草炭土路堤穩定性分析及工程處理措施研究

于炎鑫，佴 磊，劉建磊，丁黃平

(吉林大學 建設工程學院，長春 130026)

0 引言

草炭土是地表沼澤環境中的植物遺體，在氧氣和微生物的作用下，早期產物轉變成一種新的多水的富含腐殖酸的腐殖質，形成年代在1萬年以內的特殊的腐殖質土，主要由有機質、礦物質和水組成。據國內外資料顯示，草炭土具有如下工程特性:高孔隙比且飽水、高壓縮性、高含水量、低透水性、低強度、高有機質等。由于草炭土的工程地質性質較差，作為建筑物地基時是一種不良的軟土地基。草炭土路基面臨穩定性和沉降兩大問題，路堤填筑中的坍陷和過大的工后沉降均對路基的建設和運營造成不利的影響。不但加大養護成本，而且影響公路的正常使用，甚至威脅行車安全。

在天然的軟土地基上，基底不作特殊加固處理，用快速施工(即不控制填土速度)修筑路堤所能填筑的最大高度，稱為極限填高。當路堤的設計高度超過此極限高度時，路堤或地基必須采取加固或處理措施，以保證路堤的安全填筑和正常使用。極限高度的大小，可按穩定性分析評價的結果確定。在施工條件允許時，也可在工地進行填筑試驗確定極限填高，這是解決路堤極限高度的最可靠方法。此項研究是根據對試驗路段軟土的路堤穩定性分析評價，通過計算路堤在修筑過程中和完工后的穩定情況，選擇合理的填高速度和穩定加固措施，從而保證路堤在施工過程中和完工后的穩定。因此，對此類軟土路堤邊坡進行評價及對極限填高的研究可以指導施工，保障路基穩定，且對減少公路病害的發生、保障公路的工程質量及安全運營具有極其重要的意義。

1 試驗路段工程地質條件

試驗路段位于吉林省敦化市江源鎮南5 km處，鶴大公路K1+300～K2+520段，屬長白山山脈北部的高寒山區，地處以敦化為中心的山間盆地，周圍長白山系的山嶺環繞，牡丹江在此發源向北流入松花江后匯入黑龍江，草炭土沼澤地水源靠牡丹江河流及大氣降水補給。

該地區為冰凍季風大陸性山地氣候，夏季溫暖多雨，冬季漫長寒冷。全年降水量在600～1 430 mm之間，全區多年平均降水總量為655億m3，折合降水深度為690 mm。該區地勢低洼平坦，降水量較充足，排水困難，地面常年積水形成濕生環境，故苔草植被的草炭土沼澤地極為發育。

根據野外鉆孔資料，試驗路段地層主要為:草炭土、黏土和砂土組成沖積相地層。第1層為草炭土，為該區的表層土，平均厚約1.2 m，最厚達3.5 m左右;第2層為黏土，其平均層厚為30 cm，局部地段未見該層土，該層土為草炭土的淺育層;第3層為圓礫。

2 評價方法及工程處理措施

2.1 評價方法

軟土地基上路堤的穩定性分析評價，通常采用圓弧滑動面法。即假定路堤填土連同軟土地基沿同一圓弧破裂面滑動，而圓弧滑動面法主要是 SARMA法、JANBU法、BISHOP法[3]。采用上述三種方法計算不同填高時路堤穩定性，計算各個填高下從不同地層中剪出(不同剪出口位置)時的安全系數，比較后求出各個填高時的最小安全系數 Fs。做出Fs與各個填高H的關系曲線，根據路基設計要求取一定的安全系數Fs，即可求出安全系數最小時對應的路堤填高，即極限填高。當計算方法、計算參數可靠性高時，一般取Fs為1.20～1.25[2]。計算路堤穩定性時偏于安全考慮，地下水位均視作位于地表，即路堤的底部。由于JANBU法綜合考慮了條間力、條分可以不是豎直等特點，也證明JANBU法得出的安全系數Fs最小，故在本次路堤穩定性計算中，最終采用JANBU法計算得出的安全系數Fs值。

計算路堤穩定性時，由于路堤下面地層主要由草炭土、黏土、礫砂組成，路堤由分化軟巖填筑。因此，在計算時，計算中所用到的各地層計算參數為:重度 γ值、內聚力C值、內摩擦角 φ值均是取所有土層的加權平均值(包括路堤填筑材料)。整個試驗段路堤的路面寬度是10 m，路堤的坡高比是1∶1.5。路堤的填料是風化軟巖，具體參數如表1。

表1 所有土層參數加權平均值

計算不同填高路堤穩定性時，首先進行最危險滑動面的搜尋，如圖1～圖3所示，計算發現同一填高下最危險滑動面通過路基頂面邊緣點，經過地基的黏土層在坡腳外剪出。不同穩定系數Fs與各個填高H的關系曲線如圖4所示。

