公路滨海相软基加固措施与效果评价

周建良

(湖南环达公路桥梁建设总公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

我国东南沿海地区分布大量软土，尤其在海陆交接区域存在大量滨海相软土，这类软土含水量高、压缩性大、承载力低、渗透性差，排水固结慢，沉降稳定往往需要很多年时间［1，2］。在这一地区建造公路，路堤荷载作用下容易发生工后沉降过大、承载力不足的问题，滨海相软土上建造公路很难满足强度变形要求，必须采进行地基处理以改善地基强度并控制工后沉降［3］。同时，近海路基工程还需考虑潮汐及降雨的作用［4］。针对这一问题，对滨海相软土地基加固措施及效果开展研究，研究成果具有重要工程价值。

1 滨海软基加固措施

1.1 场地工程特性

某公路建设项目Ⅳ标段位于滨海相潮间带滩涂地区，标高 －2.70～0.00 m，涨潮淹没水深2.5～4.5 m。潮流形式为往复型半日潮，冬季潮差小秋季潮差大，涨潮时差约40 min。Ⅳ标段全长7.97 km，设计路面宽度52 m，地基为流塑～软塑状淤泥，无法满足强度要求，必须进行加固处理。公路设计标准工后沉降小于30 cm。路面施工前固结度要求达到90%以上。

场地地基土各层分别为:

1)人工填土层。黄褐色，松散，火山岩残积土并夹岩质碎块，局部含有粗砾砂。

2)淤泥质吹填土。灰黑色，流塑软塑状，厚4.5 m，表层失水干缩形成1.2 m 硬壳层，压缩模量1.87 MPa，高压缩性土。

3)淤泥。海相沉积，厚度1.5～14.5 m。深灰色流塑状，成分以粘粒为主，含腐殖质。压缩模量1.67 MPa，渗透系数 kv=3.0 ×10－7cm/s，不排水剪强度cu=17.5 kPa，灵敏度4.01。低强度、高压缩性、低渗透性，承载力标准值47 kPa。局部夹含泥砾粗砂透镜体，透镜体最大厚度0.5～3.2 m。

4)粘土。灰黄，可塑，以粉粒为主，局部含粉细砂相变为粉质粘土。厚度3.7～6.5 m，承载力标准值165 kPa。

1.2 加固措施

为明确最佳地基处理方法，施工前选取100 m试验段进行现场测试工作。考虑潮汐不利影响，确定采用袋装砂井超载预压联合围堰加固措施。

1.2.1 填筑围堰

在试验段袋装砂井处理区段，施工前先修筑内外围堰。围堰采用块石与粘性土混合材料，底部铺设土工格栅以增加围堰整体稳定性，考虑水头压力差下可能造成围堰失稳，每隔150 m 设置横向围堰起隔水和防侧移作用，具体设计如下:

1)为保证干面无水施工，并加快进度，填筑的围堰与反压护道结合使用，从而节省投资。

2)填筑围堰与路基中线平行，当路基加宽时围堰随之偏移。

3)考虑潮汐与波浪影响，外围堰顶部宽3.5 m，底部宽15.5 m，内围堰顶部宽2.0 m，底宽10.0 m，两端设置横向围堰形成封闭堰。

4)围堰填筑与砂垫层同步施工，低潮时围堰内铺砂，淤泥稳定后再铺设土工布并用砂袋叠压。退潮后土工布上铺砂，每层45 cm 直至总厚度达2 m，各层之间设土工布，迎海水面土工布折回，形成1∶1.5 边坡。

5)高潮时抛填护脚块石，低潮时堆砌块石做迎水面护坡，块石与砂层之间设反滤层。砂层厚度达2 m 时围堰填土顶面铺块石，内侧堆叠砂袋护坡。抛砂至设计标高，保证砂垫层＞1 m。

1.2.2 袋装砂井超载预压

超载预压即将填土作为超过设计荷载的荷载填筑软基之上［5］，预压一段时间后移去荷载。该方法实质是增加了软土固结沉降量。地基固结度一定时，超载越大固结沉降量也越大，根据这一原理超载预压可加速固结过程。理论上超载预压可消除工后沉降，但考虑土体卸载回弹，有必要延长预压时间［6，7］。

试验段海相淤泥质土地基袋装砂井联合超载预压设计如图1所示。

图1 袋装砂井联合堆载预压示意图

设计具体包括:①砂井。砂井设计直径100 mm，间距1.2 m，等边三角形布置，砂井顶设计进入垫层30 cm，砂井端部设计进入持力层0.5 m，垫层内纵横方向分别布置盲沟，纵向每50 m 布置一个积水井，构成垂向横向排水系统。②加筋垫层。土工布:路堤袋装砂井顶面铺设一层土工布。土工格栅:垫层顶铺设土工格栅。③砂垫层。土工布之上铺设1.0 m 厚砂垫层，垫层即作排水通道又作施工垫层。④超载预压。超载量根据设计消除的变形量确定，预压后残余沉降量应小于30 cm。

