傍山高填方软土路基病害和工程对策

傍山软土高路堤工程病害及处治对策朱益军，毛斌，施轶峰，王迎春（浙江省交通规划设计研究院，杭州，310009）摘要：深厚软土地区傍山填方路基的地基处理颇为棘手，易滑移、沉降不均匀导致路面开裂是其常见病害。结合温州绕城高速公路软基处理工程实践，对特殊路基处理中遇到的问题、工程特性及解决方案开展深入研究，提出了工程对策和设计经验参数，以资借鉴。关键词：地基处理，傍山路基，管桩，稳定性，沉降变形ProblemsofthemountainsidehighlyfilledembankmentonsoftsoilsubgradeanditstreatmentcountermeasuresZhu-yijun，Mao-Bin，Shi-Yifeng，Wang-yingchun（ZhejiangProvincialPlanDesign.&.ResearchInstituteofCommunicationsHangzhou310009）Abstract:Onsoft-soilsubgradearea,mountainsidehighembankmentisakindofintractableobjecttotreat.Italwaysbehavesslidingorsettlement,whichevenbringscracksonroadpavement.AccordingtotheconstructionexperienceofCircleexpresswayofWen-Zhoucity,manysubgradeproblemshavebeendealtwithsuccessfully.Itsproperty,countermeasuresandexperienceddesigndataarepreferredtobecommented.Keyword:subgrademeasures,mountainsideembankment,pipepile,stability,settlement1收稿日期：2010–06–23作者简介：朱益军(1977.12-)，男，浙江义乌人，博士，高工，主要从事岩土工程、地下工程等领域的设计与科研工作。E-mail：ZHUYJ@ZJIC.com基金项目：浙江省科技计划资助项目(2009C33047)；浙江省交通厅科技计划项目(2006H02)1引言浙江温台沿海区域地势西高东低，区内丘陵广泛分布，自然山坡高度一般多为几十米至数百米，坡脚谷地及东部沿海则多为海积平原，地基软土层十分深厚，淤泥含水量高、孔隙比大、抗剪强度指标低，路堤易产生滑移和沉降变形，地基处理十分关键。傍山路堤是一种特殊路基，公路选线期间为兼顾节约工程投资和减少自然山坡开挖破坏，其一般多分布在半填半挖路段和近隧道洞口路段，由于地基土层处于软硬过渡区，其路堤稳定及沉降变形控制颇具技术难度，愈受工程界所关注。如2004年4月福建罗长高速公路K215＋130-200路段在通车数年后突然发生路基特大坍塌事故；2008年10月甬台温高速铁路乐清段某路堤数十米范围产生滑移，路堤后缘裂缝错台达2m多，并引起周边多套民房产生严重变形。温州绕城高速公路建设期间也有类似的工程案例，并有多处傍山填方软土路堤，其工程实践经验颇值得借鉴。2傍山软土路堤工程特点及病害浙江省是一个多山的省份，其沿海地区同时也广泛分布着狭长的海积平原，其分布高程一般在海拔5m以内，地表以下海积淤泥厚度一般在10～40米，局部达到100m以上，向陆变薄，向海加厚，傍山软土路堤是沿海丘陵地区特有且常见的工程对象，填挖区域地基过渡处理十分棘手。其工程特点及病害主要表现为以下几个方面。①地基承载特性差异大、变化快，路堤易失稳。路基纵断面或横断面方向上，地基岩土承载力强弱不均，基岩区荷载小，承载力却很高，一般可达到200KPa~60MPa以上；软土区路堤荷载大但承载力很弱，有时甚至低于30kPa。5 加上山体岩基深入海积平原（谷地）形成陡倾接触面，路堤很容易顺着岩体与土层的界面形成滑动面，当软土区域地基处理设计承载力不足时，就会产生大范围路堤滑移变形或沉陷病害。②路堤填筑高差大，地基变形难以协调，路面易开裂。傍山软土路堤挖方侧为原状岩土体，强度高且密实性好；填方侧路堤填筑高，地基软弱，淤泥层承受附加应力会产生较大的压缩变形，地基变形难以协调，从而易导致路面开裂、早期车辙或跳车现象，地基处理效果颇为关键。山体BHmaxH0硬土层软土层路堤岩层图1伴山软土路堤③软硬过渡区域软土层深浅不一，但具硬质持力层。在公路隧道洞口或半填半挖路段，从岩体地基至软土地基过渡范围十分有限，软基深度变化很大。局部路段路基挖方侧为中风化硬岩，不足20m距离之外的路基填方侧淤泥深度却已达到20m以上。因此，傍山路段预制桩桩长在施工过程中很难控制，柔性桩施工桩长虽可控却又不能提供较高的承载力，沉降变形难以协调，易导致路面纵向或横向开裂。不过，傍山软土区域往往也具有较好碎石土或岩石等硬质持力层，有利于保障刚性桩地基处理的成效。