斜坡軟弱地基站場路堤加固方案現場試驗研究

曾永紅

(中鐵二院工程集團土建二院，四川成都 610031)

1 概述

斜坡軟弱土是指其表面或底部具有一定的斜坡坡度的軟弱土，根據其成因可大致分成四類——丘間谷地相沉積軟土或軟粘土、非沉積的巖堆、湖泊邊緣沉積土、斜坡[1]。在斜坡軟土上修筑路堤，尤其是高路堤，地基的變形與穩定問題較為突出。一般認為，在路堤荷載作用下，斜坡軟弱土地基中產生的剪切應變、水平變形在下坡一側坡腳附近集中，水平變形及豎向沉降通常較水平軟弱土地基要大，加固措施宜從提高地基承載力與限制地基側向變形入手，將地基處理與抗滑并舉[2-4]。但對于各種加固措施的加固效果及加固措施的合理選擇研究較少。

某新建鐵路地處西南山區，沿線地形、地質條件復雜，沿線多處分布有斜坡軟弱土，多屬丘間谷地相沉積軟土或軟粘土，系由于水流搬運巖石風化產物和地表有機物質在低洼處沉積而成。部分地段路堤邊坡高度在14 m以上，為保證工程安全、限制變形，需選擇適當的工程措施。結合這一背景選取DK123+462，DK123+497兩斷面進行了路堤及地基的沉降與水平變形的測試，比較了在打入樁(振動沉管鋼筋混凝土灌注樁)加固和抗滑樁加固的效果，分析了后施工打入樁對塑料排水板效果的影響。

2 試驗設計

2.1 工點概況

試驗工點場地屬淺丘溝槽地貌，相對高差約50 m，丘坡上多為旱地，溝槽內為種植水田或魚塘荷塘。線路以填方橫穿溝槽，溝槽地面橫坡坡度約10°～15°;地表覆蓋第四系坡洪積砂粘土，呈軟塑～硬塑狀，局部呈流塑狀，含少量砂質角礫，層厚4 m～8 m，主要物理力學指標如表1所示;下伏基巖為泥巖夾砂巖，表層1 m～2 m風化嚴重。路基面寬約21.33 m～38.42 m，路堤中心填高約7 m～15 m，填方邊坡高度最大約15 m，左側(下坡一側)邊坡分兩級，一級邊坡高6 m～10 m，一、二級邊坡坡度均為1∶1.5，兩級邊坡間設寬8 m～12 m的護道，路堤底部鋪設墊層，其結構為0.5 m厚砂礫石夾一層雙向40 kN/m的土工格柵，典型斷面如圖1所示。地基采用豎向排水板+打入樁或抗滑樁加固，其中DK123+440～DK123+520范圍內設置豎向排水板，間距2 m，呈梅花形布置，打入深度8 m;DK123+440～DK123+480范圍左側軟基采用打入樁群加固，樁徑0.4 m，樁長平均8 m，間距2 m，梅花形布置;DK123+466～DK123+518范圍軟基采用抗滑樁側向約束，沿線路縱向布置于護道外側邊緣，截面1.5 m×2.75 m，樁長為17 m～22 m，樁間距為6 m。

表1 砂粘土主要物理力學指標均值

2.2 試驗方案

選取DK123+462，DK123+497兩斷面為測試斷面。DK123+462斷面路基面寬23.46 m，路堤中心高10.6 m，DK123+497斷面路基面寬31.14 m，路堤中心高11.4 m，兩斷面邊坡如前所述。DK123+497斷面前后兩抗滑樁(DK123+494，DK123+500)澆筑前，在樁中心布置了兩根測斜管，觀測樁身側向變形;路堤施工前，分別在左側二級邊坡坡腳、一級邊坡坡腳(延伸)、一級邊坡中心、左路肩、路堤中心5個位置布置了測斜管以觀測地基水平變形;在前述5個位置及右路肩、右邊坡坡腳7個位置地表處布置了沉降板以觀測地基沉降，具體的測點布置如圖2所示。路堤施工過程中，測斜管及沉降板均隨路堤填高的增加而接長。

