湖区高速公路路堤软土地基处治工程技术应用

湖区高速公路路堤软土地基处治工程技术应用

李晓红

湖南省交通科学研究院有限公司 湖南长沙 410015

摘要：详细介绍了湖区软土地基分布特征及工程性质。通过软土地基处理工程技术在湖区高速公路路堤加固处治的适应性研究，在充分认识湖区路基变形特征与不均匀及超限沉降控制特殊性的基础上开展几种具有针对性的软土地基处治技术方案比选。以洞庭湖区高速公路路堤软土地基处治为例，根据软土地基分布特征及工程性质的分析评价，结合路堤稳定性对路基沉降要求的分析，比较石灰桩、水泥粉煤灰碎石（CFG）桩、水泥深层搅拌桩、PHC管桩以及真空预压、堆载预压及袋装砂井、塑料排水板等处治技术方法，选择在深厚软基路段采取水泥搅拌桩、CFG桩、PHC管桩、排水板联合堆载预压处治方案，同时依据路基软土处治深度及路堤稳定性原则采用合理的路堤设计高度和边坡坡率。

关键词：湖区软土地基；软土地基处治技术方法；路堤高度边坡坡率；不均匀及超限沉降

0 引言

我国高速公路建设发展迅速，分布地域广泛且路线长，特别是穿越湖区、沿海湾区及沼泽地区的高速公路沿线不可避免遇到分布广泛的深厚软土，其中湖区特殊的地质条件给高速公路建设带来很多困难，尤其是湖区高速公路路基不均匀及超限沉降问题一直是困扰建设者们的技术难题。随着各地高速公路的不断建设，湖区高速公路路堤软土地基处治工程技术也在不断研究探索与应用中，已引起工程技术人员的充分重视。高速公路在湖区的建设因防洪要求，往往需设计较高的路堤，对路基稳定性沉降要求较高，在设计使用年限内，一般规定路堤的工后沉降量应小于30cm，桥头路堤沉降量应小于10cm。高速公路路面平整度要求更高，其标准差应在1.8mm以内，同时不应在桥涵构造物与路堤衔接处出现超限的差异沉降，引起衔接处跳车及路面破坏。因此必须对引起路面变形的地基沉降采取有效技术措施进行处治改善。穿越洞庭湖北部边缘的杭瑞国家高速公路湖南省岳阳至常德段广泛分布深厚软土，工程技术人员通过详细的工程地质勘察充分查明了沿线软土地基的分布特征及工程性质，根据沿线路堤及桥涵构造物的设计要求开展了全面的软土地基处治技术方案比选研究。

01湖区软土地基分布特征及工程地质性质

建设的杭瑞国家高速公路湖南省岳阳至常德段位于洞庭湖区北部边缘。华容隆起呈近于东南向斜贯该区西北，为燕山期以来逐渐形成的一个中新大型坳陷盆地。软土分布区域地势平坦，沉积层较厚，沿线以农作物和居民区分布为主。根据地质勘察资料表明，沿线地层分布自上而下一般为：种植土、亚粘土、淤泥质土、粉砂、细砂、花岗岩全风化层等。其中软弱土分布地段约占全线的30％以上，软弱土最厚达38.9米，平均厚度有20多米。靠近华容花岗岩出露地段湖相软弱土层越来越薄直至尖灭，而冲坡积粘土、亚粘土地层越来越厚，全风化花岗岩层埋藏越来越浅。拟建场地稳定水位深度比较高，大致在0.8～6.4米范围浮动（大部分地段稳定水位在1～3米），主要接受大气降水、洞庭湖水以及附近水系的综合补给。

本路段湖相积软（弱）土（Q ）典型土性指标为：含水率w＝31～37%，密度ρ＝18.5～19.3g/cm³，液限w_L＝38～44%，塑限w_p＝21～24%,塑性指数I_P＝11.31～14.82，压缩系数a_1-2＝0.55～1.2MPa^-1，不排水剪强度Cu＝6～17kPa，属于高液限、高压缩、低强度饱和软弱土。

02湖区路堤软土地基的工程特性与分析评价

2.1湖区软土地基的工程地质特点

洞庭湖区软土地层主要由湖相沉积淤泥、淤泥质粘土、软塑状粉质粘土组成，一般夹厚薄不一的薄层粉细砂层，分布广泛且厚度较大，局部地段达40余米。湖相软土地基与沿海地区软土相比具有明显特征：

①软土地基成因的复杂性：由湖区上游河流从各地带来的不同来源泥沙及有机物质受湖水阻滞在相对静水环境沉积于地形低洼处，不同物质来源及不同外力作用形成同一地区不同地段软土性质的差异。

