土工格室在软弱地基处理中的应用

文｜岳阳市公路桥梁基建总公司 潘炜

软地基会引起地上建筑沉降或侧移，必须采取固结、置换等措施以提高地基稳固性。土宫格室是一种三维的网室状限系统，可以限制地基水平任一方向的侧移，并增加地基弹性模量，具有成本低、施工方便、稳定软地基效果好等优点。环洞庭湖地区软地基区域面积大，研究土工格室在这一地区典型软弱地基处理中的施工效果，有利于加快该地区公路、桥梁等交通设施的建设。

1 案例工程概况

案例工程华容县珠头山至花子坟二级公路为岳阳市省道连接工程。工程位于洞庭屋东部沿岸，横跨华容河、水塘、稻田等软弱地基密集区，规划线路长度9.726公里。沿线地形起伏不大，冲沟浅且平缓，无高填方分布，除桥头区外，路堤填方高度一般不超过2.0m。覆盖层主要为种植土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂、中(粗)砂、砾砂等。特殊性岩土主要为软土。LK0+000～LK2+300.991、K0+000～K0+750段软土主要零星出露于沿线沟谷、水塘及稻田等低洼地带，软土厚度一般多在1-2m范围内。K0+750～K3+000段的软土范围分布广，埋深较浅，厚度较大，其力学性质差，承载力一般不能够满足路基填筑要求，必须对软土进行加固处理后方能进行路基的填筑。沿线主线采用设计速度80km/h的双向两车道二级公路标准，路基宽12m，路面宽10.5m。

2 路基处理设计方案

2.1 一般路基

华容县环东洞庭湖段地势低洼，水塘和稻田多，为保证规划线路路基不受雨水侵蚀，设计标高约30m，大部分路基位于设计标高以下，为填方路段。少部分为挖方路段。一般路基填方高度小于3m，路基较为稳固。在处理一般路基时，拟清除地基耕植土、淤泥和松土，并进行填前压实后填筑拓宽。老路边坡则挖除松土后，开挖台阶，每二层分层压实土高挖一级台阶。路基横断面拟尽量采用流线形，取消路堤路肩边缘、坡脚的折角，即从土路肩到路堤边坡坡脚的边坡表面线形为：弧曲线（圆曲线）——直线——抛物形，使得边坡外形与周围环境融为一体，看不出明显的填筑痕迹。填挖交界处基底层沉降变化大，则填方路基的压实度要求提高2%。

本项目一般路基中的挖方路基主要位于老路拓宽部分。老路路基较为稳固，路面为土层或碎石柏油路面，大部分破损严重。老路基部分地段有边坡，边坡高度一般小于1.5m。为防止路面出现不均匀沉降，松土路床应进行超挖分层压实，挖方路床顶应进行挖方路基碾压，其压实度不小于95%。该工程一般路基部分路段含浅层松软表土和淤泥，厚度在1m以内。为固化地基，设计一般路段清表土厚度0.3m，清淤泥深度依据具体路段地质情况确定。一般路段清表土后，以含水率低的土料或建筑混凝渣土废料为填料，路床填料以《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）第3.2条要求为准；路堤填料以满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）第3.3条要求为准。优先利用级配较好的石质土（碎（砾）石含量大于25%）、砂性土等粗粒土。当地面横坡为0～1:10时，填土前须碾压；当地面坡度为1:10～1:5时，须填前挖松再碾压；地面坡度陡于1:5时须填前挖台阶，台阶宽度不小于2m。

综合来看，本项目主要以填方为主，局部路段有挖方，但挖方高度一般在1m以内，采用移挖作填处理，路基填料主要集中在新建路段，填料主要为砂土；路面底基层以下不论填方还是挖方均考虑了15cm垫层，以未筛分碎石为填料；在填方地段在15cm垫层下铺设厚度不等的路床用土。规划路面垫层以上结构分别为底基层、基层、封层、下面层和上面层。