3 試驗數據及分析

試驗段路堤填筑從2003年2月28日開始～2003年5月7日結束，歷時69 d。路堤填筑結束后分別于2003年7月17日，10月3日，12月23日和2004年12月19日進行了四次定期觀測。試驗數據如下:

1)地基沉降。兩斷面地基沉降如圖3所示，沉降與時間及路堤填高的關系曲線如圖4所示，圖4中的沉降值為路基面范圍內地基沉降的均值。由圖3可知，DK123+462斷面地基沉降表現為左側小右側大，最大沉降發生在右路肩下，觀測期末其值為0.25 m，這與地基處理范圍有關，該斷面位于打入樁處理區域，但打入樁處理范圍為左側二級邊坡坡腳至路堤中心;DK123+497斷面地基沉降表現為左路肩下大，其余地方小，其中最大沉降出現在左側路肩下，觀測期末其值為0.316 m。將兩斷面觀測期末的地基總沉降值列于表2中，可看出，DK123+462斷面的沉降比DK123+497斷面小，但路堤中心、右路肩兩處相反，這與DK123+462斷面路堤中心處于打入樁處理范圍的邊緣、右路肩與右邊坡坡腳在拋石擠淤的處理范圍之外有關，這也證明了打入樁加固減少地基沉降的有效性。

表2 兩斷面觀測期末地基沉降值 m

圖4表明，路堤施工期內，地基沉降增長較快，462斷面及497斷面的沉降速率分別為1.94 mm/d，2.24 mm/d，施工期后沉降速率減緩趨于穩定，工后 0 d～71 d，71 d～230 d，230 d～593 d 462斷面的沉降速率分別為0.51 mm/d，0.01 mm/d，497 斷面的沉降速率分別為0.36 mm/d，0.03 mm/d。若將工后593 d的地基沉降近似為最終沉降則施工期末的固結度分別為79.4%(462斷面)、82.7%(497斷面)，可以認為塑料排水板的工程效果較為明顯，同時考慮到462斷面的處理措施為打入樁與塑料排水板共同作用，施工時為間隔布置，施工順序為先排水板后打入樁，結合地基固結度數據，可以認為后施工打入樁會對塑料排水板的排水效果造成一定的影響。圖4還表明，462斷面路堤中心填高大于497斷面，但路基面下地基的平均沉降小于后者。若定義地基沉降與路堤高度的比值為單位路堤高度的沉降，則施工期末、工后71 d、工后230 d、工后593 d 462斷面的單位路堤高度的沉降分別為0.014 m，0.017 m，0.017 m，0.018 m，497 斷面的分別為 0.018 m，0.020 m，0.021 m，0.021 m。綜上所述，可以認為打入樁處理軟土地基能有效減小地基沉降，且優于抗滑樁方案。

2)地基水平變形。兩斷面地基水平變形如圖5所示。地表水平位移的分布曲線如圖6所示。路堤施工過程中及后續觀測過程中，462斷面的路堤中心、左路肩處及497斷面路堤中心、左路肩處、左側一級邊坡中心五處測斜管先后損壞，所測數據不完整。

由圖5可知，兩斷面地基水平變形偏向下坡一側(左側)，主要發生在左路肩以外的地基內，沿深度分布在地表至地表以下6 m～7 m的范圍內，路堤中心處地基水平變形較小。最大水平變形發生在左側一級邊坡中心(延伸)處，應指出的是從最終結果來看497斷面該位置處地表變形是小于左側一級邊坡坡腳(延伸)的，但考慮到該斷面左側一級邊坡中心處測斜管在施工期末損壞，后期變形未能測得，且損壞前相同時刻的水平變形是大于該斷面其他部位的，因而可以認為該處水平變形是497斷面上最大的。為考察打入樁方案及抗滑樁方案減小地基水平變形的效果，將兩斷面各測點的地表水平變形列入表3，由于部分測斜管在不同時期損壞，為方便比較，列入數據時的選擇原則為:1)相同時刻;2)取最后一次觀測數據，若兩斷面相同部位的最后一次觀測時間不一致，則統一選擇時間較近一次的數據。

由表3可看出，打入樁(沉管灌注樁)方案約束軟弱地基水平變形的效果優于抗滑樁方案。取左側一級邊坡坡腳及二級邊坡坡腳的水平變形平均值，定義變形系數如下:

