王小華 姚勁松 黃帥 任畢云 丁高俊 楊云杰

摘要：三峽庫區(qū)消落帶重慶萬州密溪溝至長江四橋綜合整治工程穿越回淤嚴重軟土區(qū)，擬選取振沖碎石樁法對天然軟基進行處理，但在淤泥質(zhì)土上填筑施工平臺成為工程控制性條件。對淤積層力學特性、平臺填筑高度以及地基處理區(qū)域特征進行分析，提出平臺填筑優(yōu)化方案，優(yōu)先對滿足極限填筑高度區(qū)域進行地基處理，其他區(qū)域采取插塑料排水板+拋（鋪）碎石墊層預固結(jié)，平臺前緣拋填塊石壓腳。選取兩個典型地質(zhì)斷面，對平臺抗滑穩(wěn)定性進行了計算分析，計算結(jié)果證明了優(yōu)化方案的可行性。

關(guān)鍵詞：消落帶;振沖碎石樁法;軟弱地基;施工平臺填筑;抗滑穩(wěn)定;三峽庫區(qū)

中圖法分類號：TU43 文獻標志碼：A DOI：10.15974/i.cnki.slsdkb.2020.04.007

1研究背景

三峽庫區(qū)消落帶重慶萬州密溪溝至長江四橋綜合整治工程由滑坡治理、庫岸整治和濱江路填筑等三大部分組成，工程的實施可顯著改善沿線交通和人居環(huán)境。

工程區(qū)原始地形在庫區(qū)蓄水后形成了局部回淤灣，十多年來形成的淤積層最大厚度超過10m，擬通過地基處理提高其承載力，以滿足路堤填方設(shè)計要求。

軟基處理有多種工程措施。結(jié)合長期實踐，諸多學者及工程人員開展了針對性研究。馮偉從加固原理、加固深度、加固效果及經(jīng)濟效益等方面對山區(qū)高速公路軟土地基處理工程措施進行了較系統(tǒng)的分析論述。碎石樁用于軟基加固可以較好地改善地基的排水狀態(tài)、加速地基固結(jié)以及降低工后沉降，還可提高地基的抗震性，在復合地基變形協(xié)調(diào)方面也具有一定優(yōu)勢。水泥攪拌樁在軟土地基處理也較為常見，其施工周期較短，無擠土效應(yīng)，但對于加速地基固結(jié)影響較小。粉煤灰樁、預應(yīng)力管樁、塑料排水板等措施也是軟土地基處理的常用技術(shù)手段。在軟基上開展工程填筑工程時，土工合成材料的合理使用有助于地基應(yīng)力變形的整體協(xié)調(diào)，作為輔助手段，也可增強填筑體一天然地基的整體協(xié)同作用;對于具有季節(jié)性浸水特性軟土的地基處理，還需注意對地基一填方整體排水性的改善，保障其長期穩(wěn)定。

對于該工程，除通過工程措施提高地基承載力外，還須考慮填方體受庫區(qū)水位周期性調(diào)蓄的影響，改善填筑體一復合地基滲流條件，并盡可能在施工期加速地基的固結(jié)?；诖诵枨螅岢隽瞬捎谜駴_碎石樁處理軟基的方案。在新近淤積軟土上填筑并形成穩(wěn)定的施工平臺成為工程實施重要的前置性控制條件，且須對平臺填筑穩(wěn)定性進行分析并提出建議。

2工程背景及地質(zhì)概況

工程區(qū)地形及振沖碎石樁處理范圍見圖1。圖中圈出了振沖碎石樁地基處理范圍，并對145m/175m等特征水位對應(yīng)高程以及初步設(shè)定的152m填筑平臺頂高程做了加粗標注，由圖可以看出：

（1）左側(cè)振沖處理區(qū)地勢較低，施工平臺形成以填方為主;右側(cè)地形相對較高，主要通過半填半挖的方式形成施工平臺。

（2）蓄水后，圖中左側(cè)消落區(qū)形成了較為明顯的局部回淤灣，軟土層較為深厚，不利于填方作業(yè)和形成振沖碎石樁施工平臺。

對工程區(qū)進行了詳細地質(zhì)勘察，該區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)大致分為三大類：堆積層、沖積層和基巖。