2.2 特殊路基

本路线穿越较多的水洼和河流，不良地质现象主要为软土。软土主要为浅层淤泥和淤泥质粘土，设计贯彻“预处治”理念，以确保基础稳定，路基安全。结合软弱地基深度不同和路桥结构不同，对不同路段采取不同的特殊路基处理方案。经地质勘探，软弱地基典型结构为1-3m厚的上部可塑粉状质黏土、中间厚1.5-9.0m的软塑状粉质黏土，下部为硬塑状粉质黏土。软弱路基主要位于K0+750～K3+000段区域。由于软弱地基的厚度大部分小于3m，因此，设计采取换填方案，即清淤和挖除软土后换填砂砾或砾石。对于桥桩、桥台、桥涵地基可采用水泥搅拌桩等强化地基，增加地基弹性模量。

在常年积水或水塘（鱼塘）地段挖填方，应先在用地范围内修好围堰，将围堰内的水抽干，清除表层淤泥后才能填筑路基。对于水塘等浸水路段，设计水位以下采用水稳性好的材料填筑，如砂砾等。填料中，不可掺入重粘土、浸水后容易崩解的岩石、风化的石块、盐渍土等填料。边坡采用C20砼预制块护坡防护。本工程软土范围分布广，埋深较浅，厚度较大，其力学性质差，承载力一般不能够满足路基填筑要求，设计采用超载预压与塑料排水板等方法处理；在桥涵附近根据软土厚度视情况采用水泥搅拌桩或预制管桩等方法处理。

3 施工方案试验设计

软弱地基增设加强筋可稳固地基，目前有多种材料可以应用。最常用的是土工格栅和土工格室。两者均为人工材料，施工工艺类似，造价上土工格室稍高。本工程中对于填挖高较深的软弱地基，采用土工格栅和土工格室比对试验来确定施工方案。

3.1 填方高小于2m路段的施工方案

一般地基按全线清除地表松土、淤泥0.3m方案。特殊地基包括水塘段、河流滩涂段等，根据可塑性粉状黏土的厚度清淤、排水。清淤完成后，再回填砂土。在桥涵等处，由于路面结构不同，需要采取水泥搅拌桩等做特殊处理。水泥搅拌桩的深度以打入硬质粉状黏土层为宜。砂土回填到原地面线后，根据原地面软弱地基的厚度，采取不同的路基稳固化方案。一般路基填挖高均为0.3m，可在填方复原道原路基高度后，直接铺设垫层、然后按底基层、基层、封层、下面层和上面层结构施工。对于软土和淤泥厚度在2m以下的路基，选用增设土工格室方案，由于路基竖向位移随土工格室埋设深度的增加而增大，并且随路基所受竖向荷载的增大而增大。因此，选择在原地面线上铺设一层10cm厚的土工格室，填压30cm厚砂土后开始路面结构施工。

3.2 填方高大于2m的路段的施工方案对比试验

填挖高较深的路段，多为河道边滩、泥塘等淤泥较多区域。虽然通过排水、置换等方案清除了这类路基的可塑性粉状黏土层，并减少了软塑状粉状黏土层的含水率。但这类路段的原地面线标高较低，需要回填的深度大，因此，选用双层加强筋结构更有利于路基的稳固性。在方案选择上，可以选用双层土工格栅和双层土工格室结构。两者施工工艺类似，土工格室理论防沉降效果更好，但造价较高。因此，本工程选定了填挖深度超过3m的软弱路基段作为试验路段，以选定何种方案更佳。

3.2.1 土工格栅方案

土工格栅是方格或长方格网状的土工加筋基材。其主要限制土基竖直方向的位移，对水平方向的侧移也有一定限制作用。塑料、高强钢丝和塑料结合材料以及玻璃纤维等材质均可制造土工格栅。土工格栅的网孔越小，抗沉降能力越佳，但网格越小造价越高。本实验中，选用普通单向聚氯乙烯土工格栅，抗拉强度为60KN，伸长率不超过10%，网孔尺寸为12.5cm×12.5cm。施工中，要保证格栅填埋深度适当。填埋过深，会导致路基竖向位移难以控制，并导致由于竖直方向的沉降而引发横向侧移。本方案中，第一层级的格栅埋深在原路面线30cm以上。先用厚度为30cm的砂土作为垫料，然后铺设土工格栅。砂土垫料采用粗砂或用碎石机轧制的碎石，碎石粒径控制在0～4.75mm，垫料采用机械整平和压实，然后将土工格栅展开平铺，宽度为路基宽度。格栅与格栅之间采用搭接法连接，搭接长度不小于0.5m，并采用土钉锚固。搭接部分每隔1米用8号铁丝进行穿插连接，每隔1.5-2m用U型钉固定于垫层。格栅铺设好后，填埋0.3m厚的砂土料，整平、压实后再依据上法铺设第二层土工格栅。同样需要杜绝格栅扭曲、折弯，然后再在格栅上铺设30cm厚的砂土。砂土铺设时，从中间向两侧摊开，防止格栅发生位移。试验路段共用土工格栅3000m2，土工格栅在铺设中未出现扭曲、折皱、重叠等现象。