圖1 草炭土層剪出

圖2 黏土層剪出

圖3 礫砂層剪出

圖4 穩定系數Fs與填高H的關系曲線

2.2 工程處理措施

針對路段不良地質情況，以不破壞原狀草炭土地層和有利于保護濕地為前提，以及提高路基的整體穩定性和抗變形能力，方便施工、就地取材的原則，經過計算、研究和分析，確定了八種處治方案。起點K1+300至K2+520，全長1 220 m。具體處理方案如下:

第一種方案:風化軟巖直接填筑+反壓護道(K1+300～K1+420，全長120 m)

第二種方案:風化軟巖+土工格柵(K1+420～K1+560，全長 140 m)

第三種方案:風化軟巖直接填筑(K1+560～K1+705，全長 145 m)

第四種方案:塑料排水板+復合土工布(K1+705～K1+840，全長 135 m)

第五種方案:風化軟巖 +聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(K1+840～K1+920，全長 80 m)

第六種方案:砂樁+復合土工布法(K2+140～K2+300，全長 160 m)

第七種方案:砂礫換填法(K2+300～K2+440，全長140 m)

第八種方案:土工格柵 +聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(K2+440～K2+520，全長 80 m)

2.3 實例

以土工格柵+聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(K2+440～K2+520)為例(如圖5所示)，該路段各地層重度γ值、內聚力C值、內摩擦角φ、土工格柵的參數值見表2。

圖5 土工格柵+聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(單位:cm)

表2 各地層密度、內聚力、內摩擦角一覽

對不同路堤填高(2 m、6 m和8 m)、不同剪出口位置、不同工程處理措施的路堤穩定性進行計算，得出的安全系數見表3。

根據表3得出處理前后各級填高下安全系數Fs與剪出口距離B的關系曲線[5](如圖6、圖7所示)。

表3 安全系數Fs計算結果

圖6 天然軟土地基上各級填高下Fs與B的關系

圖7 土工格柵+EPS板上各級填高下Fs與B的關系

根據圖6、圖7找出各級填高下的最小安全系數，做出Fs與填高 H的關系曲線圖，如圖8、圖9所示。Fs取1.2時，處理前路堤的極限填高為6.7 m，通過土工格柵+EPS板處理后，該路堤的極限填高是8.6 m。

2.4 路堤極限填高統計結果

因該路段上部車輛動荷載是7.875 kN/m，據此換算出是0.38 m的填土高度產生的荷載。因而，路段的極限填高應該是上述研究得出的高度減去0.38 m[4]。根據上述研究得出的結果，將各個斷面處理前后的路堤填高值列表如表4所示。

圖8 Fs與填高H關系曲線(天然軟土地基)

圖9 Fs與填高H關系曲線(土工格柵+EPS板)

表4 試驗段各斷面極限填高

3 結論與建議

1)在實際工程中，用 SARMA法、JANBU法、BISHOP法進行計算并分析比較，由于JANBU法綜合考慮了條間力、非豎直條分等特點，也證明JANBU法得出的安全系數Fs最小，更為安全，所以采取JANBU法進行穩定性分析。

2)計算不同填高路堤穩定性時，首先進行最危險滑動面的搜尋，計算發現同一填高下最危險滑動面通過路基頂面邊緣點、經過地基的黏土層在坡腳外剪出。

3)從計算結果統計表可以看出，采用風化軟巖+土工格柵、風化軟巖+EPS塊法進行軟基處治后，對草炭土地基的穩定性提高作用不大。在有條件的情況下，適當加寬反壓護道寬度，對路基的穩定性提高影響較大，但是由于我國土地資源有限，公路建設要盡量少占土地，因此在公路工程中，反壓護道法一般不宜大面積采用。砂樁+復合土工布、土工格柵+EPS板法對提高草炭土地基的穩定性效果明顯，而且砂樁還可加速地基的排水固結。在實際工程設計中究竟采用何種處治方法，還應根據當地材料來源、施工工期控制等諸多因素進行經濟比較后決定，推薦采用砂樁+復合土工布法。

[1] 交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊《路基》(第二版)［M］.北京:人民交通出版社，1996.

[2] 中華人民共和國交通部.JTJ 017—96 公路軟土地基路堤設計與施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，1996.

[3] 劉紅軍.寒區濕地軟土地基固結沉降與穩定性研究［D］.北京:中國地震局工程力學研究所，2007.

[4] 鄭曉國.高速公路軟土地基路堤填筑臨界高度研究［M］.南京:東南大學，2004.

[5] 陳云.高路堤沉降變形特性試驗分析［M］.成都:西南交通大學，2008.