姜啟珍,劉吉福

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 廣州 510507)

0 引言

廣東省沿海地區(qū)，特別是珠江三角洲廣泛分布深厚的軟土地基，軟土具有含水量高、強(qiáng)度低、滲透性差等工程特點(diǎn)，軟土地區(qū)公路建設(shè)面臨的主要問題是沉降和穩(wěn)定問題。相對其他地區(qū)，廣東沿海地區(qū)水網(wǎng)、路網(wǎng)、水塘密布，公路結(jié)構(gòu)物多、路堤高度大；雨季長，路基有效施工時(shí)間短。這些因素導(dǎo)致廣東省軟基路堤面臨的沉降和穩(wěn)定問題更為突出。自上世紀(jì)九十年代以來，隨著高速公路的大規(guī)模建設(shè)，針對上述難題，廣東實(shí)施了20余個(gè)公路軟基試驗(yàn)工程，完成了30余項(xiàng)科研課題，形成了一批具有廣東特色的公路地基處理經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)和成果[1-10]。

為推廣應(yīng)用具有廣東特色的實(shí)用方法和技術(shù)、規(guī)范廣東省公路路堤軟基處理，2008～2010年廣東省交通運(yùn)輸廳組織制定了《廣東省公路軟土地基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)定(試用)》《GDJTG/T E01-2011》，廣東省交通運(yùn)輸廳于2011年5月發(fā)布實(shí)施。2017～2018年，本標(biāo)準(zhǔn)編制組認(rèn)真總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，深入調(diào)查論證，在廣泛征求意見的基礎(chǔ)上，按照標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)則編制了《廣東省公路路堤軟基處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。2018年底已通過審查，并上報(bào)廣東省技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督局。

為便于理解和應(yīng)用，將《廣東省公路路堤軟基處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》主要增改內(nèi)容和技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1 相對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的增改內(nèi)容

相對現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-02)、《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30)，主要增改以下內(nèi)容：(1)天然地基法；(2)就地固化法；(3)水載預(yù)壓法；(4)排水固結(jié)路堤水平滑動(dòng)、軟土擠出穩(wěn)定分析；(5)卸真空后的穩(wěn)定分析；(6)柔性樁復(fù)合地基樁身抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算及相應(yīng)的承載力計(jì)算；(7)復(fù)合地基固結(jié)度計(jì)算；(8)考慮樁土作用的剛性樁復(fù)合地基承載力計(jì)算；(9)剛性樁復(fù)合地基路堤繞流滑動(dòng)穩(wěn)定分析；(10)考慮工作墊層影響的剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法；(11)換填輕質(zhì)土厚度確定方法；(12)過渡段長度確定方法；(13) 改溝改河、涵洞基坑與路堤關(guān)系；(14)既有路堤軟基處理；(15)表觀法和拐點(diǎn)法等路堤穩(wěn)定評估方法；(16) 非等載預(yù)壓路段的卸載標(biāo)準(zhǔn)等。

相對《廣東省公路軟土地基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)定(試用)》《GDJTG/T E01-2011》，主要增改以下內(nèi)容：(1)天然地基法；(2)就地固化法；(3)水袋預(yù)壓法；(4)完善了卸真空后軟土抗剪強(qiáng)度公式；(5)柔性樁復(fù)合地基樁身抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算及相應(yīng)的承載力計(jì)算；(6)考慮樁土作用的剛性樁復(fù)合地基承載力計(jì)算；(7)剛性樁復(fù)合地基路堤繞流滑動(dòng)穩(wěn)定分析；(8)考慮工作墊層影響的剛性樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法；(9)換填輕質(zhì)土厚度確定方法；(10) 改溝改河、涵洞基坑與路堤關(guān)系。

2 主要增改技術(shù)要點(diǎn)

2.1 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓卸真空后的軟土抗剪強(qiáng)度

部分真空聯(lián)合堆載預(yù)壓路堤卸除真空荷載后出現(xiàn)沉降速率增大甚至滑塌的事故，其主要原因是真空聯(lián)合堆載預(yù)壓工程中真空荷載不是永久性荷載，卸除真空荷載后地基土抗剪強(qiáng)度降低(如圖1所示)，指向加固區(qū)的滲透力消失，地下水位回升，可能導(dǎo)致路堤失穩(wěn)[4]。因此應(yīng)驗(yàn)算卸真空后的路堤穩(wěn)定性。