3傍山软土路堤处治方案分析3.1傍山软土路堤常用比选方案针对傍山填方软土路堤工程特点，对于填高4m以上的路堤，一般可采用复合地基(搅拌桩)、桩式路堤(管桩)、轻质路堤（EPS）等处理方式，固结排水法由于傍山路堤沉降差异过大很少采用。以路基顶宽为26m的高速公路为研究对象，综合软基处理、填挖方、路面、征地（20万元/亩，参考温州地区2008年征地价格）及交通工程等设施，表1对各方案进行了同等深度概算对比，各方案优缺点分析结论如表1所述。由此可见，对于填高H≤8m的软土路堤，管桩处理具有较好经济、技术优势；而对于填高H>8m的深厚软土路堤，从技术风险控制、经济性和节约土地等综合要素分析而言，路堤改桥是优选方案。表1不同地基处理方案对比分析类型最大填高Hmax桩间距m工程造价万元/100m优缺点搅拌桩复合地基4m1.5453.7①施工便利，不需截桩②费用较高③质量不易控制④路堤偶见滑移⑤工后有一定沉降6m1.2637.9>6m-不推荐预制管桩承载地基4m2.5442.7①需截桩或接桩②费用相对便宜③质量容易保证④稳定性好，承载力高⑤工后沉降少6m2.2624.88m2.0766.9轻质路堤4m-557.5①造价高②施工便利、安全③质量可控④稳定性好⑤受水位影响较大6m842.28m1166.3路堤改桥方案>8m上部25m小箱梁778.3①造价高②施工方便③质量可控④技术安全⑤节约土地注：1.地基处理深度按15m计，造价按概算定额分析计算。2.伴山路段管桩地基处理考虑了10%的截桩率。3.2傍山软土路堤管桩处理承载特性对于傍山软土路堤的易滑移、不均匀沉降等病害，若具备硬质持力层（如碎石土、砂砾和岩石等）条件，管桩对厚度H0≤25m的软土地基处理具有良好的适应性[1-5]。近年来，根据浙江省内申苏浙皖高速公路、台缙高速公路和温州绕城高速公路北线等项目关于桩式路堤承载特性的理论研究与现场监测成果，[6]文研究成果也表明，桩式路堤的刚性桩承载时，桩帽之间具有明显的“土拱”效应，而且在有效承载的桩间距范围内，持力层压缩模量越大（硬土层），桩/土荷载分担比随着桩间距的增大而相应减小幅度越小，图25 曲线坡降越平缓；但若持力层压缩模量降低（相对硬土层或软持力层），桩/土荷载分担比将随桩间距增大而大幅下滑，图2曲线坡降越陡。而且，对于持力层为相对硬土层的桩承式路堤，随着软土层厚度增加，桩/土荷载分担比也会相应增长。随着桩底持力硬土层压缩模量降低，桩/土荷载分担比随着软土层增厚而增长越快，图3曲线越陡；持力层压缩模量越高，图3曲线越趋于平缓。由此可见，对于持力层为硬土层的桩承式路堤，管桩间距适当加大（如2.2~3.0m）对管桩地基的承载力并不会产生较大调整，依然能保持较好的承载特性，地基承载力主要由管桩承载力所决定。这一点在温州绕城高速公路沿线多个路段的伴山高填方软土路堤工程实践中得到了很好的检验，并有效节约了深厚淤泥层地基处理的工程费用，其经济性甚至大幅度地优越于搅拌桩地基，而且有力保障了工程施工质量。3.3傍山软土路堤管桩设计经验参数根据温州绕城高速公路北线工程沿线多处傍山路基软基处理实践，根据软土层的厚度、桩端持力层特性、路基填筑高度、预压期沉降和施工期末沉降等要素，对傍山路段管桩设计采取了不同的经验设计参数（表2），均取得了较好地基处理效果，未发生路面开裂、路基滑移等病害，工后沉降也相对微小，颇值得借鉴。55桩土荷载分担比%桩间距/m图2桩体荷载分担比随桩距的变化图软基深度/m桩土荷载分担比%图3桩体荷载分担比随软土层厚度变化图5表2温州绕城高速公路部分傍山路堤管桩设计参数编号傍山路段地质条件最大填高（m）管桩地基设计参数预压期沉降（cm）施工期末沉降（cm）深度H0（m）间距（m）桩帽尺寸（m）1K10+426~K10+592表部为粘土层，厚0.7～1.1m,[σ0]＝50～60Kpa；以下为淤泥层，厚度为0～26m，含水量ω=52～83%，孔隙比为1.59～1.94，压缩模量Es＝1.24～1.70MPa、易变形、承载力低,厚度变化大,近山前变薄,〔σ0〕＝40～45kPa，桩侧τ＝8～10Mpa，C=3~8.0Kpa，Φ=2～4.6°,下卧层一般为碎石土或角砾，地基容许承载力〔σ0〕＝130～180kPa，桩侧土极限摩阻力τ＝35～45Mpa，底部多为晶屑凝灰岩层。5.03~102.5-2.81.0×1.0×0.35m8.649.362K14+810~K15+3007.63~14*3~3.511.5312.773K21+815~K21+9107.84~152.0~2.212.1513.824K22+800~K22+9704.86~202.511.6411.965K24+132~K24+1825.56~202.413.7316.056K24+182~K24+2304.06~182.612.9613.967K24+760~K24+8908.06~202.0~2.216.6217.85注：1.施工期末沉降指路基路面交工通车时累计沉降；2.