泡沫輕質(zhì)土高路堤在軟土地區(qū)的應(yīng)用研究

□文/肖桂清 高宏偉

我國(guó)東南沿海分布比較廣泛的軟土，比如廣州、珠海、天津、上海、杭州等地區(qū)[1]，軟土是含水率高、天然孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高的細(xì)粒土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土[2]。天津?yàn)I海新區(qū)道路地基是典型的濱海軟土地基[3]，承載力低，沉降、變形大，同時(shí)存在不均勻沉降，沉降固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，容易發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題。在軟土地基上修筑道路，控制沉降、保持穩(wěn)定是技術(shù)上的兩大難題，其成功與否決定了道路工程的安全、工期、質(zhì)量、造價(jià)等；所以軟土地基路堤的穩(wěn)定性分析是路堤方案設(shè)計(jì)最主要的工作之一[4]。

軟土地基處理方法多種多樣，按加固原理分為：置換、排水固結(jié)、振密、擠密、灌入固化物、加筋、冷熱處理[5]。在高填深挖段，可能會(huì)采取多種地基處理方案相結(jié)合，滿足沉降和穩(wěn)定要求；也可能采用橋梁方案更適合，所以需要進(jìn)行方案比選。

1 工程概況

天津?yàn)I海新區(qū)的一條一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度60 km/h，紅線寬度34 m，雙向四車道，外側(cè)設(shè)置1.5 m 設(shè)施帶，路基寬20 m，其余為邊坡放坡范圍，見(jiàn)圖1。

圖1 工程道路段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

2 工程重難點(diǎn)

道路沿線用地現(xiàn)狀為坑塘水面、河流水面、灘涂。路基邊坡采用六棱塊植草護(hù)坡，在水面以下采用漿砌片石護(hù)坡。其中樁號(hào)K0+680～K1+020 段線位南側(cè)為魚塘，北側(cè)為魚塘土埂，平均填高13 m，總長(zhǎng)約340 m，是工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，道路分布有淤泥質(zhì)土層及其夾層，流塑為主，局部軟塑，高壓縮性，承載力較低，工程性質(zhì)較差，是影響路基沉降的主要土層，路基設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行沉降計(jì)算。路段填方較高且位于軟土地區(qū)，沉降控制和穩(wěn)定性問(wèn)題，是工程設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)關(guān)注的，一級(jí)公路一般路段容許工后沉降≯30 cm，采用有效固結(jié)應(yīng)力法時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)＞1.1（不考慮固結(jié)）或1.2（考慮固結(jié)）[2，6]。

3 路橋方案比選

本路段填方較高，如果采用道路路基方案，受沉降與穩(wěn)定因素的制約，需采用輕質(zhì)填料作為路堤填料，以減小附加荷載和工后沉降，增強(qiáng)路基穩(wěn)定性。從軟土地區(qū)路橋設(shè)計(jì)角度和經(jīng)驗(yàn)考慮，采用橋梁方案較為合理，故本文對(duì)路基方案和橋梁方案進(jìn)行比選。

路基方案由于南側(cè)地形較低，施工時(shí)先打壩抽水，清淤，分層填筑路基填料，整平場(chǎng)地標(biāo)高至0，然后填筑泡沫輕質(zhì)土至路床頂標(biāo)高；北側(cè)靠近現(xiàn)狀土埂，地形較高，挖臺(tái)階進(jìn)行搭接。路基一級(jí)邊坡在紅線34 m 內(nèi)，一級(jí)邊坡以外用地屬于整平場(chǎng)地用地。橋梁方案采用預(yù)制小箱梁，斷面布置與道路段一致。見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 道路路基方案