圖1 卸真空導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度降低

Ladd和Foott(1977)研究得出表明黏性土不排水抗剪強(qiáng)度與超固結(jié)比的關(guān)系為[11]：

(1)

對于卸除真空后的軟土，由式(1)得：

(2)

式中:σg為地基土初始豎向有效應(yīng)力，σf為卸真空時(shí)路堤荷載在地基中產(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力，ccq為固結(jié)快剪黏聚力，φcq為固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角，σv為真空度，Uf為對應(yīng)σf的固結(jié)度，Uv為對應(yīng)σv的固結(jié)度。

由式(2)得到:

(3)

2.2 基于抗壓強(qiáng)度的攪拌樁復(fù)合地基承載力

部分涵洞、擋土墻沉降過大或滑塌的原因之一，是現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的復(fù)合地基承載力計(jì)算公式的前提是樁身不會(huì)被壓碎。但是攪拌樁樁身強(qiáng)度低，可能被壓碎，因此應(yīng)計(jì)算樁身強(qiáng)度控制的復(fù)合地基承載力。

當(dāng)涵洞、擋土墻等剛性基礎(chǔ)下的攪拌樁復(fù)合地基未設(shè)置褥墊層時(shí)，樁頂以下一定范圍為樁土等沉區(qū)[7]，樁土應(yīng)變相等、樁土應(yīng)力比等于樁土模量比(圖2)，樁身應(yīng)力最大。攪拌樁復(fù)合地基設(shè)置褥墊層時(shí)，樁頂沉降小于樁間土沉降，樁身上部存在負(fù)摩擦力，樁頂以下一定深度處為等沉區(qū)，樁土應(yīng)力比等于樁土模量比，樁身應(yīng)力最大。

圖2 復(fù)合地基樁土應(yīng)力比

等沉區(qū)樁、土應(yīng)力分別為：

(4)

(5)

式中：σp為樁身附加應(yīng)力，RE為樁土模量比，p為復(fù)合地基頂面荷載集度，B為基礎(chǔ)寬度，L為加固區(qū)與非加固區(qū)之間存在正摩擦力的邊長總和，z為深度，qs為側(cè)阻力，m為置換率，σs為樁間土附加應(yīng)力。

當(dāng)滿足式(6)時(shí)，樁身會(huì)被壓碎，對應(yīng)的荷載p為復(fù)合地基極限承載力。

(6)

(7)

式中:γp為樁身重度，γs為樁間土重度，K0為樁間土靜止土壓力系數(shù)，Kp為攪拌樁被動(dòng)土壓力系數(shù)，c為攪拌樁黏聚力，qu為水泥土90d抗壓強(qiáng)度。

由式(4)～式(7)可得:

(8)

式中:fspk為復(fù)合地基極限承載力。

當(dāng)z取等沉區(qū)頂面深度時(shí)，fspk最小。未設(shè)置褥墊層時(shí)，z取0，此時(shí)有：

(9)

設(shè)置褥墊層時(shí)，為計(jì)算簡便起見，可保守地忽略樁土自重和加固區(qū)兩側(cè)摩阻力的影響，則式(8)變?yōu)槭?9)。

為簡化計(jì)算，偏保守地取K0與Kp之積等于1，則式(9)變?yōu)?

(10)

2.3 復(fù)合地基固結(jié)度計(jì)算

工程實(shí)踐中及標(biāo)準(zhǔn)征求意見階段，部分單位認(rèn)為復(fù)合地基荷載主要由樁承擔(dān)，不存在固結(jié)問題。本文通過公式推導(dǎo)說明復(fù)合地基固結(jié)度計(jì)算的必要性。

由土力學(xué)可知，天然地基飽和土單元固結(jié)方程為:

(11)

式中：U為超靜孔壓，Es為土的壓縮模量，t為時(shí)間，ks為土的滲透系數(shù)，γw為水重度，z為深度。

(12)