（1）堆積層（Q4^del）及崩坡積層（Q4^dl+col）。以粉質(zhì)黏土夾角礫、碎石、塊石等為主，粗粒含量25%～35%，其母巖以砂巖為主，多呈強風化狀。該層基本由斜坡演化過程中的崩滑堆積物構(gòu)成。

（2）沖積層（Q4^al）。斜坡中下部分布于長江河漫灘、河床內(nèi)，由粉砂、粉細砂、粉土、粉質(zhì)黏土以及蓄水后新近沖淤積淤泥質(zhì)土組成，可細分為4層：①淤泥質(zhì)土（a-1）：呈褐灰一淺灰色，流塑一軟塑狀，三峽水庫蓄水后新近沖淤積而成，回淤灣內(nèi)厚度最大近10m，工程特性差，a-1層淤泥質(zhì)土對于確保工程的安全至關(guān)重要。②粉質(zhì)黏土（a-2）：呈褐灰一黃褐一棕色，軟塑一可塑狀，局部硬塑狀，厚度1.0-25.6m，多分布于上部，有時含砂、泥巖碎石。③粉土（a-3）：呈淺黃一褐黃一淺灰色，稍濕一濕、稍密，含少量鈣質(zhì)結(jié)石、砂巖碎石，厚度0.5～21.0m。④粉砂、粉細砂（a-4）：多呈淺灰一黃褐色，稍密狀，局部中密狀，厚度0.6-37.6m，底部多含有砂巖塊石或水蝕蜂窩狀砂巖碎石。

（3）基巖。侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組第三段J2s³紫紅色一暗紫色泥巖夾砂巖，全層厚度大于200m，巖層產(chǎn)狀169°∠6°，與坡面方向呈反傾，且層面坡度較緩，可基本排除沿巖層發(fā)生深層滑坡。

圖2為圖1中1-1和2-2斷面的工程地質(zhì)剖面圖。圖中還包含了高程152m施工平臺以及振沖碎石樁地基處理的設(shè)計布置。

參照詳勘階段地勘報告，表1為主要巖土體地層物理力學參數(shù)建議值。測試試樣基本常年處于水下，飽和度高。由于平臺填筑屬于短期加載，主要土層均采用快剪試驗測試其抗剪強度指標;表層a-1淤泥質(zhì)土對于施工平臺的順利成形起關(guān)鍵作用。對此，還補充開展了十字板剪切試驗，在1m左右深度范圍不排水抗剪強度為11.2kPa，重塑強度5.8kPa，靈敏度為1.93。

3平臺填筑方案及其優(yōu)化設(shè)計

平臺填筑初步方案為：①按照從岸側(cè)向庫區(qū)的方向，逐級推進填方，填方體前緣自然放坡形成;②逐級推進填方的同時，逐級進行振沖碎石樁加固處理，提高平臺的穩(wěn)定性;③庫區(qū)水位提升至來年回落到平臺高程以下后，按照以上流程繼續(xù)進行平臺填筑和地基加固。

該初步方案對消落區(qū)新近沉積淤泥質(zhì)土的不利影響及周期性蓄水淹沒平臺等考慮略顯不足。需評估平臺填筑的穩(wěn)定性并盡可能充分利用平臺泡水期加速地基的固結(jié)，對設(shè)計方案進行合理優(yōu)化。

據(jù)地形地質(zhì)資料，將平臺設(shè)計斷面與現(xiàn)狀水下地形比對，回淤灣內(nèi)平臺普遍填筑高度8-10m。采用快速填筑路堤所允許的最大填高對天然地基條件下的極限填筑高度Hmax進行估算。在極限填筑高Hmax條件下，地基處于臨界狀態(tài);一旦填筑高度超過Hmax，天然地基將發(fā)生失穩(wěn)，必須對地基進行加固，使其能夠滿足設(shè)計的填筑高度?？刹捎觅M倫紐斯公式（式1）對Hmax進行估算。

式中，y為填土容重，水下時按照浮容重計算，kN/m³;τ為天然地基的抗剪強度，kPa;一般采用十字板剪切指標，或無側(cè)限抗壓強度指標的一半，亦或三軸快剪指標。

