(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

湖區(qū)深厚軟土路基處理方案的合理選取，對(duì)提高公路建設(shè)的質(zhì)量和控制工程造價(jià)有著至關(guān)重要的作用;本文結(jié)合某高速公路工程實(shí)例，通過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的綜合比較，探討針對(duì)不同軟土厚度的最佳處理方案。

1 洞庭湖區(qū)域軟土基本特征

洞庭湖區(qū)存在的湖相軟土不同于沿海地區(qū)的濱海相軟土，也不同于山區(qū)軟基多為小范圍分布的情況，主要表現(xiàn)如下:

洞庭湖區(qū)(屬新華夏系第二沉降帶中部)為燕山期以來逐漸形成的一個(gè)中新大型坳陷盆地。軟土分布區(qū)域地勢(shì)平坦，沉積層較厚，地層分布自上而下一般為:種植土、亞粘土、淤泥質(zhì)土、粉砂、細(xì)砂、花崗巖全風(fēng)化層等。軟弱土最厚達(dá)38.9 m，平均厚度有20多米，穩(wěn)定水位深度比較高，大致在0.8 m～6.4 m范圍浮動(dòng)(大部分地段穩(wěn)定水位在1 m～3 m)，主要接受大氣降水(年平均降水量1250 mm～1450 mm)、洞庭湖水以及附近水系的綜合補(bǔ)給。

2 軟土地基處理技術(shù)

目前，深厚軟土地基處治技術(shù)主要有石灰攪拌樁法、水泥攪拌樁法、水泥粉煤灰碎石(CFG)樁法以及管樁法等。

石灰攪拌樁適用于處理飽和粘性土、淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土等地基，具有在施工時(shí)無振動(dòng)，強(qiáng)度增長(zhǎng)快，不需預(yù)壓，可大大減少土體沉降量，工期短，造價(jià)較水泥攪拌樁低等優(yōu)點(diǎn)，但在水位以下的樁身強(qiáng)度較低，樁身呈可塑～硬塑狀。

水泥粉煤灰碎石(CFG)樁可用于雜填土、飽和及非飽和粘性土、粉土、砂性土及濕陷性黃土地基中。盡管其適用范圍廣，處理效果好，加固深度大，但其施工工藝復(fù)雜，軟土強(qiáng)度低時(shí)不易成型，造價(jià)較粉噴樁相對(duì)較高。

水泥攪拌樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、粘性土以及無流動(dòng)地下水的飽和松散砂土等地基。其在本項(xiàng)目區(qū)域有較豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，處理效果較好，且理論較成熟，加固深度可達(dá)15 m。

管樁適用于處理粘性土、粉土、淤泥質(zhì)土、砂土及已完成自重固結(jié)的素填土等地基。盡管其具有造價(jià)高等缺點(diǎn)，但其具有效樁長(zhǎng)長(zhǎng)，處理深度大，且管身自身質(zhì)量易控制，承載力高等特點(diǎn)。

真空加載土體中剪應(yīng)力不會(huì)增加，不必控制加載速率，但施工工藝復(fù)雜，施工要求高，對(duì)地基要求高，軟土層下局部分布有粉細(xì)砂層時(shí)，真空預(yù)壓難以形成足夠的真空度。

堆載預(yù)壓具有造價(jià)低廉，施工工藝簡(jiǎn)單，無需特殊材料，對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，但是，堆載預(yù)壓法也有工期長(zhǎng)和沉降值較大等不足之處。尤其對(duì)于軟基處治深度大及工期要求緊等工程，不適宜單獨(dú)采用此類方法。因此，必須設(shè)置豎向排水系統(tǒng)加速土體固結(jié)以達(dá)到贏得時(shí)間，縮短施工周期的目的。豎向排水系統(tǒng)通常采用袋裝砂井和塑料排水板。

袋裝砂井在軟土深度和面積較大的地區(qū)采用，地基變形容易產(chǎn)生徑縮，影響排水效果;另外，為保證施工質(zhì)量、降低施工難度，袋裝砂井的長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)。

塑料排水板與袋裝砂井的排水效果基本相同，而且塑料排水板具有插板機(jī)械輕、效率高、對(duì)土體擾動(dòng)小、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，且塑板具有單孔過水?dāng)嗝娲蟆⑴潘畷惩?、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)。同時(shí)，考慮到排水板聯(lián)合堆載預(yù)壓法需較長(zhǎng)的預(yù)壓期，對(duì)構(gòu)造物有一定的水平向剪切力，路基總沉降量較大，因此只限于在一般低填路基路段使用。