②软土地基分布的不连续性与不均匀性：湖区软土地基在平面上存在局部的不连续性。同时在空间分布上，其埋藏深度及厚度上存在较大的差异。具有不均匀的特性。

③软土地基分布的隐蔽性：湖区软土局部长期露出湖面，地表长期暴露于周围大气环境，在自然风化、淋蚀作用下形成薄层硬壳层，导致软土地基具有较强的隐蔽性。

④软土物理力学性质的特殊性：湖区软土一般含水量高且大于液限，孔隙比大，透水性差，塑性指数高，压缩性大，抗剪强度低，灵敏度高。

⑤水文地质条件复杂：湖区受季节影响，地下水位随季节变化较大，地下水及地表水对软土的浸润对软土物理力学性质影响较大。

2.2湖区软土地基的工程性质

湖区软土富含有机质、天然含水量高、孔隙比大、压缩性大、渗透性差、抗剪强度低、承载力低、触变性强的不良特性往往容易造成湖区软土路基不均匀及超限沉降，甚至破坏。

①软土路基剪切拉裂破坏：主要指软土路基在强烈行车荷载及自重作用下发生的破坏。具有高触变性的软土在振动荷载或自重力的作用下，强度下降，表现出很强的流动性，导致软土层侧向滑动挤出，路基产生拉裂不均匀沉降。

②软土路基差异沉降破坏：软土地基在空间分布上存在差异性的地段，由此引起的差异沉降也呈现明显的差异性。在路基上差异沉降破坏形式主要体现在：横向沉降差导致路基开裂破坏；纵向沉降差导致路基开裂破坏；纵向沉降差导致桥头跳车。

③软土路基整体滑动破坏：下卧软弱土层的路堤，特别是高路堤，由于软土抗剪强度低，在振动荷载或自重力作用下容易产生贯穿路堤和软土地基土层的整体剪切滑动面，从而使路基整体失稳破坏。

03湖区路堤软土地基处治技术的工程适用性分析

路基软土处治技术有很多，主要分为浅层软基处治和深层软基处治两大类。浅层软土处治方面：从改善路基土工程性质出发有换土垫层法、挤淤置换法、排水固结法、振动挤密法、胶结法等；从改善路堤荷载作用结构来看有反压护道法、土工布加筋强化路堤法、粉煤灰矿渣轻质路堤法。深层软土处治方面：从改善路基土工程性质看有加载预压法、超载预压法、真空预压法、真空预压法与堆载联合作用法、降低地下水位法、电渗法；从改善路堤荷载作用结构形成复合地基看主要有：振冲置换法、强夯置换法、强夯置换墩法、碎石桩法、石灰桩法、水泥粉煤灰碎石（CFG）桩法、PHC管桩法、深层搅拌法、高压漩喷注浆法。

随着软土地基处治工程技术的进步和不断发展，软土地基处治技术亦趋于完善，新技术和新材料的不断发展，软土地基处治方法多种多样，但每种方法都有其适用范围，同时很多软土地基处治方法又兼具多种不同处治效果。

湖区软土分布范围较广且软土较深厚，工程力学性质差，修筑高速公路路基应进行适当处治才能满足路基设计荷载及沉降稳定性要求。改善路堤荷载作用结构的复合地基法因其具有施工速度快，加固处治深度大、处治效果好、对周围环境污染少等特点，可以优先考虑。土工布加筋强化路堤法及轻质材料路堤法同样适合湖区软土地基处治，结合复合地基法一起使用效果更好。

预压排水固结一类的方法虽然较为经济，但由于湖区地下水位一般埋藏较浅且施工工期紧的要求，应经充分论证后使用。

04湖区路堤软土地基处治工程技术应用实践

考虑到本项目水文地质与工程地质条件、路基设计控制标高（35.9m）以及路堤设计高度（路堤高度一般大于8m），软土分布厚度较大（平均20米）等实际因素，项目路堤设计需要进行深层软土地基加固处治。