圖3 橋梁方案

從兩方案建安費(fèi)來(lái)看，相差不大，橋梁方案略高，但占地少，征地費(fèi)用低，見(jiàn)表1。

表1 路橋方案比較

路基方案有利于遠(yuǎn)期地塊開(kāi)發(fā)，池塘填平后，沿線地塊可以直接在路段設(shè)置開(kāi)口，便于路網(wǎng)接入，可以滿足過(guò)路管線的鋪設(shè)，雖然占地較多，但屬于填平深坑，整平場(chǎng)地，減少以后整平場(chǎng)地工程量，可以解決現(xiàn)狀附近大量廢棄土方；橋梁方案建安費(fèi)略高，占地少，但不利于遠(yuǎn)期地塊開(kāi)發(fā)，如有地塊接入需要拆除橋梁，重建道路，存在重復(fù)投資且施工期間需斷交的問(wèn)題，影響車輛通行。

綜上分析，考慮道路使用功能的長(zhǎng)遠(yuǎn)性及經(jīng)濟(jì)性，選擇采用路基填筑方案。

4 路基方案的設(shè)計(jì)

4.1 路堤填筑

考慮到遠(yuǎn)期地塊開(kāi)發(fā)，需整平地塊高至道路設(shè)計(jì)標(biāo)高，本工程采用路堤填筑方案。受沉降與穩(wěn)定因素的制約，為減小附加荷載和工后沉降，不能采用常規(guī)填土材料，需采用輕質(zhì)填料作為路堤填料，增強(qiáng)道路路基穩(wěn)定性。

泡沫輕質(zhì)土具有輕質(zhì)性、整體性、低彈減震性、抗壓性、耐水性、耐久性、施工速度快、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。作為路用填筑材料，泡沫輕質(zhì)土的CBR 強(qiáng)度、壓縮性及耐疲勞性滿足要求；與其他路用材料如瀝青材料、混凝土材料之間的黏結(jié)力較好。故本工程選用泡沫輕質(zhì)土作為路堤填筑材料。

路堤填筑方式：施工時(shí)先打壩抽水，清淤，填筑0.6 m 山皮土作為承托層，再分層填筑6%灰土，厚度為H1，然后填筑泡沫輕質(zhì)土H2，0.6+H1+H2為路堤填筑總高度，通過(guò)試算得出H2。為增加路堤穩(wěn)定性，路堤填筑高度設(shè)置兩級(jí)反壓護(hù)道，分為三級(jí)邊坡，邊坡坡率為1∶1.5、1∶1，采用六棱塊植草護(hù)坡，水面以下采用漿砌片石護(hù)坡。

作為填方較高段，路堤的穩(wěn)定性和工后沉降需滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時(shí)由于泡沫輕質(zhì)土重度較小，填筑高度較大，需對(duì)路堤整體抗浮性進(jìn)行驗(yàn)算，在減小附加荷載的同時(shí)，也要滿足抗浮要求。

4.2 沉降與穩(wěn)定分析

工后沉降根據(jù)文獻(xiàn)[2]計(jì)算，最終沉降采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法

式中：S∞——最終沉降，mm；

ms——沉降系數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)資料確定，也可采用經(jīng)驗(yàn)公式確定；

