土工格室在軟弱地基處理中的應用

文｜岳陽市公路橋梁基建總公司 潘煒

軟地基會引起地上建筑沉降或側移，必須采取固結、置換等措施以提高地基穩固性。土宮格室是一種三維的網室狀限系統，可以限制地基水平任一方向的側移，并增加地基彈性模量，具有成本低、施工方便、穩定軟地基效果好等優點。環洞庭湖地區軟地基區域面積大，研究土工格室在這一地區典型軟弱地基處理中的施工效果，有利于加快該地區公路、橋梁等交通設施的建設。

1 案例工程概況

案例工程華容縣珠頭山至花子墳二級公路為岳陽市省道連接工程。工程位于洞庭屋東部沿岸，橫跨華容河、水塘、稻田等軟弱地基密集區，規劃線路長度9.726公里。沿線地形起伏不大，沖溝淺且平緩，無高填方分布，除橋頭區外，路堤填方高度一般不超過2.0m。覆蓋層主要為種植土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉細砂、中(粗)砂、礫砂等。特殊性巖土主要為軟土。LK0+000～LK2+300.991、K0+000～K0+750段軟土主要零星出露于沿線溝谷、水塘及稻田等低洼地帶，軟土厚度一般多在1-2m范圍內。K0+750～K3+000段的軟土范圍分布廣，埋深較淺，厚度較大，其力學性質差，承載力一般不能夠滿足路基填筑要求，必須對軟土進行加固處理后方能進行路基的填筑。沿線主線采用設計速度80km/h的雙向兩車道二級公路標準，路基寬12m，路面寬10.5m。

2 路基處理設計方案

2.1 一般路基

華容縣環東洞庭湖段地勢低洼，水塘和稻田多，為保證規劃線路路基不受雨水侵蝕，設計標高約30m，大部分路基位于設計標高以下，為填方路段。少部分為挖方路段。一般路基填方高度小于3m，路基較為穩固。在處理一般路基時，擬清除地基耕植土、淤泥和松土，并進行填前壓實后填筑拓寬。老路邊坡則挖除松土后，開挖臺階，每二層分層壓實土高挖一級臺階。路基橫斷面擬盡量采用流線形，取消路堤路肩邊緣、坡腳的折角，即從土路肩到路堤邊坡坡腳的邊坡表面線形為：弧曲線（圓曲線）——直線——拋物形，使得邊坡外形與周圍環境融為一體，看不出明顯的填筑痕跡。填挖交界處基底層沉降變化大，則填方路基的壓實度要求提高2%。

本項目一般路基中的挖方路基主要位于老路拓寬部分。老路路基較為穩固，路面為土層或碎石柏油路面，大部分破損嚴重。老路基部分地段有邊坡，邊坡高度一般小于1.5m。為防止路面出現不均勻沉降，松土路床應進行超挖分層壓實，挖方路床頂應進行挖方路基碾壓，其壓實度不小于95%。該工程一般路基部分路段含淺層松軟表土和淤泥，厚度在1m以內。為固化地基，設計一般路段清表土厚度0.3m，清淤泥深度依據具體路段地質情況確定。一般路段清表土后，以含水率低的土料或建筑混凝渣土廢料為填料，路床填料以《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）第3.2條要求為準；路堤填料以滿足《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）第3.3條要求為準。優先利用級配較好的石質土（碎（礫）石含量大于25%）、砂性土等粗粒土。當地面橫坡為0～1:10時，填土前須碾壓；當地面坡度為1:10～1:5時，須填前挖松再碾壓；地面坡度陡于1:5時須填前挖臺階，臺階寬度不小于2m。

綜合來看，本項目主要以填方為主，局部路段有挖方，但挖方高度一般在1m以內，采用移挖作填處理，路基填料主要集中在新建路段，填料主要為砂土；路面底基層以下不論填方還是挖方均考慮了15cm墊層，以未篩分碎石為填料；在填方地段在15cm墊層下鋪設厚度不等的路床用土。規劃路面墊層以上結構分別為底基層、基層、封層、下面層和上面層。

2.2 特殊路基

本路線穿越較多的水洼和河流，不良地質現象主要為軟土。軟土主要為淺層淤泥和淤泥質粘土，設計貫徹“預處治”理念，以確保基礎穩定，路基安全。結合軟弱地基深度不同和路橋結構不同，對不同路段采取不同的特殊路基處理方案。經地質勘探，軟弱地基典型結構為1-3m厚的上部可塑粉狀質黏土、中間厚1.5-9.0m的軟塑狀粉質黏土，下部為硬塑狀粉質黏土。軟弱路基主要位于K0+750～K3+000段區域。由于軟弱地基的厚度大部分小于3m，因此，設計采取換填方案，即清淤和挖除軟土后換填砂礫或礫石。對于橋樁、橋臺、橋涵地基可采用水泥攪拌樁等強化地基，增加地基彈性模量。