4.1湖区软土地基处治工程技术方案分析比选

目前，应用较成熟的深层软土地基处治技术有石灰搅拌桩法、水泥搅拌桩法、水泥粉煤灰碎石（CFG）桩法以及管桩法。石灰搅拌桩适用于处理饱和粘性土、淤泥、淤泥质土、素填土等地基，具有在施工时无振动，强度增长快，不需预压，可大大减少土体沉降量，工期短，造价较水泥搅拌桩低等优点，但因该地区地下水位较高，在地下水位以下的桩身强度较低，桩身呈可塑至硬塑状，故不予推荐。水泥粉煤灰碎石（CFG）桩可用于杂填土、饱和及非饱和粘性土、粉土、砂性土地基中。尽管其适用范围广，处理效果好，加固深度大，但其施工工艺复杂，软土强度低时不易成型，且本地优质粉煤灰来源匮乏，故不予推荐。水泥搅拌桩适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基，其在本项目区域有较丰富的工程实践经验，处理效果较好，且理论较成熟，但加固深度仅适用小于15m。PHC管桩适用于处理粘性土、粉土、淤泥质土、砂土及已完成自重固结的素填土等地基。尽管其具有造价高等缺点，但其具有效桩长长，处理深度大，且管身自身强度高，质量易控制，承载力高等特点。适用加固深度可大于15m。真空预压加载土体中剪应力不会增加，不必控制加载速率，但施工工艺复杂，施工要求高，对地基要求高，而且本段软土层下局部分布有粉细砂层，采用真空预压难以形成足够的真空度，故不予推荐。堆载预压具有造价低廉，施工工艺简单，无需特殊材料，对环境影响小等优点，但是，堆载预压法也有工期长和沉降值较大等不足之处。尤其对于本项目软基处治深度大及工期要求紧等特点，不适宜单独采用此类方法。因此，必须设置竖向排水系统加速土体固结以达到赢得时间，缩短施工周期。竖向排水系统通常采用袋装砂井和塑料排水板。袋装砂井在软土深度和面积较大的地区采用，地基变形容易产生径缩，影响排水效果；另外，为保证施工质量、降低施工难度，袋装砂井的长度不宜太长；故不予推荐。塑料排水板与袋装沙井的排水效果基本相同，而且塑料排水板具有插板机械轻、效率高、对土体扰动小等优点，且塑板具有单孔过水断面大、排水畅通、质量轻、强度高、耐久性好等特点。同时，考虑到排水板联合堆载预压法需较长的预压期，对构造物有一定的水平向剪切力，路基总沉降量较大，故仅推荐在一般路基路段使用。

通过比较石灰桩、水泥粉煤灰碎石（CFG）桩、水泥深层搅拌桩、PHC管桩以及真空预压、堆载预压及袋装砂井、塑料排水板等处治技术方案，结合本项目实际情况拟在本项目深厚软基路段采取水泥搅拌桩、CFG桩、PHC管桩、排水板联合堆载预压处治方案，同时本着减轻震害和便于修复（抢修）的原则确定合理的路堤高度及边坡坡率进行设计。

图4.1排水板联合堆载预压方案

图4.2 PHC管桩（水泥搅拌桩）处治方案

（PHC管桩正方形布置，水泥搅拌桩正三角形布置）

4.2软基处治设计基本原则

① 一般路基地段，当处治深度不超过20m时，且路堤高度不超过8m时，主要采用堆载预压联合塑料排水板法予以处治。

② 对于涵洞及桥头处治路段或不适合桥梁跨越的一般路段，当处治厚度H≤15m时采用粉喷桩处理方案；当处治厚度15m＜H≤20m时，采用PHC桩处理方案。

③ 不同处理方式之间（主要是复合地基与排水固结法、软土与非软土之间以及桥涵与路堤结合等情况）设置软基处理过渡段，使一般路基沉降向桥涵沉降要求逐步过渡（沉降坡度差不大于4％）。

④ 其余需处治软土地基厚度H≤20m路段及其它必须桥梁处理路段采取桥梁跨越方式。

4.3路堤合理边坡坡率设计原则

① 路堤高度h＜8m，堤身边坡坡比1：1.5；

② 路堤高度8m≤h＜12m，堤身边坡坡比1：1.75；

③ 路堤高度16.5m>h≥12m，采用折线式边坡，堤身一级边坡坡比1：2，二级边坡坡比1：1.75。

4.4相关设计参数选取

在相关设计理论计算中，路堤高度选取是根据路基设计控制标高（35.9m）与地面高程之差来选取，然后根据具体需要依次向上（或向下）取值。路堤边坡设计按双侧浸水的浸水路堤设计，并以设计洪水位控制，破坏模式为缓升骤降型式。土层指标根据本项目地质柱状图、土的基本性质试验成果以及实践经验综合比选取值。

根据相关规范规定：地基、路堤整体抗剪稳定验算应采用圆弧条分法；宜用总应力法或有效固结应力法计算稳定安全系数；浸水路堤在设计水位以下的边坡坡率不宜陡于1：1.75；基本烈度为7、8、9度的地区应进行抗震设计，路基抗震稳定性验算指标见表1