剛性樁復(fù)合地基樁土不等沉，此時(shí)仍可計(jì)算采用上述方法，但是RE應(yīng)變更為樁土應(yīng)力比n。

計(jì)算表明，相同預(yù)壓時(shí)間內(nèi)，攪拌樁復(fù)合地基的固結(jié)度小于剛性樁復(fù)合地基。

2.4 考慮樁間土繞流的剛性樁復(fù)合地基穩(wěn)定分析

近幾年廣東省、浙江省等發(fā)生多起剛性樁復(fù)合地基路堤滑塌事故。除施工、監(jiān)測等因素外，現(xiàn)行規(guī)范推薦的穩(wěn)定分析方法存在重大缺陷是一個(gè)重要原因。

剛性樁樁身抗剪強(qiáng)度非常大，剛性樁復(fù)合地基路堤樁土一起剪切破壞的整體滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)非常大，剛性樁復(fù)合地基路堤通常不會(huì)產(chǎn)生整體滑動(dòng)。

剛性樁復(fù)合地基路堤滑塌實(shí)例、離心模型試驗(yàn)等均表明，剛性樁承載力不足或樁帽太小會(huì)導(dǎo)致樁間土附加應(yīng)力過大、樁間土沉降和位移較大，產(chǎn)生繞流滑動(dòng)或繞流滑動(dòng)趨勢[12]，導(dǎo)致剛性樁受彎斷裂或傾倒[13]，最終導(dǎo)致路堤滑塌。為合理反映剛性樁復(fù)合地基路堤滑塌機(jī)理，本標(biāo)準(zhǔn)推薦采用修正重度法進(jìn)行路基穩(wěn)定驗(yàn)算[8,14]。

圖3 剛性樁受彎斷裂情況

穩(wěn)定安全系數(shù)Fs應(yīng)按下列步驟試算：

(1)土拱效應(yīng)控制的樁頂荷載Ppa按土拱效應(yīng)公式計(jì)算，樁頂荷載Pp應(yīng)取FsPpa與單樁極限承載力Quk中的小者。

(13)

(3)路堤土的修正重度可按下列公式計(jì)算：

(14)

(15)

式中：γfr為樁帽以上填料修正重度，γf為樁帽以上填料重度，Pu為對應(yīng)Fsγf的單樁分擔(dān)面積內(nèi)樁帽以上荷載，γfdr為樁間路堤土修正重度，γfd為樁間路堤土重度，up為樁周長，Au為單樁分擔(dān)面積。

(4)樁間地基土修正重度可按下列公式計(jì)算：

(16)

式中：γsr為樁間地基土修正重度，γs為樁間地基土重度。

(5)剛性樁未穿透軟土層時(shí)，樁端區(qū)土層的修正重度宜按下式計(jì)算：

(17)

式中：Qpk為總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，Te為樁端區(qū)厚度(m)，可取0.5～1.0m。

(6)樁間土黏聚力或不排水抗剪強(qiáng)度可按下列公式修正：

csr=cs(1-mp)

(18)

Cur=Cu(1-mp)

(19)

式中：csr為樁間土黏聚力修正值，cs為樁間土黏聚力，Cur為不排水抗剪強(qiáng)度修正值，Cu為不排水抗剪強(qiáng)度。

(7)忽略樁，路堤采用γfr、γfdr，地基加固區(qū)采用γsr、csr、Cur，其他區(qū)域采用γs、cs、Cu，利用穩(wěn)定分析軟件計(jì)算得到繞流滑動(dòng)安全系數(shù)Ff。

(8)當(dāng)Ff不等于1.0時(shí)，應(yīng)調(diào)整Fs并重復(fù)本款第(1)～(8)項(xiàng)直至Ff與1.0的偏差小于0.005。

2.5 考慮樁土差異沉降的復(fù)合地基沉降計(jì)算

剛性樁復(fù)合地基樁土模量差異大，樁土變形不協(xié)調(diào)，采用復(fù)合模量法計(jì)算的沉降嚴(yán)重偏小，本標(biāo)準(zhǔn)推薦采用附加應(yīng)力法[10]。

(1)路基中線附近中性面處樁土加權(quán)平均附加應(yīng)力為：

(20)

式中：σj為第j層土處路基中線附近中性面處樁土加權(quán)平均附加應(yīng)力，p為路基中線附近的荷載集度，ζ為加固區(qū)兩側(cè)摩阻力發(fā)揮系數(shù)，P為路基縱向每延米的路基總荷載。