2 测试结果分析

2.1 测试方案

试验段对路基变形进行实时监控，包括:①沉降观测，采用分层沉降磁环与沉降板进行测试，以控制加荷速率并根据测试数据推算工后沉降。②水平位移观测，采用测斜管，依据水平位移速率控制填土加载速率，并根据测试数据分析路基稳定性。③孔压监测，采用孔隙水压计测试，根据孔压可进行固结度计算。

2.2 测试结果

试验工点沉降测试曲线从图2可以看出，软土的沉降在某时间点陡降，说明此时在荷载作用下土体发生了剪切破坏，土体结构破坏后经过固结变形调整，沉降速率又开始变小，并在加载后期沉降曲线发展趋势变缓。测试得到，大沉降速率0.42～1.5 cm/d，最终沉降量 250～487 mm。

图2 沉降测试曲线

水平位移数据如图3所示，累计水平位移23～140 mm，说明围堰具有限制土体侧移作用。最大侧向位移发生在淤泥下2 m 左右处，路基未出现失稳现象。

图3 侧向位移分布曲线

孔隙水压力消散规律如图4所示，初期荷载产生的附加应力加速软土固结，加载后期沉降曲线发展趋势逐渐变缓，说明此时软土固结已经趋于稳定。

图4 孔压消散变化规律

根据沉降测试曲线进行的工后沉降预测得到试验工点工后沉降45～201 mm 之间，满足工后沉降控制标准小于30 cm。路基固结度为93.4%，满足路基固结度大于90%控制标准。

3 数值计算效果评价

3.1 建立模型

为进一步分析加固措施的效果，建立有限元数值分析模型，计算袋装砂井联合堆载预压作用下路堤变形。计算考虑了加筋垫层、砂垫层、砂井、围堰对路基沉降变形的影响。模型为平面应变模型，路面宽52 m，计算宽度100 m，深度40 m，砂垫层1 m，填土厚度9.9 m。底部水平及竖向位移约束;左右两侧水平位移约束。

计算参数如表1所示。

表1 计算参数

3.2 效果分析

根据计算云图5可知，竖向位移云图呈明显的层状分布规律，随超载作用增加位移也随之增加，且位移区域也逐渐呈现扩大趋势。位移分布呈锅底型，淤泥层中心沉降最大。路堤表面沉降最大52.51 cm，淤泥层表面最大沉降97.88 cm。

图5 竖向位移等值线

基底中心最终沉降量计算值90.2 cm 和实测值100.23 cm。二者较为相近，验证了计算模型的合理性。计算表明，超载固结时间达到500 d 时，固结度为98%，从沉降控制角度看，袋装砂井联合堆载满足设计要求。

计算得到水平位移等值线分布如图6所示，可见水平位移呈类似椭圆形并辐射状分布。水平位移分布随深度增加而减小，超载作用前后水平位移发生明显变化。位移累积最大值211.43 mm。淤泥以下2 m 水平位移达到最大。

图6 第1 次超载前水平位移等值线

通过计算再次验证了围堰施工同时袋装砂井联合超载预压加固措施可行性，该方案达到预期的效果，满足设计要求。

4 结语

沿海区滨海相软基上修筑公路，如何确保地基满足强度与变形控制要求是工程难点。本文依托工程试验段，利用现场测试与有限元计算，对滨海湘路基加固措施与效果开展研究得出以下结论:

1)考虑滨海地区特殊条件，提出袋装砂井联合超载预压的加固措施，并归纳总结了围堰填筑、抛石挤淤、袋装砂井联合堆载预压处理施工工艺。

2)根据现场实测与数值计算验证加固措施的可行性;测试与计算表明滨海相软土路基采用本方案达到预期效果。

［1］沈朱江.软土工程特性和软土基地设计［J］.岩土工程学报，1998，20(1):100 －111.

［2］潘秋元，朱向荣，谢康和.关于砂井地基超载预压的若干问题［J］.岩土工程学报，1991，13(2):1 －12.

［3］罗 戍，曹新海，顾长存.堆载预压法加荷速率对软基沉降影响分析［J］.交通科技，2004(5):1 －3.

［4］经 绯，刘松玉，邵光辉.软土路基上路堤沉降变形特征分析［J］.岩土工程学报，2001，23(6):728 －730.

［5］王晓谋，袁怀宇.高等级公路软土地基路堤设计与施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［6］付丛生，陈建耀，曾松青，等.滨海地区潮汐对地下水位变化影响的统计学分析［J］.水利学报，2008，39(12):1365 －1375.

［7］张玉恒，王文成，丁长文，等.公路地基表层处理新方法——隔离防水填筑法［J］.现代交通技术，2012(3):16 －18.