據(jù)式（1），τ取11.2kPa，開挖料回填密度y取18.0kN/m³，計算得到Hmax=3.43m，考慮填土部分區(qū)域浸沒于水中，按照浮重度進行適當修正，Hmax也只能達到4m左右，與最大填筑高度（近12m）相差較大，能夠滿足天然地基填筑的區(qū)域僅限于岸側(cè)很小的范圍，對此需要對天然地基進行預處理后，方可滿足平臺的順利填筑。

綜合考慮極限填筑高度和庫水位的周期性調(diào)節(jié)，平臺填筑方案優(yōu)化思路分析如下：

（1）平臺施工階段，考慮庫區(qū)水位調(diào)度因素，每年有效施工期不足5個月，按工程進度要求，平臺施工及振沖碎石樁地基處理為3a。①平臺在具有永久強度前，需跨越2個完整水文年，開挖料填筑形成的土方平臺自身結(jié)構(gòu)相對松散，在高含水率條件下工程碾壓不易促進水的排出，極易形成橡皮土，進而不利于平臺土體自身強度增長，水位周期性調(diào)蓄對平臺穩(wěn)定構(gòu)成一定風險;②平臺每年有約8個月浸沒于水中，可對天然地基進行預處理，充分利用浸于水下的時間。

（2）按照式（1）進行反推，考慮底部泡水，能夠滿足10m最大填高，對應(yīng)的地基抗剪強度須達到約30kPa，為適當降低地基預處理的難度，可由岸側(cè)向外設(shè)計緩傾坡度或若干高程臺階填筑，適當降低地勢較低區(qū)域的填筑高度。

（3）應(yīng)從工程經(jīng)濟角度考慮地基預處理，且不給后期振沖碎石樁地基處理施工造成困難。

根據(jù)以上設(shè)計思路，制定平臺填筑施工方案如下：

（1）調(diào)整施工順序，優(yōu)先對半填半挖區(qū)域（圖1右側(cè)）及岸側(cè)填筑高度較?。ㄒ蕴罡?m控制）區(qū)域進行平臺土方施工作業(yè);其余區(qū)域至平臺前緣設(shè)計放坡線以外20m范圍，采用插塑料排水板穿透a-1淤泥質(zhì)土層并達到振沖樁處理底部，在其上鋪（拋）設(shè)1-2m碎石墊層，滿足預固結(jié)附加荷載不小于20kPa，遠離岸線區(qū)域浸水時間較長，按浮重度計算墊層厚度應(yīng)按2m考慮，靠岸側(cè)可適當減薄。考慮到后期振沖碎石樁施工以及工程經(jīng)濟性，振沖樁處理區(qū)域碎石墊層最大粒徑不超過30cm，保證墊層碎石料的最大化利用;同時，碎石墊層與振沖樁共同構(gòu)成透水網(wǎng)絡(luò)，有利于加速地基固結(jié)和強度增長。

（2）預固結(jié)至下一個低水位周期，通過現(xiàn)場十字板試驗等對預固結(jié)效果進行測試，滿足相應(yīng)填筑高度后，進行平臺填筑及振沖碎石樁地基處理作業(yè)。

（3）平臺頂部外緣至放坡坡腳線采用塊石拋填，并碾壓形成一道碎石壩，對下伏淤泥土層起到加固和邊界限定作用，也可在后續(xù)高水位期間對平臺內(nèi)部區(qū)域起到有效保護作用。完工后，其作為整個填方體的前緣坡腳，對于保證邊坡的長期穩(wěn)定和坡腳局部穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用。初期頂部高度可適當降低至148m。

4方案優(yōu)化后平臺穩(wěn)定性計算分析

按照以上方案優(yōu)化后，對圖2所示兩個斷面進行抗滑穩(wěn)定性計算分析。按照如下偏于保守的條件進行計算：

（1）僅考慮對于a-1層淤泥質(zhì)土的加固效果，且按照不排水強度25kPa進行計算;

（2）不考慮拋（鋪）填碎石墊層材料相對較高的物理力學參數(shù)，平臺按開挖回填料參數(shù)計算;

（3）平臺整體仍按高程152m計，將優(yōu)化設(shè)計的緩傾斜坡或臺階布置作為安全儲備考慮，前緣拋塊石碾壓堤強度參數(shù)按內(nèi)摩擦角ψ=30°取值;