3 實(shí)際工程分析

3.1 沿線軟土分布狀況

洞庭湖區(qū)某高速公路湖南省穿越洞庭湖區(qū)華容隆起，沿線地勢(shì)平坦，軟土分布廣泛。根據(jù)勘察資料，K2+700～K15+670附近，約占全線的30%以上，軟弱土最厚達(dá)38.9 m，平均厚度有20多米，超過26 m的地段主要集中于K0+107.5，K2+700～K3+444，K7+800～K8+753以及K9+960～K11+680等附近地段、粉砂、細(xì)砂、花崗巖全風(fēng)化層等。其地層分布規(guī)律:K0+000～K12+000段(主要的軟弱土區(qū))較K12+000～K15+670段，軟弱土層(亞粘土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)亞粘土等)較厚，全風(fēng)化花崗巖層埋藏較深;K0+000～K12+000段缺粘土、亞粘土(⑤-1，⑤-2，河湖相沖積層)層，K12+000～K16+707段，其粘土、亞粘土(③-1，③-2，湖相沉積層)層越來越薄，而粘土、亞粘土(⑤-1，⑤-2，河湖相沖積層)地層越來越厚，全風(fēng)化花崗巖層埋藏越來越淺;其湖泊沉積相地層在K15+670以后減薄直至尖滅。

3.2 參數(shù)選取

按理論計(jì)算，路堤高度選取是根據(jù)路基設(shè)計(jì)控制標(biāo)高(35.9 m)與地面高程之差來選取，然后根據(jù)具體需要依次向上(或向下)取值。路堤邊坡設(shè)計(jì)按雙側(cè)浸水的浸水路堤設(shè)計(jì)，并以設(shè)計(jì)洪水位控制，破壞模式為緩升驟降形式。土層指標(biāo)根據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)柱狀圖、土的基本性質(zhì)試驗(yàn)成果以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)綜合比選取值。

地基、路堤整體抗剪穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)采用圓弧條分法;宜用總應(yīng)力法或有效固結(jié)應(yīng)力法計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù);浸水路堤在設(shè)計(jì)水位以下的邊坡坡率不宜陡于1∶1.75;基本烈度為7度，8度，9度的地區(qū)應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

3.3 方案比選

本次經(jīng)濟(jì)比選思想是分別按軟弱土厚度在15 m以內(nèi)、15 m～20 m以及超過20 m厚度進(jìn)行路段分區(qū)，然后根據(jù)我們擬定的軟基處治方案設(shè)計(jì)基本原則對(duì)相應(yīng)路段進(jìn)行理論計(jì)算，最后根據(jù)各路堤處治總造價(jià)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，以確定最終各處治方案適用原則。

通過造價(jià)比較分析表明:

1)當(dāng)路堤高度為11.2 m，水泥攪拌樁長(zhǎng)15 m，間距1.2 m時(shí)，總造價(jià)為5213萬元/km(總造價(jià)包括軟基處理以及土方、漿砌片石護(hù)坡、路面、涵洞、沿線設(shè)施、用地以及排水設(shè)施等費(fèi)用，以下同)。

2)當(dāng)路堤高度為9.2 m，管樁樁長(zhǎng)21 m，間距2 m時(shí)，總造價(jià)為7132萬元/km(總造價(jià)包括軟基處理以及土方、漿砌片石護(hù)坡、路面、涵洞、沿線設(shè)施、用地以及排水設(shè)施等費(fèi)用，以下同)。

3)當(dāng)路堤高度為8 m，排水板板長(zhǎng)20 m，間距1.2 m時(shí)，總造價(jià)為3181萬元/km(總造價(jià)包括軟基處理以及土方、漿砌片石護(hù)坡、路面、涵洞、沿線設(shè)施、用地以及排水設(shè)施等費(fèi)用，以下同)。

4)對(duì)于K0+000～K17+000路段高架橋方案總造價(jià)為7300萬元/km。

5)對(duì)于全線路堤段，總體來看邊坡穩(wěn)定系數(shù)基本隨路堤高度增加而降低，具體如下所述:

a.當(dāng)路堤高度h＜8 m，堤身邊坡坡比為1∶1.5時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)不小于1.1(見圖1)。

圖1 邊坡坡比為1：1.5時(shí)h—Fs關(guān)系圖

b.路堤高度8 m≤h＜12 m，堤身邊坡坡比為 1∶1.5時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1.1(見圖1);而坡比為 1∶1.75時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)不小于1.1(見圖2)。

c.路堤高度h≥12 m，堤身邊坡坡比為1∶1.75時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1.1;而采用折線式邊坡形式，堤身一級(jí)邊坡坡比1∶2，二級(jí)邊坡坡比1∶1.75時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)不小于1.1(見圖3)。