中性面處樁間土附加應(yīng)力近似取零，則有：

(21)

(22)

樁底刺入破壞時(shí)，負(fù)摩擦力為：

(23)

中性面深度zn應(yīng)根據(jù)式(21)、式(23)計(jì)算的負(fù)摩擦力小值確定。

(2)樁間土附加應(yīng)力宜按下式計(jì)算：

(24)

式中：σsj為第j層土處樁間土附加應(yīng)力，ζi為樁側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)。等沉面以上ζi應(yīng)取1，等沉面以下ζi宜采用下式計(jì)算：

(25)

(3)樁間土沉降S1s應(yīng)利用樁間附加應(yīng)力采用分層總和法計(jì)算。加固區(qū)沉降S1應(yīng)等于S1s(1-mp)。

2.6 既有路堤換填輕質(zhì)土厚度計(jì)算

由于地基處理效果差、工期不足、設(shè)計(jì)計(jì)算方法存在不足等原因，部分采用排水固結(jié)法、復(fù)合地基處理的路堤在通車前或通車后預(yù)測的工后沉降不滿足規(guī)范要求。此時(shí)，換填輕質(zhì)土往往是快捷、可靠、經(jīng)濟(jì)的處治方法。

《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》(CECS 249:2008)推薦的換填厚度公式對路堤等效高度乘以安全系數(shù)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果明顯偏大；《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 177-2012)按不產(chǎn)生剩余沉降的思路確定換填輕質(zhì)土的厚度，對容許一定剩余沉降的情況不適用，且未考慮地下水的影響。本標(biāo)準(zhǔn)推薦方法克服了上述缺點(diǎn)。

由應(yīng)變固結(jié)度定義可得：

(26)

式中:Up為目標(biāo)固結(jié)度；Sra為容許工后沉降；Se為恒載對應(yīng)的最終沉降。

研究表明，軟基路堤沉降與荷載基本成正比[15]，因此得：

(27)

式中：Tf為包括已完成沉降等效填土厚度的預(yù)壓填土厚度，γf為填土重度，Sf為對應(yīng)預(yù)壓荷載的最終沉降，hl為輕質(zhì)土厚度，γl為輕質(zhì)土重度，Te為包括已完成沉降土方、路面結(jié)構(gòu)的等效填土厚度的路堤設(shè)計(jì)等效填土厚度。

由應(yīng)力固結(jié)度定義得：

(28)

式中：Ut為對應(yīng)預(yù)壓荷載的固結(jié)度。

由式(26)～式(28)，并考慮安全系數(shù)可得：

(29)

式中：K為安全系數(shù)，St為已完成的沉降。

對于真空聯(lián)合堆載預(yù)壓式(29)變?yōu)槭?30)，并考慮安全系數(shù)可得：

(30)

式中：Tvf為包括已完成沉降、真空荷載等效填土厚度的預(yù)壓填土厚度。

Tf、Te、Tvf對水位以下沉降土方重度應(yīng)換算為水位以上填土重度，已通車公路尚應(yīng)包括路面結(jié)構(gòu)的等效填土厚度。

根據(jù)路基空間關(guān)系得到的輕質(zhì)土厚度為：

Tl=Te-Tp-Tf

(31)

式中：Tp為路面結(jié)構(gòu)等效果的厚度。

輕質(zhì)土厚度應(yīng)為式(29)或式(30)、式(31)計(jì)算值的大者。

3 結(jié)語

《廣東省公路路堤軟基處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》相對《廣東省公路軟土地基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)定》(GDJTG/T E01-2011)、《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-02)作了較多增加或修改。

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓工程應(yīng)驗(yàn)算卸真空后路基的穩(wěn)定性，攪拌樁復(fù)合地基承載力應(yīng)考慮樁身抗壓強(qiáng)度的限制，復(fù)合地基應(yīng)計(jì)算固結(jié)度和工后沉降，剛性樁復(fù)合地基路堤應(yīng)驗(yàn)算繞流滑動(dòng)穩(wěn)定性、考慮樁土差異沉降的復(fù)合地基沉降。既有路堤換填輕質(zhì)土厚度應(yīng)同時(shí)滿足工后沉降和空間關(guān)系。