在常年積水或水塘（魚塘）地段挖填方，應先在用地范圍內修好圍堰，將圍堰內的水抽干，清除表層淤泥后才能填筑路基。對于水塘等浸水路段，設計水位以下采用水穩性好的材料填筑，如砂礫等。填料中，不可摻入重粘土、浸水后容易崩解的巖石、風化的石塊、鹽漬土等填料。邊坡采用C20砼預制塊護坡防護。本工程軟土范圍分布廣，埋深較淺，厚度較大，其力學性質差，承載力一般不能夠滿足路基填筑要求，設計采用超載預壓與塑料排水板等方法處理；在橋涵附近根據軟土厚度視情況采用水泥攪拌樁或預制管樁等方法處理。

3 施工方案試驗設計

軟弱地基增設加強筋可穩固地基，目前有多種材料可以應用。最常用的是土工格柵和土工格室。兩者均為人工材料，施工工藝類似，造價上土工格室稍高。本工程中對于填挖高較深的軟弱地基，采用土工格柵和土工格室比對試驗來確定施工方案。

3.1 填方高小于2m路段的施工方案

一般地基按全線清除地表松土、淤泥0.3m方案。特殊地基包括水塘段、河流灘涂段等，根據可塑性粉狀黏土的厚度清淤、排水。清淤完成后，再回填砂土。在橋涵等處，由于路面結構不同，需要采取水泥攪拌樁等做特殊處理。水泥攪拌樁的深度以打入硬質粉狀黏土層為宜。砂土回填到原地面線后，根據原地面軟弱地基的厚度，采取不同的路基穩固化方案。一般路基填挖高均為0.3m，可在填方復原道原路基高度后，直接鋪設墊層、然后按底基層、基層、封層、下面層和上面層結構施工。對于軟土和淤泥厚度在2m以下的路基，選用增設土工格室方案，由于路基豎向位移隨土工格室埋設深度的增加而增大，并且隨路基所受豎向荷載的增大而增大。因此，選擇在原地面線上鋪設一層10cm厚的土工格室，填壓30cm厚砂土后開始路面結構施工。

3.2 填方高大于2m的路段的施工方案對比試驗

填挖高較深的路段，多為河道邊灘、泥塘等淤泥較多區域。雖然通過排水、置換等方案清除了這類路基的可塑性粉狀黏土層，并減少了軟塑狀粉狀黏土層的含水率。但這類路段的原地面線標高較低，需要回填的深度大，因此，選用雙層加強筋結構更有利于路基的穩固性。在方案選擇上，可以選用雙層土工格柵和雙層土工格室結構。兩者施工工藝類似，土工格室理論防沉降效果更好，但造價較高。因此，本工程選定了填挖深度超過3m的軟弱路基段作為試驗路段，以選定何種方案更佳。

3.2.1 土工格柵方案

土工格柵是方格或長方格網狀的土工加筋基材。其主要限制土基豎直方向的位移，對水平方向的側移也有一定限制作用。塑料、高強鋼絲和塑料結合材料以及玻璃纖維等材質均可制造土工格柵。土工格柵的網孔越小，抗沉降能力越佳，但網格越小造價越高。本實驗中，選用普通單向聚氯乙烯土工格柵，抗拉強度為60KN，伸長率不超過10%，網孔尺寸為12.5cm×12.5cm。施工中，要保證格柵填埋深度適當。填埋過深，會導致路基豎向位移難以控制，并導致由于豎直方向的沉降而引發橫向側移。本方案中，第一層級的格柵埋深在原路面線30cm以上。先用厚度為30cm的砂土作為墊料，然后鋪設土工格柵。砂土墊料采用粗砂或用碎石機軋制的碎石，碎石粒徑控制在0～4.75mm，墊料采用機械整平和壓實，然后將土工格柵展開平鋪，寬度為路基寬度。格柵與格柵之間采用搭接法連接，搭接長度不小于0.5m，并采用土釘錨固。搭接部分每隔1米用8號鐵絲進行穿插連接，每隔1.5-2m用U型釘固定于墊層。格柵鋪設好后，填埋0.3m厚的砂土料，整平、壓實后再依據上法鋪設第二層土工格柵。同樣需要杜絕格柵扭曲、折彎，然后再在格柵上鋪設30cm厚的砂土。砂土鋪設時，從中間向兩側攤開，防止格柵發生位移。試驗路段共用土工格柵3000m2，土工格柵在鋪設中未出現扭曲、折皺、重疊等現象。