圖2 邊坡坡比為1：1.75時(shí)h—Fs關(guān)系圖

圖3 折線式邊坡坡比為1：1 .75和1：2時(shí)h—Fs關(guān)系圖

通過上述經(jīng)濟(jì)分析表明，在相同條件下，不同處治方案的總造價(jià)與路堤高度有正相關(guān)性，呈近似線性關(guān)系，總造價(jià)隨著路堤高度增加而增加。

通過上述幾種方案的造價(jià)對(duì)比分析，堆載預(yù)壓固結(jié)排水法造價(jià)最低，但其施工時(shí)間長(zhǎng)，工后沉降大，且容易失穩(wěn)等(考慮到本項(xiàng)目工期以及地震效應(yīng)等因素，上述處治深度值和填高為極限值)。因此，堆載預(yù)壓固結(jié)排水方案只能用于填高不大于8 m，處治深度小于20 m軟基路段。而水泥攪拌樁不僅設(shè)計(jì)理論較成熟，而且在本地區(qū)有較豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)于本項(xiàng)目即使在處置深度為15 m時(shí)，其每千米造價(jià)比橋梁造價(jià)也要低2000多萬元。而預(yù)應(yīng)力管樁當(dāng)其樁長(zhǎng)在21 m之后，其造價(jià)基本與橋梁相當(dāng)，同時(shí)考慮到營(yíng)運(yùn)期間相對(duì)于橋梁的優(yōu)勢(shì)已不明顯。

因此，通過上述分析，結(jié)合路線方案、高架橋方案以及地質(zhì)資料等因素，我們確定如下處理方案:

1)一般路基地段，當(dāng)處治深度不超過20 m時(shí)，且路堤高度不超過8 m時(shí)，主要采用堆載預(yù)壓聯(lián)合塑料排水板法予以處治。

2)對(duì)于涵洞及橋頭處治路段或不適合橋梁跨越的一般路段，當(dāng)處治厚度H≤15 m時(shí)采用粉噴樁處理方案;當(dāng)處治厚度15 m＜H≤20 m時(shí)，采用PHC樁處理方案。

3)不同處理方式之間(主要是復(fù)合地基與排水固結(jié)法、軟土與非軟土之間等情況)設(shè)置軟基處理過渡段，使一般路基沉降向橋涵沉降要求逐步過渡(沉降坡度差不大于4%)。

4)其余路段及必須橋梁處理路段采取橋梁跨越方式。

另外，考慮到目前復(fù)合地基理論自身的缺陷(尤其是管樁設(shè)計(jì)理論)以及地震效應(yīng)(對(duì)于本區(qū)域的軟土以及飽和粉、細(xì)砂可能會(huì)產(chǎn)生附加的沉陷)等實(shí)際因素，采取復(fù)合地基處治方案必須設(shè)置試驗(yàn)路段以確定適合本項(xiàng)目特點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案、施工工藝以及監(jiān)測(cè)方案。

通過以上分析還可以發(fā)現(xiàn)，上述軟土地基處理路段總造價(jià)整體較高，導(dǎo)致軟土地基處理路段造價(jià)較高的原因主要有以下幾點(diǎn):

1)軟(弱)土層厚(平均厚度有20多米，最厚達(dá)38.9 m);2)軟(弱)土分布廣(占全線30%以上);3)下伏飽和粉細(xì)砂層;4)地震峰值加速度值0.10g;5)路堤高度大(堤高基本為8 m～13.8 m);6)地下水埋藏淺(穩(wěn)定水位在1 m～3 m);7)蓄洪區(qū)設(shè)計(jì)水位高(路基設(shè)計(jì)控制標(biāo)高35.9 m)。

4 結(jié)語

洞庭湖相軟土地區(qū)軟土分布廣、厚度大，在該地區(qū)建設(shè)高速公路，軟基處理方案的合理選取，對(duì)提高工程建設(shè)質(zhì)量與控制工程造價(jià)有著至關(guān)重要的作用。在軟基的處理方案選擇中，應(yīng)充分考慮工程中的區(qū)域軟土分布狀況、工程特性、施工工藝、材料價(jià)格等綜合因素，在保證處理工程質(zhì)量的前提下，考慮處理方案的經(jīng)濟(jì)性，通過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較，對(duì)于不同的處理深度，差異化地選取處理方案，使處理方案更加合理、經(jīng)濟(jì)。

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