不同类型软土路基路堤填筑变形特性分析

■曾蓉琴

（莆田市交通投资集团有限公司， 莆田 351100）

软弱土地基在我国分布广泛， 常见于沿海、沿江、内陆湖泊、西南山区等地，在此类地基上开展工程建设，如地基处理不当或沉降预测不准确，将会引发较为严重的工程事故。20 世纪80 年代初，我国结合大部分省份对软基情况及处治的相关研究，形成了现行标准JTG/T D31-02-2013 《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》[1]，随后就海相、湖泊相沉积的处治方法[2-3]，对软基的沉降和稳定计算、沉降规律、沉降的监测控制进行了相关探讨，提出了施工期软基沉降动态监测的监测方法和监测标准。以上标准在保证工程施工安全的前提下，能够较为准确地估算工后沉降。 此外，国内研究针对公路延伸距离很长的带状构筑物的特点，还形成了排水预压法、粉体搅拌桩深层处理法等软基处理方法[4-7]，在大多数的工况下能够很好地保证高速公路对地基变形量的高要求。 但基于沉降监测的高速公路施工优化设计尚属空白。 且现行规范所提出的控制标准主要以沿海地区的软基情况为依据[8]，对于山区沟谷相软基的规范尤为鲜见。 综上所述，本研究以西南地区某高速公路K0～K7 段为研究对象， 结合工程资料和调研数据，对研究区山区沟谷相软基进行工程类别划分， 结合长阶段的原位沉降监测结果，探讨不同软基类型在路堤施工过程中的沉降规律，分析沉降量与填土高度、软基厚度间的关系。 该研究成果可以为西南地区与尤其是成渝都市圈修筑高速公路时路基沉降控制提供相应的参考。

1 研究区软土地基工程特性

成渝双城经济圈某高速公路全长约200 km，路面宽度24 m，双向四车道，设计时速120 km/h，坡比为1∶1.5。沿线软基发育百余处，均为山间沟谷型，其上路堤填筑超15 m 的段落有20 处。 软土地层组成从上到下为第四系全新统填土和沼泽沉积层（Q4m）， 可细分为高液限粘土和低液限粘土组成，层厚一般3～8 m，局部最厚达15 m，在山谷之间间隔呈串珠状分布，发育状态不规则，多以波状为主（图1）。

图1 场地地层剖面图

研究区软土具有与沿海软土相似的工程地质特性。 但因为西南地区软土炭质较少，其化学成分和矿物组成存在地域区域性，其物理力学特性有其自身的独特性。 如表1 所示，区域内软土密度均较低，孔隙比、压缩系数、液限较高，抗剪强度较低，但由于埋深及成因差别，其变化范围较大。

表1 研究区软土物理力学参数

2 研究区软基分类

影响软土地基施工沉降的因素较多， 对于本研究区而言，主要因素为软土深度、回填高度及软基加固方法，因此从这3 个方面对K0～K7 段软土地基进行分类（表2）。（1）第一类软基（软基厚度1～3 m）（图2a），主要以换填为主（图3a），位于山间沟谷地区，该类软土一般顺沟发育，平面上呈互不相通，长度一般在150～200 m，厚薄不均，从坡脚处往沟谷中间逐渐过渡加厚。 （2）第二类软基（软基厚度6～9 m）（图2b），主要以塑料排水板处理方式为主（图3b），处理间距在1～1.5 m，处理深度以超过软土层厚度为标准。 该类软基位于冲沟中地势低洼处，平面上呈互不相通，长度一般为250～300 m， 一般从自地势低洼处向山坡脚逐渐变薄， 厚度或埋深与下伏基岩面起伏及埋深密切相关。（3）第三类软基（软基厚度9～12 m）（图2c），主要以碎石桩处理方式为主（图3c），正三角型布设（间距1.2～1.5 m），桩长穿越软土地层深度并进入硬土层或岩层0.5～1.0 m，发育于山间洼地区域，分布形状似“鸡爪状”或“掌心状”。

图2 三类软基形态分布

图3 软土地基典型断面处理方式

3 沉降变形特征分析

3.1 变形监测方案

在路堤两侧路肩和路中位置分别埋设沉降观测点进行人为观测，沉降观测以沉降观测板为主，沉降观测板尺寸为0.5 m×0.5 m×0.03 m 的钢板，钢测管直径为4 cm， 观测仪器为精度2 mm+2 Ppm 的TopconGTS311 型全站仪。 填筑初期沉降板固定于软基表面（图4），随后测管随路堤增高而接长。

