式(2)計算地基土固結(jié)后的強度，然后采用強度折減法計算路堤邊坡的穩(wěn)定性。

固結(jié)度計算公式：

(1)

式中：St—不排水抗剪強度(kPa)；

S∞—固結(jié)快剪黏聚力(kPa)；

Uf—對應應力σf的固結(jié)度。

固結(jié)強度公式：

Cu=ccq+(σg+σfUf)tanφcq

(2)

式中：Cu—不排水抗剪強度(kPa)；

ccq—固結(jié)快剪黏聚力(kPa)；

σg—地基土初始豎向有效應力(kPa)；

σf—路堤荷載在地基中產(chǎn)生的豎向附加應力(kPa)；

Uf—對應σf的固結(jié)度；

φcq—固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角(弧度)。

沉降計算中，為準確地計算軟土層的沉降量，軟土層采用修正的劍橋黏土本構(gòu)模型[4]，其余土層和路堤采用莫爾庫倫本構(gòu)模型；路堤穩(wěn)定計算中，各土層均采用莫爾庫倫本構(gòu)模型。為保證計算結(jié)果的精確度，本次計算模型的邊界范圍設(shè)置為：路堤頂寬30m，地基土層取路堤坡腳向外30m。單元網(wǎng)格尺寸劃分原則：路堤及滑移可能影響的路基范圍單元網(wǎng)格尺寸采用0.2m，該范圍以外單元網(wǎng)格尺寸采用1m[5]。本次計算采用的參數(shù)見表2和表3，建立的模型如圖3所示。

表2 模型參數(shù)

表3 修正的劍橋黏土模型參數(shù)

圖3 計算模型

沉降計算結(jié)果見表4，沉降云圖如圖4所示。路堤最大沉降位于路基頂中心為79.3cm，兩側(cè)路肩位置沉降基本相同分別為66.7cm、66.2cm，路堤中心位置工后沉降為9.4cm。根據(jù)沉降計算結(jié)果，推算超載施加完畢時的軟土層固結(jié)度。根據(jù)固結(jié)度計算路堤區(qū)及路堤邊坡范圍的軟土層抗剪強度，見表5。

表4 沉降計算結(jié)果(路基頂中心位置)

圖4 施工期末沉降云圖

表5 沉降及固結(jié)度計算結(jié)果(路基中心位置)

根據(jù)以上計算結(jié)果，將加固區(qū)分為路堤區(qū)和邊坡區(qū)，采用相應的強度，路堤邊坡以外采用原位強度，計算路堤的穩(wěn)定性，計算結(jié)果如圖5所示。超載施加完成時，路堤穩(wěn)定系數(shù)為1.06，應力圖中顯示塑性應變區(qū)呈近似圓弧狀，其頂端距離路肩4.5～7.0m，底端距離坡腳5.6～10.2m。塑性區(qū)位于第一層軟土層，并未貫穿第二層軟土，該塑性區(qū)與現(xiàn)場滑動頂端以及坡腳外側(cè)隆起出口位置基本吻合。

圖5 塑性滑動區(qū)

根據(jù)穩(wěn)定和沉降的計算結(jié)果，結(jié)合該路段施工過程的分析，該路堤滑塌的主要原因有：

(1)路堤邊坡安全系數(shù)為1.06，雖然大于1，但安全系數(shù)不高，安全儲備不高。

(2)路堤填筑期間受土源和工期的影響，2015年10月至2016年4月填土至93區(qū)頂(約5m)即停止了加載，直至再次填土，雖預壓了10個月時間，但預壓荷載并未達到設(shè)計要求的等載、超載荷載，且在2017年2月中旬至4月約1個半月的時間內(nèi)填筑厚度約2.8m，填筑速度過快，此時路堤最大高度達8.0m。在該路堤荷載下已接近路堤穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，土體固結(jié)及強度增長還未達到支撐荷載所需的強度，也是導致路堤滑塌的原因之一。

(3)現(xiàn)場軟基處理的排水墊層在路基填筑期間被完全覆蓋，排水通道不順暢，且時值汛期，連續(xù)暴雨和春耕農(nóng)田蓄水，排水固結(jié)速度緩慢，也是路堤失穩(wěn)的影響因素之一。

根據(jù)本工程案例分析，排水固結(jié)法應用過程中，要有足夠的安全儲備，即計算安全系數(shù)應不小于1.2，同時合理控制荷載的加載速率至關(guān)重要。路堤填筑初期，路堤荷載小于軟土原位強度所能承受的荷載，可適當提高荷載填筑速率，及時施加預壓荷載并爭取預壓期。在路堤荷載及排水體(袋裝砂井)共同作用下，隨著地下水的排出，路基土的強度將逐漸增長。但該排水固結(jié)過程是緩慢的[6-7]，土體強度的增長緩慢，因此荷載的施加也應該放緩。施加荷載應小于路基軟土固結(jié)的強度增長，尤其是在填土高度接近極限高度時，應嚴格控制荷載施加速度，并根據(jù)地基土水平位移、沉降、固結(jié)度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷是否可進行下一層的路堤填筑，以保證路堤穩(wěn)定。

3 滑塌后的處治對策和方案

3.1 處治對策

根據(jù)失穩(wěn)原因并綜合考慮工程造價等因素，對該失穩(wěn)路段進行攪拌樁復合地基、CFG樁復合地基、增設(shè)反壓護道等方案比選。由于該處軟土含有有機質(zhì)，水泥攪拌樁成樁質(zhì)量難以保證，考慮造價因素，反壓護道方案處治的優(yōu)勢相對較大，因此采用反壓護道方案。在路堤滑移側(cè)設(shè)置反壓護道，反壓護道寬度及高度根據(jù)現(xiàn)場坡腳外隆起的范圍及有限元計算結(jié)果，得出最優(yōu)方案。