路基抗震稳定性验算指标表 表1

竖向承载力复合地基承载力、沉降理论按相关复合地基理论及稳定性分析理论进行计算。

4.5路堤合理设计方案比选

对于全线路堤段，总体来看边坡稳定系数基本随路堤高度增加而降低，具体见图示。

① 当路堤高度h＜8m，堤身边坡坡比为1：1.5时，边坡稳定系数≥1.1。

② 路堤高度8m≤h＜12m，堤身边坡坡比为1：1.5时，边坡稳定系数＜1.1；而坡比为 1：1.75时； 边坡稳定系数≥1.1。

③ 路堤高度16.5m>h≥12m，堤身边坡坡比为1：1.75时，边坡稳定系数＜1.1；而采用折线式边坡型式，堤身一级边坡坡比1：2，二级边坡坡比1：1.75时，边坡稳定系数≥1.1。

图4.3 边坡坡比为1：1.5时h～Fs关系图

图4.4边坡坡比为1：1.75时h～Fs关系图

图4.5 折线式边坡坡比为1：1.75（二级边坡）和1：2（一级边坡）时h～Fs关系图

通过分析表明，在相同条件下，不同处治方案的总造价与路堤高度有正相关性，呈近似线性关系，总造价随着路堤高度增加而增加。通过上述几种方案对比分析，堆载预压固结排水法造价最低，但其具有施工时间长，工后沉降大，且容易失稳定等不利因素（考虑到本项目工期以及地震效应等因素，上述处治深度值和填高为极限值）。因此，堆载预压固结排水方案只能用于填高不大于8m，处治深度小于20m软基路段。而水泥搅拌桩不仅设计理论较成熟，而且在本地区有较丰富的实践经验。同时，对于本项目即使在处置深度为15m时，其造价比桥梁造价也要低2000多万/公里。而PHC管桩当其桩长大于20m之后，其造价基本与桥梁相当，同时考虑到营运因素相对于桥梁不具优势。

通过以上分析还可以发现，深厚软土地基处理路段总造价整体较高，处治工程技术较复杂，其原因主要有以下几点：

① 软（弱）土层厚（平均厚度有20多米，最厚达38.9米）；

② 软（弱）土分布广（占全线30％以上）；

③ 下伏饱和粉细砂层；

④ 地震峰值加速度值0.10g；

⑤ 路堤高度大（堤高基本为8～13.8米）；

⑥ 地下水埋藏浅（稳定水位在1～3米）；

⑦ 蓄洪区设计水位高（路基设计控制标高35.9m ），主要接受大气降水（年平均降水量 1250～1450毫米），洞庭湖水以及附近水系的综合补给等特点。

05 结论

通过上述分析比选，本项目路堤高度及堤身边坡坡率按以下原则设计：

① 路堤高度h＜8m，堤身边坡坡比1：1.5；

② 路堤高度8m≤h＜12m，堤身边坡坡比1：1.75；

③ 路堤高度16.5m>h≥12m，采用折线式边坡，堤身一级边坡坡比1：2，二级边坡坡比1：1.75。

结合设计路线路基方案以及相关水文地质与工程地质条件等因素，我们针对本项目确定如下软土地基处治技术方案：

① 一般路基地段，当处治深度不超过20m时，且路堤高度不超过8m时，主要采用堆载预压联合塑料排水板法予以处治。

② 对于涵洞及桥头处治路段或不适合桥梁跨越的一般路段，当处治厚度H≤15m时采用粉喷桩处理方案；当处治厚度15m＜H≤20m时，采用PHC管桩处理方案。

③ 不同处理方式之间（主要是复合地基与排水固结法、软土与非软土之间等情况）设置软基处理过渡段，使一般路基沉降向桥涵沉降要求逐步过渡（沉降坡度差不大于4％）。

④ 软基处治深度超过20m路段及必须桥梁处理路段采取桥梁跨越方式。

考虑到目前复合地基理论自身的缺陷（尤其是PHC管桩设计理论）以及地震效应（对于本区域的软土以及饱和粉、细砂可能会产生附加的沉陷）等实际因素，采取复合地基处治方案必须设置试验路段以确定适合本项目特点的设计方案、施工工艺以及监测方案。

参考文献：

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[10]理正岩土计算软件4.01（北京理正软件设计研究院控股子公司北京理正人信息技术有限公司研发）

作者简介：李晓红（1969.3-），男，汉族，湖南长沙，湖南省交通科学研究院有限公司设计院副院长，高级工程师，本科，研究方向：水工环地质，岩土工程，道路路基工程，隧道工程