梁瑤 吳兵

在斜坡軟弱地基上填筑高速公路路堤，因地基表面或下部軟弱土層底部，具有傾向外側(cè)的斜面，直接填筑路堤易沿軟弱斜面產(chǎn)生側(cè)向滑移造成失穩(wěn)破壞。文章首先在著重分析斜坡軟弱地基特點的基礎(chǔ)上，因地制宜、有針對性的制定了科學(xué)合理的地基處理、土方填筑、工程防護(hù)等技術(shù)方案。通過采取有效限制斜坡軟弱地基側(cè)向變形措施，確保高速公路路堤長期安全與穩(wěn)定。最后通過處治方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，提出了斜坡軟弱地基路堤填筑處治原則，可為今后類似工程實踐提供參考。

斜坡軟弱地基; 高速公路; 路堤穩(wěn)定性; 地基處理; 處治技術(shù)

U416.1+2?? A

[定稿日期]2021-08-04

[作者簡介]梁瑤（1982～），女，博士，高級工程師，主要從事高速公路設(shè)計及咨詢工作。

我國是一個丘陵和山地較多的國家，在斜坡地基上填筑路堤，是高速公路工程建設(shè)中常見的活動之一。由于斜坡軟弱地基表面或下部軟弱土層底部具有一定傾向外側(cè)的斜面，在路堤填筑加載作用下，地基土在產(chǎn)生豎向壓縮變形的同時，將在斜坡下側(cè)產(chǎn)生明顯的側(cè)向變形[1]。與水平軟弱地基變形集中在地基中部不同，斜坡軟弱地基變形主要集中在下坡一側(cè)路堤坡腳附近，在其上填筑公路路堤更易引起地基的側(cè)向滑移失穩(wěn)破壞[2-3]。因此在斜坡軟弱地基上填筑高速公路路堤時，應(yīng)在開展深入細(xì)致的地質(zhì)勘察工作基礎(chǔ)上，因地制宜、有針對性的制定科學(xué)合理的地基處理、土方填筑、工程防護(hù)等技術(shù)方案，采取有效限制地基側(cè)向變形的措施，確保斜坡軟弱地基填方路堤的長期安全穩(wěn)定[4-5]。

圖1 斜坡軟弱地基上路堤填筑示意

在斜坡軟弱地基上進(jìn)行高速公路路堤填筑時，首先應(yīng)限制地基側(cè)向變形[5]。其主要途徑包括：清除地基軟弱土層、提高地基抵抗變形能力、限制地基側(cè)向變形發(fā)展等措施。

1 清除地基軟弱土層

這是一種簡單而有效的措施。當(dāng)?shù)孛鏅M坡較陡且下部軟弱土層埋深較淺、厚度較薄時，可采用清除地基軟弱土層措施。一般情況下，層厚小于4 m時，采取清除方案，相比其他措施，經(jīng)濟(jì)合理、施工難度較小。地基表面或下部軟弱土層底面橫坡緩于1∶10，可與增設(shè)反壓護(hù)道方案作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，擇優(yōu)選取;地基表面或下部軟弱土層底面橫坡陡于1∶10且層厚小于4 m時，一般應(yīng)采取清除地基軟弱土層方案。德昌至?xí)砀咚俟分骶€長約78 km，主線與互通區(qū)共有斜坡軟弱地基填方路堤40余處，其中采用清除地基軟弱土層的簡單處治方案共有18處。

2 提高地基抵抗變形能力

通過提高地基土抵抗變形能力，可有效減小地基側(cè)向變形，增強路堤穩(wěn)定性。其主要方法包括：①采用強夯或重錘夯實，提高地基土體密實度;②在地基土層中置換或植入各種強度相對較高的豎向增強體，形成復(fù)合地基[6-7]。

2.1 強夯或重錘夯實加固

強夯或重錘夯實可使地基產(chǎn)生壓縮或振密，增強土體密實度，降低土層壓縮性、提高地基抵抗變形能力。國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對強夯或重錘夯實加固原理進(jìn)行了大量的研究，普遍看法包括：夯擊能量轉(zhuǎn)化，使土體振密壓縮;土體液化或結(jié)構(gòu)破壞;排水固結(jié)壓密;觸變恢復(fù)并伴隨固結(jié)壓密。強夯或重錘夯實的有效加固深度可按梅納公式進(jìn)行計算：

H=KMh;K=0.34～0.80（1）

式中：M為夯錘質(zhì)量（t）;h為落距離（m）;K為修正系數(shù)。

強夯或重錘夯實工法在我國經(jīng)過40余年的不斷發(fā)展和完善，目前已廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、機場、碼頭、工業(yè)與民用建筑等地基處理中，但一般多限于以下使用條件：①水平軟弱地基，即地面及軟弱土層底面橫坡均較緩;②地基土層為非飽和土。