3.2.2 土工格室方案

土工格室是網格狀的多邊形立體格室。與土工格柵相比，它既在水平方向加增強筋，也在豎直方向增加了一定的增強筋。可以在水平方向鎖定一定體積的土層，增加路基的固結性和承載力，從而防止路基發生水平側移和豎直沉降。格室的材料多為塑料，如PE或PP。土工格室網孔結構是立體的，網孔空間越小，鎖定土基的能力越強，網孔的截面形狀可以是三角形、六邊形或多邊形，最常見的是四邊形。土工格室的高度、焊距、鋪設角度、鉚接方式均會影響軟弱路基的承載效果。土工格室高度越高，固定效果越好，但造價和鋪設難度也相應增加，本案中選用高度為10cm的土工格室。焊距過密會影響土工格室的結構強度，本案中選擇400mm焊距。格室片材質為HDPE，抗拉強度≥180KN，連接點抗拉強度≥180KN，對應延伸率≤15%，連接點連接直徑≥2.5mm；格室網帶連接方式采用U型鋼釘插接編織，U型釘直徑≥2.5mm；U型鋼釘已做鍍鋅防腐蝕處理，格室張拉到位時每一個U型鋼釘均為一剛性支撐點。土工格室在路基中用45°鋪設方式比采用0°鋪設方式可減少路基水平方向的變形值，且對豎向沉降幾乎沒有影響。因此，本案采用45°鋪設方式。

鋪設前，完成清淤清表、整平地面，然后回填碾壓至原地面線；在原地面線位置鋪一層土工格室，土工格室鋪設寬度為路基寬度，格室內回填10cm厚的砂礫或碎石等透水性材料，碎石最大粒徑不大于8cm。由于格室高10cm，因此，首先應填滿砂土至10cm高度，然后整平，防止格室未正確張拉。整平壓實后，在土工格室上再覆蓋40cm厚的砂石，以保證0.5m間距設置第二層。整平壓實40cm覆蓋層之前，嚴禁推土機等機械作業，防止壓壞土工格室。壓實后，開始鋪設第二層等寬的土工格室，格室間回填砂土或碎石材料。其上覆蓋30cm厚的砂土，整平壓實。實驗中，土工格室布網主受力方向要求與路線縱向垂直，且視型張拉，連接到位，及時填埋，嚴禁爆曬；網間連接可采用專用插件或現場連接兩種方式。試驗路段共用2100m2土工格室，回填土方量與土共格柵實驗方案一致。

4 方案效果

軟弱路基中重要的危害是路基沉降，水平側移。對于填挖深度大的路段，采用強化措施，增加穩固性非常必要。上文兩個方案均通過增加加強筋的方法來穩固軟弱路基，通過檢測兩個實驗方案中填方路基的沉降速度，水平側移量等指標，可以得出兩種方案的效果。路基沉降實驗中，一般以6-12個月的自然沉降為依據，如果時間不滿足應增加超載，縮短預壓期，在滿足連續2個月不超過5mm/月的沉降速率時，表明沉降已經趨于穩定化，可卸載加壓，并計算沉降量。不同路段的沉降標準如下（見表1）：

軟弱路基沉降可以通過實際測量直接讀出，但有時為了防止測量誤差，也可以通過理論計算得出。常用的計算方法包括經驗法和分層總和法。分層總和法的原理清晰明了，由于地基不同深度的土質呈現層級性特制，因此，可以通過計算不同層級土質的沉降量，然后加總，即可得出總的沉降量。其計算公式表示如下：

表1 不同路段的路基沉降標準

表2 兩方案不同測量點的沉降量

將理論公式計算得出的沉降量與試驗監測數據結合，可以進一步了解沉降的規律，并預判沉降趨勢。本實驗中的沉降監測采用表面金屬沉降板加載沉降法。在實驗路段填方之前，于原地面下埋設沉降板，并進行高程觀測，沉降板埋于路中心，路肩基底。全套監測設備由鋼底板、金屬測桿和保護套管組成，沉降板底板尺寸不小于50cm×50cm×3cm，測桿直徑以4cm為宜。沉降板觀測應采用S1、S3型水準以二級中等精度要求的幾何水準測量高程，觀測精度小于1mm。

填方工程中，不能損壞金屬測量桿，并隨著填土的高，接高測桿和套管，接高后的測桿頂面應略高于套管上口，并加蓋封住管口。實驗開始1個月后，兩個方案的沉降速度均趨于穩定，經3個月實驗測量，兩個方案的沉降量結果如下（見表2）：

工程造價上，按3000m2土工格柵實驗路段造價為27.3萬，按2100m2土工格室實驗路段造價為30.1萬。對比工程造價，兩個方案的比值為0.91，而平均沉降量控制效果的比值為0.80，可以認為土工格室方案單位造價上，控制沉降效果更佳。

總結

軟弱地基需采用置換法、加筋法、擠密夯實法、拌和法等。華容縣珠頭山至花子墳公路位于洞庭湖東岸，規劃為二級公路，規劃線路軟弱地基路段多。本文分析了工程設計方案中對一般地基和軟弱地基的處理對策，并重點分析了填挖高值超過2m的厚軟地基路段處理方案，通過對比土工格柵和土格室方案，可以看出土工格室方案的控制路基沉降效果更佳。因此，工程設計以土工格室方案為主要軟弱地基處理方法。