因路堤坡腳外側(cè)滑移隆起的影響范圍最大寬度約10m，反壓護道需完全覆蓋隆起范圍，因此反壓護道寬度擬定采用15m。對于反壓護道的填筑高度，為保證反壓護道自身的穩(wěn)定性，反壓護道高度不宜超過天然地基極限填筑高度，否則反壓護道自身不能穩(wěn)定需進行軟基處理，一方面增加了造價，另一方面若采用排水固結(jié)處理反壓護道自身的沉降對路堤可能產(chǎn)生拉裂。因此，擬定填筑高度為1.5m、2.0m、2.5m，并分別進行穩(wěn)定性分析比較。

對不同高度的反壓護道方案采用Midas GTSNX有限元數(shù)值模擬進行穩(wěn)定計算，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同反壓護道高度穩(wěn)定性計算結(jié)果

反壓護道高度為1.5m、2.0m、2.5m時的安全系數(shù)分別為1.275、1.282、1.300。由圖7所示的塑性滑動帶可以看出，反壓護道高度為1.5m、2.0m時，潛在塑性滑動面與常規(guī)的圓弧滑動不同，在反壓護道下方基本呈平直滑動面，潛在塑性滑動面呈“圓弧+直線+圓弧”的型式；反壓護道高度為2.5m時，潛在塑性滑動面由兩個圓弧組成，路堤荷載產(chǎn)生的滑弧未穿透反壓護道，而是與反壓護道滑弧形成近似“W型”的滑動面。同時，滑動面均在第一層軟土層范圍，因此滑動面的形狀受軟土層厚度的影響，與軟土層厚度相關(guān)。

為保證路堤的穩(wěn)定性，本次反壓護道高度取2.5m。路堤沉降計算結(jié)果見表6，沉降云圖如圖7所示。路基頂最大沉降位于路堤中心位置至右側(cè)1.2m范圍，左側(cè)、右側(cè)路肩沉降分別為63.7cm、61.8cm，相差1.9cm，沉降盆向右側(cè)略有擴展。路基頂中心位置施工期末的沉降為79.1cm，工后沉降為9.3cm。與未施加反壓護道沉降特征略有差別，路堤范圍沉降特征受反壓護道的影響較小。

表6 路堤沉降計算結(jié)果(路基頂中心位置)

圖7 施工期末沉降云圖

3.2處治方案

根據(jù)以上對處治對策的分析及計算，擬定了處治方案。在路堤滑移側(cè)設(shè)置寬15m、高2.5m的反壓護道，同時在反壓護道下設(shè)置透水墊層與既有路堤排水墊層連通、順接，將路堤預壓水引至反壓護道外側(cè)，保證路堤堆載預壓能夠繼續(xù)發(fā)揮作用。對滑塌路堤則按新舊路基拼接的方式，將滑塌以及存在裂縫的部分挖除，并開挖成臺階狀，在每級臺階位置設(shè)置雙向鋼塑土工格柵(橫向長6m，縱向滿鋪)，回填壓實，以避免后期滑塌位置與既有路堤之間產(chǎn)生縱向裂縫和不均勻沉降。

3.3 處治效果

該處治方案實施完成后，于2018年10月通車。根據(jù)該工程2021年定期檢查、監(jiān)測的沉降、位移等數(shù)據(jù)，該工程運營期間工后沉降及水平位移隨時間發(fā)展的曲線如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可見，通車后至2021年10月20日，該路段左、右側(cè)路肩位置工后總沉降分別為60.8mm、55.2mm，沉降速率為0.4mm/月，沉降曲線逐漸趨于平緩。深層水平位移，累計位移最大值為6.73mm，位于地面以下4.0m的位置，且該路段深層位移無明顯的拐點現(xiàn)象。因此，綜合分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，該路段路基處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖8 工后沉降時間曲線

圖9 深層水平位移曲線

4 結(jié)語

(1)采用排水固結(jié)法處理軟土路基，合理控制荷載的加載速率十分重要。在路堤填筑初期，路堤荷載小于軟土原位強度所能承受的荷載，可適當提高荷載填筑速率，及時施加預壓荷載并爭取預壓期。在路堤荷載及排水體(袋裝砂井)共同作用下，隨著地下水的排出，路基土的強度將逐漸增長，但是該排水固結(jié)過程緩慢，土體強度增長緩慢，因此荷載的施加也應放緩。施加荷載應小于路基軟土固結(jié)的強度增長，尤其是在填土高度接近極限高度時，應嚴格控制荷載的施加速度，并根據(jù)地基土水平位移、沉降、固結(jié)度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷是否可進行下一層路堤的填筑，以保證路堤的穩(wěn)定。

(2)對于軟土路堤發(fā)生失穩(wěn)的情況，反壓護道處治是較為經(jīng)濟可行的方案。經(jīng)反壓護道處理后，路堤潛在滑動面呈現(xiàn)“圓弧+直線+圓弧”型式或由兩個圓弧組成呈現(xiàn)近似“W型”，與反壓護道的高度及軟土層厚度等有關(guān)，因此，對設(shè)有反壓護道的情況僅采用圓弧滑動法計算其穩(wěn)定性欠妥，其穩(wěn)定性計算可采用有限元強度折減法。反壓護道對路堤沉降的影響較小。

(3)排水固結(jié)法應用于軟基處理時，達到極限高度后，在工程用地允許時，可通過設(shè)置反壓護道來提高排水固結(jié)所適應的填土高度，排水固結(jié)+反壓護道法是經(jīng)濟有效的軟基處理方案之一。