當(dāng)強夯或重錘夯實施工時，由于軟弱土層底面坡度較陡，夯錘容易歪斜，造成地基土向下坡一側(cè)產(chǎn)生變形破壞，如圖2所示。

圖2 斜坡軟弱地基上夯錘歪斜示意

當(dāng)?shù)鼗翞轱柡宛ば酝習(xí)r，強夯或重錘夯實極易出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象。因此，一般情況下不宜直接采用強夯或重錘夯實。對于飽和黏性土，近年來在強夯法或重錘夯實法基礎(chǔ)上開發(fā)了強夯置換法。利用夯擊能將碎石、礦渣等材料強行擠入地基土中形成碎石墩，通過與墩間土形成復(fù)合地基，達(dá)到增大地基土強度和減小地基土沉降的目的[8-9]。

對于粉土置換地基，當(dāng)施工后形成厚度大于2.0 m的硬殼層時，其地基承載力可通過現(xiàn)場單墩復(fù)合地基靜載荷試驗確定;對淤泥或流塑狀黏性土中的強夯置換法復(fù)合地基承載力，不考慮墩間土承載力時，即可按下式計算：

fspk=mfpk（2）

式中：m為置換率;fpk為樁體承載力特征值（kPa）。

但該工法對于坡度較大的斜坡軟弱地基并不適合，因為在地基土（飽和土）夯坑中填壓碎石后，進(jìn)行強夯或重錘夯實作業(yè)時，會出現(xiàn)偏向下方一側(cè)的地基變形，難以形成穩(wěn)定的碎石墩。

綜上可知，當(dāng)斜坡軟弱地基坡度較大時，一般不宜采用強夯或重錘夯實加固。

2.2 復(fù)合地基處理

在斜坡軟弱地基中通過置換或植入各種強度相對較高的樁體形成復(fù)合地基，可有效提高地基土強度，增加地基穩(wěn)定性，減小地基橫向變形。常用的復(fù)合地基方法主要有：①散體樁，如振動沉管碎石樁、振沖碎石樁;②水泥土樁，如水泥攪拌樁、水泥旋噴樁;③低強度混凝土樁（含CFG樁）。

一般情況下，散體樁復(fù)合地基與水泥土樁和低強度混凝土樁相比較，在路堤荷載作用下會出現(xiàn)相對較大的變形，且變形穩(wěn)定時間也較長。德會高速公路部分軟土地基分別采用水泥攪拌樁和碎石樁復(fù)合地基進(jìn)行處理，路基沉降監(jiān)測表明，水泥攪拌樁復(fù)合地基的路堤工后沉降約2～5 cm，工后沉降穩(wěn)定時間約2～6個月，碎石樁復(fù)合地基的路堤工后沉降約8～10 cm，工后沉降穩(wěn)定時間約6～12個月。因此，對于路基沉降要求嚴(yán)格的填方工程，宜選擇用水土樁和低強度混凝土樁復(fù)合地基處理方案。

3 限制地基側(cè)向變形

通過限制斜坡軟弱地基側(cè)向變形，可有效提高公路路堤的穩(wěn)定性。其主要方法包括被動限制和主動限制2種不同的技術(shù)措施。

3.1 被動限制

在斜坡軟弱地基路堤坡腳設(shè)置鋼筋混凝土側(cè)向約束樁，可被動限制地基側(cè)向變形。對于水平軟弱地基，則可采用放緩路堤填筑坡率或增設(shè)反壓護(hù)道（地基側(cè)向變形因地基剪切應(yīng)力降低而減?。┍粍酉拗频鼗鶄?cè)向變形;采用齒墻（僅適用于軟弱土層較薄的情況，實際工程應(yīng)用較少）;采用鋼筋混凝土側(cè)向約束樁（工程成本高，適用不多）。由于斜坡軟弱地基具有一定橫坡，采用放緩路堤填筑坡率或增設(shè)反壓護(hù)道的方案，工程規(guī)模較大，且對提高路堤穩(wěn)定性效果較差。因此，對于地面橫坡陡于1∶10的斜坡軟弱地基路段，一般多采用側(cè)向約束樁限制地基變形。如德會高速公路全線（含互通）40余處斜坡軟弱地基填方路堤中，共有12處在填路堤坡腳處設(shè)置側(cè)向約束樁（包括樁基托梁擋土墻）處治;廣元至平武高速公路主線長約90 km，其主線和互通區(qū)共有15處斜坡軟弱地基填方路堤采用坡腳處設(shè)置側(cè)向約束樁加固。