若變形系數隨路堤填高及時間延長而逐漸增大，表明地基的側向變形增長快于豎向壓密(固結)沉降，地基存在失穩的可能，若變形系數逐漸減小，則表明地基變形以豎向沉降為主，地基趨于穩定。462斷面與497斷面的變形系數與時間關系曲線如圖7所示。需要指出的是497斷面左側二級邊坡坡腳處地表側向變形在工后的突然增大是施工原因導致的，路堤填筑完成后施工單位修建邊溝，溝底設計標高低于了測斜管管口標高近2 m，邊溝完成后在該處形成了臨空面，導致了該處后期側向變形突然增大，與之相鄰的左側一級邊坡坡腳處的測斜管未發生這種突然增大的側向變形。因此497斷面的變形系數的分子取左側一級邊坡坡腳處的地表水平變形。

表3 兩斷面地表水平位移值比較 mm

462斷面與497斷面的變形系數與時間關系曲線如圖7所示。

由圖7可知，路堤填筑初期變形系數快速增加，而后逐漸減小，觀測期末趨于穩定。由于地基沉降由三部分組成，第一部分是由于地基側向變形引起的;第二部分是由主固結引起的;第三部分是次固結引起，一般情況下這部分較少考慮。填筑初期地基側向變形主要由地基側向變形引起，坡腳處側向變形增長快于地基沉降，之后路堤荷載作用下地基排水固結，地基沉降由側向變形及主固結引起，增長速度逐漸快于坡腳側向變形，路堤填筑完畢后，若將地基視為線彈性體則地基側向變形及沉降均不會繼續增加變形系數將為一恒定值，但實際情況并非如此，地基將持續固結且會有蠕變，地基沉降與側向變形均會增加，在地基穩定的前提下前者增長速度應快于后者，變形系數應緩慢降低或基本不變，考慮到試驗誤差，可以認為462斷面與497斷面均處于穩定狀態。

綜上所述，打入樁方案與抗滑樁方案均有助于提高地基穩定性，前者在整個加固范圍內限制地基水平變形，而抗滑樁則將水平變形約束于樁前。綜上所述，對于斜坡地基的處理原則應為“抗滑”解決穩定問題，“治軟”進一步解決變形問題，二者應結合使用，對于斜坡軟弱地基，還應加上排水固結措施，加快地基施工期固結，提高地基強度，減小工后沉降及側向變形。

4 結語

針對某新線鐵路具體工點的情況，進行了現場試驗測試了抗滑樁+袋裝砂井、打入樁+袋裝砂井兩種處理措施加固軟基的地基變形，并結合現場情況進行了無加固措施、打入樁加固、抗滑樁加固、打入樁+抗滑樁加固四組離心模型試驗，測試了地基變形，根據試驗數據進行了分析比較，得出如下結論:1)斜坡軟弱土地基的水平變形主要發生在下坡一側坡腳至路堤中心范圍內，沉降變形主要發生在護道坡腳至路基中心范圍內;2)打入樁加固和抗滑樁加固均能保證斜坡軟弱地基的穩定性，有效約束地基的水平變形與沉降變形，但前者的效果更好;3)抗滑樁加固軟弱地基應防止樁間溜滑及樁后土體失穩，當地基過于軟弱時應考慮與其他措施如排水固結或小型群樁結合使用;4)打入樁與塑料排水板共同加固軟弱地基時會相互影響，在先施工塑料排水板的情況下，后施工的打入樁會擠密土體，降低塑料排水板的排水效果。

[1] 吳邦穎，張師德，陳緒祿.軟弱土地基處理[M].北京:中國鐵道出版社，1995:2-3.

[2] 魏永幸.松軟傾斜地基填方工程安全性評價方法[J].地質災害與環境保護，2001，12(2):73-75.

[3] 魏永幸.內昆鐵路李子溝斜坡軟弱土特性及路基工程對策[J].地質災害與環境保護，2000，11(2):104-106.

[4] 尤昌龍.高原斜坡軟土地基處理實踐[J].巖石力學與工程學報，2003，22(1):126-130.