管桩间距一般均按正方形布置，梅花形布置时，表中已按等效间距换算。3.表中管桩间距加*路段，地基原经搅拌桩处理，经检测不合格率超过50%，插打管桩补强。5 4傍山软土地基工程病害处治温州绕城高速公路K15+180-K15+330路段为沿山半填半挖路段，地质条件复杂，软基深厚不均，根据钻探资料，淤泥层厚0~13.6m，含水量约78%，空隙比约1.81，流塑状态，C=5.2KPa，Φ=3.8°。下卧持力层为含粘性土碎石及晶屑凝灰岩强风化层，地表软硬相接处为天然陡坎，路堤填方侧最大填高约7.6m。为方便施工，设计按照规范公式（1）进行设计验算后，施工图采用了Φ50cm搅拌桩复合地基，间距1.2m，梅花形布置，长度3~14m，水泥掺量60kg/m。2007年5月，完成搅拌桩施工，经取芯检测，搅拌桩试块无侧限抗压强度部分达不到0.6MPa，不合格率≥40%。按地方标准要求，为确保工程质量，该路段搅拌桩需全部重新打设，工程预算费用需增加约47万元。复合地基承载力计算公式为（1）其中，搅拌桩单桩承载力为（2），分别为桩周长度和桩端面积；，分别为桩侧土极限摩阻力和桩端承载力；为土层厚度；为桩端承载系数，为搅拌桩面积置换率；为桩间土承载力；为桩间承载力折减系数。为确保工程安全，节约工程投资，设计采取了管桩插打补强的工程措施，经验算，管桩间距采用3.0m×3.0m，矩形布置，桩长3~14m，工程实际费用仅增加约41万元，比搅拌桩补强方案节省6万元。经专家论证并实施后，取得了良好的工程治理效果。5插打管桩搅拌桩K15+180K15+330插打预应力管桩，桩间距3m，正方形布桩搅拌桩间距1.2m，梅花形布置图4伴山软基路堤插打管桩补强方案图55结论与建议1）按照《公路路基设计规范》（JTGD30-2004），一般高路堤是指填高H≥20m的填方路堤。但在深厚软土地区，建议将填高H≥8m的软土路堤按高路堤考虑。为减少工程风险，节约投资，软土高路堤路段应结合工程具体条件，与桥梁等方案进行综合比选。2）当持力层为碎石土、砂砾土或岩层等硬质材料时，若软基处理深度H0≤25m，管桩通过合理间距布置，地基处理质量比搅拌桩复合地基更容易保证，工程费用也相对节省，并能较好适用于伴山软土路堤地基处理。5 3）对于硬质持力层的软土路堤，管桩间距一般可适当加大（可取2.2~3.0m），并可根据路堤填高确定合理桩间距。建议对硬质持力层的管桩路堤承载机理开展进一步理论与试验研究，然后，根据不同持力层和填高，确定更科学、合理的设计桩间距。4）傍山路堤地基持力层一般均为硬质持力层。工程实践表明，管桩在傍山软土路堤的地基处理中具有良好的技术、经济优势。参考文献：[1]HanJ,GabrMA.NumericalanalysisofGeosynthetic-reinforcedandpile-supportedearthplatformsoversoftsoil.JofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,ASCE.2002,128(1):44-53.[2]HanJ,AkinsK.Useofgeogrid-reinforcedandpile-supportedearthstructures.ProceedingsofInternationalDeepFoundationCongress,ASCE,2002,Orlando,668-679.[3]Terzaghi,K.TheorecticalSoilMechanics[M],JohnWiley&Sons,NewYork,USA,1943.[4]AlexiewDA，VogelW.Reinforcedembankmentsonpilesforrailroads.Germanexperience.Geotechnicsforroads,railtracksandearthstructures,GomesandBrandl(eds.),Balkema,Netherlands,2001:267一274[5]LowBK,TangSK,ChoaV.Archinginpiledembankments.JournalofGeotechnicalEngineering,ASCE.1993,120(11):1917-1938.[6]徐立新，桩承式加筋路堤的设计计算方法研究[D],杭州：浙江大学博士学位论文，2007.01。5作者简介：朱益军（1977.12~）：浙江义乌人，博士，高级工程师，1999年毕业于浙江工业大学交通土建工程专业，2002年3月获得硕士学位，2008年3月获浙江大学岩土工程专业博士学位。主要从事路基路面工程防护设计与研究。电话：0571-85156936-1122；电子邮箱：ZHUYJ@ZJIC.COM工作单位：浙江省交通规划设计研究院；邮编：310009详细地址：浙江省杭州市环城西路89号武林大厦11楼身份证号：330725197712076016手机5