根據(jù)具體工程措施，采用鋼筋混凝土側(cè)向約束樁加固斜坡軟弱地基路堤可分為以下5種類型：①下坡一側(cè)坡腳附近設(shè)單排側(cè)向約束樁;②下坡一側(cè)坡腳附近設(shè)單排側(cè)向約束樁+碎石樁或粉噴樁復(fù)合地基處理;③下坡一側(cè)坡腳附近設(shè)單排側(cè)向約束樁+砂井或塑料排水板地基處理;④采用樁基托梁擋土墻，避免填方坡腳擠壓斜坡軟弱地基;⑤下坡一側(cè)附近設(shè)雙排側(cè)向約束樁。

3.2 主動限制

高強度鋼筋混凝土樁中的樁基礎(chǔ)可承擔(dān)地基上部的路堤填筑及行車荷載，減小下部斜坡軟弱土層的承擔(dān)荷載和沉降變形。樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是由鋼筋混凝土稀疏樁群及樁頂加筋土墊層共同作用，通過加筋土墊層的“網(wǎng)兜效益”使稀疏樁樁間相互牽制形成復(fù)合樁群。樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中的樁體主要承受豎向力作用，在地基土中形成豎向增強體—“樁”;樁頂?shù)募咏钔翂|層主要發(fā)揮側(cè)向約束作用，在地基土上部形成水平向增強體—“網(wǎng)”;在網(wǎng)-樁-土三者協(xié)同作用下，構(gòu)成一個可共同承擔(dān)上部荷載的人工地基。地基上部路堤填筑及行車荷載主要由樁體承擔(dān)，地基土層承擔(dān)的荷載則相對較小，因而豎向沉降較小，橫向變形不大。因此，樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)可起到主動限制地基土層側(cè)向變形的作用。

3.3 側(cè)向約束樁處治工程實例

德會高速全線共有12處斜坡軟弱地基路堤在坡腳處采用鋼筋混凝土側(cè)向約束樁（包括樁基托梁擋土墻）處治。部分典型工點處治方案圖及一覽表，分別如圖4和表1所示。

4 以橋代路方案

當(dāng)斜坡軟弱地基路段路堤加固措施的工程可靠性較低或工程造價較高時，選用以橋代路方案是合理的。以橋代路方案，主要應(yīng)考慮以下因素。

4.1 工程可靠性

斜坡軟弱地基公路路堤可靠性分析主要考慮兩個方面因素：①斜坡軟弱地基工程地質(zhì)是否查明，工程設(shè)計基礎(chǔ)資料是否充分、正確;②所采取的工程措施設(shè)計理論是否完善，是否存在工程風(fēng)險，建成后長期運營的耐久性如何。

對于斜坡軟弱地基路堤工程遇到以下情況時需研究以橋代路方案：①斜坡軟弱地基的地質(zhì)條件復(fù)雜，難以查明下部軟弱土層基底橫坡;②斜坡軟弱地基強度過低，采用復(fù)合地基加固困難;③路堤填筑高度較高，按天然地基分析路堤穩(wěn)定性小于0.8;④斜坡軟弱土層較厚，路堤工后沉降難以控制。

4.2 工程造價

當(dāng)斜坡軟弱地基公路路堤工程造價已與橋梁方案接近時，考慮建設(shè)工期要求、土地資源占用、自然環(huán)境保護(hù)等因素，一般宜選擇以橋代路方案。

4.3 節(jié)約土地與保護(hù)環(huán)境

土地作為一種不可再生資源，在路橋方案解決策中應(yīng)從社會效益角度，充分考慮占用土地的社會成本，控制路堤高度，節(jié)約用地。

5 結(jié)論

本文結(jié)合德會高速公路等斜坡軟弱地基上的填筑路堤處治案例，提出以下斜坡軟弱地基路堤填筑處治技術(shù)原則。

（1）當(dāng)?shù)鼗逼螺^陡，軟弱土層較薄時，應(yīng)優(yōu)先采用清除軟弱土層措施。

（2）當(dāng)?shù)鼗逼螺^緩，軟弱土層較厚時，對于非飽和土，可選擇強夯或重錘夯實措施;對于飽和土，可采取復(fù)合地基加固結(jié)合反壓護(hù)道的措施。

（3）當(dāng)?shù)鼗逼螺^陡，軟弱土層較厚時，應(yīng)優(yōu)先選擇限制地基側(cè)向變形的措施;當(dāng)路基沉降變形要求嚴(yán)格時，宜優(yōu)先選用樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

（4）當(dāng)?shù)鼗逼螺^陡時，不宜采用單一復(fù)合地基處治方案，應(yīng)采用在坡腳設(shè)置側(cè)向約束樁與復(fù)合地基綜合處治方案。

（5）當(dāng)斜坡軟弱地基路段路堤加固工程可靠性較低或工程造價較高時，應(yīng)選用以橋代路方案。

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