（4）平臺最薄弱階段為填土后、碎石樁施工前，在此階段按照0.05g（6度地震）水平加速度考慮振沖碎石樁的作業(yè)擾動。

計算分析基于Geostudio的SLOPE/W軟件，考慮地下水的滲流環(huán)境，按照式（2）進行計算抗滑穩(wěn)定系數(shù)。

式中，Ccu.ψcu為不排水強度指標;li為條塊寬度;wi為條塊的重量;ui為滑面處土條的靜孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力;θi為條塊的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角;F為安全系數(shù)。

計算工況包括：①低水位工況：按照145m水位進行邊坡穩(wěn)定性計算。②水位驟降工況：考慮到平臺高程為152m，且?guī)焖幌陆邓俣容^快，驟降工況按照156m驟降至150m進行考慮。③高水位工況：按照175m水位進行邊坡穩(wěn)定性計算，此工況無施工擾動。

計算成果見圖3-4。表2對抗滑穩(wěn)定系數(shù)進行了統(tǒng)計，可以看出：

（1）通過預固結(jié)處理使平臺下伏a-1層淤泥質(zhì)土物理力學參數(shù)提高后，平臺在主要控制性工況下抗滑穩(wěn)定性良好;平臺前緣形成的拋石碾壓堤對于提高相對薄弱的平臺前緣抗滑穩(wěn)定性具有較明顯的作用。

（2）低水位工況是平臺抗滑穩(wěn)定性的控制性工況，此時平臺邊坡抗滑穩(wěn)定性最低，這是地基上部有效附加荷載最大所致。

（3）水位驟降工況對該工程的意義較大，振沖碎石樁施工主要集中在汛期庫水位較低階段，為適應(yīng)汛期調(diào)節(jié)，庫水位每年都有頻繁且快速的漲落，由于平臺前緣采用了拋石碾壓堤護腳，且在主要變幅區(qū)間無陡傾坡面，平臺及上下區(qū)域抗滑穩(wěn)定性良好，為后續(xù)振沖碎石樁的快速施工提供了重要保障。

（4）高水位工況下，天然地基所受有效附加荷載相對較小，且無施工擾動，抗滑穩(wěn)定性最高，對于保證振沖樁施工期至后續(xù)上部路堤填筑前這一階段平臺的整體穩(wěn)定性是有利的。

5結(jié)論

對于該綜合治理工程，為給振沖碎石樁地基處理創(chuàng)造條件，須在新近淤積淤泥質(zhì)土上填筑形成最大高度約10m的施工平臺。基于對淤積層力學特性、平臺填筑高度以及軟基處理區(qū)域特征的分析，綜合考慮施131期因素，在滿足原設(shè)計施工要求的基礎(chǔ)上，提出了平臺填筑優(yōu)化方案，并采用優(yōu)化方案對平臺抗滑穩(wěn)定性進行了計算分析。經(jīng)以上研究，得到如下結(jié)論。

（1）優(yōu)先對滿足極限填筑高度的區(qū)域開展地基處理，充分考慮每年約8個月無法開展地基處理施工的因素，對不滿足填筑要求的區(qū)域采取插塑料排水板+拋（鋪）1-2m碎石墊層的方式對淤泥質(zhì)土進行預固結(jié)，確保附加荷載不小于20kPa，有助于施工平臺的穩(wěn)定。

（2）在平臺前緣通過拋填塊石形成一道碾壓壩，可降低跨年度浸水及施工期庫水位調(diào)節(jié)等對平臺的不利影響;同時考慮到平臺前緣在未來工程運營后仍為高邊坡的坡腳，碾壓壩對于提高邊坡的長期穩(wěn)定性和耐久性也具有重要作用。

（3）選取2個典型工程地質(zhì)斷面，充分考慮庫區(qū)水位特征及施工擾動因素，選取偏于保守的計算工況對施工平臺抗滑穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)計算分析，證明了優(yōu)化方案的有效性。

在具體工程實施過程中，還應(yīng)充分融入動態(tài)設(shè)計理念。在對地勢較低區(qū)域進行平臺填筑前，運用十字板剪切等技術(shù)手段，對預固結(jié)處理后的地基強度進行檢測。在滿足施工要求的情況下，通過設(shè)計緩傾斜坡或設(shè)置若干臺階的方法，適當降低平臺填筑高度，最大限度保障施工平臺在地基處理完成前相對薄弱階段的穩(wěn)定。