3.2 软基断面变形特征

3.2.1 第一类软基断面变形特征

以K0+040 断面监测数据为例进行分析，绘制施工阶段路中沉降速率-时间、累计沉降量-时间的关系曲线（图5a）。由图5a 可知，在路堤填筑初期， 软基沉降与路堤填高呈正比例增大的关系，近似呈现线性变形的特点，沉降速率在施工前3 个月始终保持在2～3 mm/d，这主要是因为换填处置后片石未经压密且残留厚度不同的软基。 在此之后，沉降变化趋于平缓，沉降速率亦在逐渐变小。 对于此类软基而言，其施工期整体沉降变形量不大，在80～120 mm 之间（其他断面变形结果见表2），一方面是因为此类软土地基自身厚度较小（1～3 m），而且换填的处理方式是将软弱土层全部挖除换成片石， 地基承载力及抵抗变形的能力明显提高。

3.2.2 第二类软基断面变形特征

以K0+460 断面监测数据为例进行分析， 绘制施工阶段路中沉降速率-时间、累计沉降量-时间的关系曲线（图5b）。由图5b 可知，施工初始阶段软土地基的沉降随着路堤填筑高度的增大瞬间增大，后非线性增大，沉降速率在施工前3 个月始终保持在3～5 mm/d，累计沉降在60～80 mm 之间，曲线表明总沉降与沉降速率和填筑时间、填筑高度是正比例增大关系。 软基经过塑料排水板处理后，土中孔隙水压力会随着填筑荷载的增加而逐渐消散，从而引起软基变形， 但是因为孔隙水压力消散的滞后性，使得该种方式处理后的软基在施工期的沉降相对较小，主固结主要发生在工后，当孔隙水压力转变为有效应力时，沉降速率逐渐变小。

3.2.3 第三类软基断面变形特征

以K5+380 断面监测数据为例进行分析， 绘制施工阶段路中沉降速率-时间、累计沉降量-时间的关系曲线（图5c）。由图5c 可知，此类软基断面累计沉降量在30～60 mm 之间， 总沉降与沉降速率和填筑时间、填筑高度亦是正比例增大关系。 在施工初始阶段， 软土地基随着施工填土而不断地沉降，特别是在施工前1 个月，沉降速率1.5～2 mm/d，在此之后变为0.5～1 mm/d，主要是因为碎石桩处理后软土地基自身强度增大的同时也增加了孔隙水压力消散的通道，使得其在施工阶段即能达到总沉降的70%～80%，并因为地基承载力增加能够显著降低累计沉降量。

图5 典型断面监测曲线

3.3 主要影响因素与沉降的关系

结合表2 中11 处典型断面监测数据以及K0～K7 段其他30 个断面的监测变形量进一步统计软基厚度、填筑高度与沉降的关系，如图6、7 所示。 由图6 可知， 软土地基处理方式不同沉降量亦不相同，路堤下软弱土层厚度越厚，荷载传递后压缩层厚度就越深，沉降量大体上是随着软基厚度增大而增大。 由图7 可知，软土厚度、填筑高度均与软基沉降呈正比，同时也由于受到侧向变形、路基宽度等因素的影响，并不呈现出线性增长的趋势。

图6 软基厚度与沉降的关系

图7 填筑高度与沉降的关系

总体而言：（1）换填的处理方式是将软弱土层全部挖除换填，地基承载力及抵抗变形的能力明显提高，沉降量仅发生在填筑初期且在施工期即已完成全部沉降量，沉降量大小与回填密实度和残留软基厚度有关；（2）塑料排水板处理后软土地基在遭受路堤等上部荷重后， 孔隙水压力消散存在滞后性，使得该种方式处理后的软基在施工期的沉降相对较小，主固结主要发生在工后；（3）碎石桩处理后软土地基自身强度增大的同时也增加了孔隙水压力消散的通道，使得其在施工阶段即能达到总沉降的70%～80%， 并因为地基承载力增加能够显著降低累计沉降量。

4 结论

目前西南地区基础工程大量兴建，对于高速公路穿越山区沟谷相软基引发的路基沉降变形这一方面研究涉及较少。 本研究以西南地区某高速公路K0～K7 段为例，通过线路穿越段软基的工程地质特征及工程施工特点对软基断面进行分类，并结合路堤填筑过程中地基沉降监测结果，探讨不同软基类型在路堤施工过程中的沉降规律。 研究结果表明：（1）根据研究区软土地基厚度、路堤填筑高度及软基加固方法，可将线路穿越段软基分为3 类；（2）第一类软基厚度为1～3 m，以换填为主，累计沉降在80～120 mm 之间；第二类软基厚度为6～9 m，以塑料排水板处理方式为主， 累计沉降在60～80 mm 之间；第三类软基厚度为9～12 m，以碎石桩处理方式为主，累计沉降在30～60 mm 之间；（3）同一大类软基总沉降量和沉降速率差异不大，从沉降速率曲线上看， 总体表现为施工期前1～3 个月大于施工后期；（4）软基厚度、填筑高度不同沉降量亦不相同，沉降量大体上是随着软基厚度增大、填筑高度增大而增大。 但不同处理方式的处理效果不同，导致最终沉降量及沉降发生阶段也有所不同。 总体而言，在施工前期特别要控制填筑速率，以便维持软基的稳定。