Sc——主固結(jié)沉降，由e-p 曲線法，經(jīng)分層總和計(jì)算，mm。

e-p曲線法公式

式中：n——壓縮土層內(nèi)土層分層的數(shù)目；

e0i——地基中各分層在自重應(yīng)力作用下的穩(wěn)定孔隙比；

e1i——地基中各分層在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下的穩(wěn)定孔隙比；

△hi——地基中各分層的初始厚度，m。

任一時(shí)刻地基的沉降St，應(yīng)考慮主固結(jié)隨時(shí)間的變化

式中：Sd——瞬時(shí)沉降，mm；

Ss——次固結(jié)沉降，mm；

U——地基平均固結(jié)度，可采用太沙基一維固結(jié)理論計(jì)算。

工后沉降Sp=S0-Scp

式中：S0——路面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)地基發(fā)生的總沉降，mm；

Scp——路基路面施工（預(yù)壓）期沉降，mm。

經(jīng)過(guò)試算，泡沫輕質(zhì)土需填筑6 m，附加荷載造成的工后沉降為29 cm，控制在要求范圍內(nèi)。

穩(wěn)定驗(yàn)算采用圓弧滑動(dòng)法中的有效固結(jié)應(yīng)立法式中：cqi——地基土或路堤填料的黏聚力，kPa；

φqi——地基土或路堤填料的內(nèi)摩擦角，（°）；

φcqi——地基土的內(nèi)摩擦角，（°）；

Ui——地基平均固結(jié)度，%；

ai——土條底面與水平面交角，（°）；

Li——土條底面弧長(zhǎng)，m；

WⅠi——土條地基部分重力，kN；

WⅡi——土條路堤部分重力，kN。

經(jīng)計(jì)算，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.64，當(dāng)泡沫輕質(zhì)土填筑6 m時(shí)，滿足沉降要求的同時(shí)，穩(wěn)定性驗(yàn)算可以滿足要求，本軟土地基路堤設(shè)計(jì)方案是可行的。

4.3 抗浮驗(yàn)算

泡沫輕質(zhì)土由于重度較小，作為路堤填料時(shí)，附加荷載較小，對(duì)沉降和穩(wěn)定性均有利，但由于造價(jià)較高，不能無(wú)限制使用，同時(shí)由于其重度比水小，當(dāng)遇到水位較高時(shí)有上浮風(fēng)險(xiǎn)，所以需對(duì)其進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。本工程南側(cè)為水塘，常水位約為-4.5 m。抗浮驗(yàn)算[6]

式中：Ff——抗浮穩(wěn)定系數(shù)；

γi——各層材料的重度，kN/m3；

hi——各層材料的厚度，m；

γw——水的重度，kN/m3；

hjw——路堤浸水的深度，m。

分兩種工況計(jì)算抗浮穩(wěn)定系數(shù)：工況一是從整體路堤考慮水的浮力作用；工況二是僅考慮浮力對(duì)泡沫輕質(zhì)土的作用，忽略泡沫輕質(zhì)土以下6 m 的6%灰土，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 抗浮計(jì)算結(jié)果

工況一和工況二的抗浮穩(wěn)定系數(shù)分別為1.52、1.12，反算抗浮臨界水位分別為6.8、2.3 m，采取保守計(jì)算結(jié)果，水位在2.3 m 以下時(shí)，抗浮穩(wěn)定系數(shù)均能滿足要求。故要求工程竣工后養(yǎng)護(hù)管理時(shí)需注意，如遇到特大暴雨，本段水位上漲較快時(shí)，需實(shí)時(shí)觀測(cè)水位，水位超過(guò)2 m 后，需采取有效措施，降低水位，保證道路使用安全。

4.4 路堤施工預(yù)壓與監(jiān)測(cè)

路堤填方較高，施工期間，除對(duì)填土按要求壓實(shí)外，還要預(yù)壓，盡量減小工后沉降。采用等載預(yù)壓，泡沫輕質(zhì)土施工完后填筑106 cm素土進(jìn)入預(yù)壓期，預(yù)壓期不少于6月。預(yù)壓素土卸載后用作路面結(jié)構(gòu)的二灰土或素土回填。

施工過(guò)程變形監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路基設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可確保施工、運(yùn)營(yíng)期間路基安全穩(wěn)定。變形監(jiān)控分為填土路堤的地表沉降和路側(cè)水平位移，地表沉降采用沉降板觀測(cè)，路側(cè)水平位移通過(guò)邊樁來(lái)觀測(cè)。施工期間應(yīng)選取典型斷面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路側(cè)水平位移，保證高路堤填筑過(guò)程中的穩(wěn)定；觀測(cè)沉降，保證路堤頂標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

軟土地基處理方法多種多樣，實(shí)際工程現(xiàn)狀條件也各不相同，需綜合分析選用。本文對(duì)具體工程實(shí)例中填方較高路段進(jìn)行了路橋方案比選，從遠(yuǎn)期地塊開(kāi)發(fā)的角度采用路堤方案。為滿足軟土地基沉降和穩(wěn)定性的要求，結(jié)合輕質(zhì)材料路堤的特殊性，進(jìn)行了沉降、穩(wěn)定性和抗浮性驗(yàn)算，證明方案是合理可行的。□■