3.2.2 土工格室方案

土工格室是网格状的多边形立体格室。与土工格栅相比，它既在水平方向加增强筋，也在竖直方向增加了一定的增强筋。可以在水平方向锁定一定体积的土层，增加路基的固结性和承载力，从而防止路基发生水平侧移和竖直沉降。格室的材料多为塑料，如PE或PP。土工格室网孔结构是立体的，网孔空间越小，锁定土基的能力越强，网孔的截面形状可以是三角形、六边形或多边形，最常见的是四边形。土工格室的高度、焊距、铺设角度、铆接方式均会影响软弱路基的承载效果。土工格室高度越高，固定效果越好，但造价和铺设难度也相应增加，本案中选用高度为10cm的土工格室。焊距过密会影响土工格室的结构强度，本案中选择400mm焊距。格室片材质为HDPE，抗拉强度≥180KN，连接点抗拉强度≥180KN，对应延伸率≤15%，连接点连接直径≥2.5mm；格室网带连接方式采用U型钢钉插接编织，U型钉直径≥2.5mm；U型钢钉已做镀锌防腐蚀处理，格室张拉到位时每一个U型钢钉均为一刚性支撑点。土工格室在路基中用45°铺设方式比采用0°铺设方式可减少路基水平方向的变形值，且对竖向沉降几乎没有影响。因此，本案采用45°铺设方式。

铺设前，完成清淤清表、整平地面，然后回填碾压至原地面线；在原地面线位置铺一层土工格室，土工格室铺设宽度为路基宽度，格室内回填10cm厚的砂砾或碎石等透水性材料，碎石最大粒径不大于8cm。由于格室高10cm，因此，首先应填满砂土至10cm高度，然后整平，防止格室未正确张拉。整平压实后，在土工格室上再覆盖40cm厚的砂石，以保证0.5m间距设置第二层。整平压实40cm覆盖层之前，严禁推土机等机械作业，防止压坏土工格室。压实后，开始铺设第二层等宽的土工格室，格室间回填砂土或碎石材料。其上覆盖30cm厚的砂土，整平压实。实验中，土工格室布网主受力方向要求与路线纵向垂直，且视型张拉，连接到位，及时填埋，严禁爆晒；网间连接可采用专用插件或现场连接两种方式。试验路段共用2100m2土工格室，回填土方量与土共格栅实验方案一致。

4 方案效果

软弱路基中重要的危害是路基沉降，水平侧移。对于填挖深度大的路段，采用强化措施，增加稳固性非常必要。上文两个方案均通过增加加强筋的方法来稳固软弱路基，通过检测两个实验方案中填方路基的沉降速度，水平侧移量等指标，可以得出两种方案的效果。路基沉降实验中，一般以6-12个月的自然沉降为依据，如果时间不满足应增加超载，缩短预压期，在满足连续2个月不超过5mm/月的沉降速率时，表明沉降已经趋于稳定化，可卸载加压，并计算沉降量。不同路段的沉降标准如下（见表1）：

软弱路基沉降可以通过实际测量直接读出，但有时为了防止测量误差，也可以通过理论计算得出。常用的计算方法包括经验法和分层总和法。分层总和法的原理清晰明了，由于地基不同深度的土质呈现层级性特制，因此，可以通过计算不同层级土质的沉降量，然后加总，即可得出总的沉降量。其计算公式表示如下：

表1 不同路段的路基沉降标准

表2 两方案不同测量点的沉降量

将理论公式计算得出的沉降量与试验监测数据结合，可以进一步了解沉降的规律，并预判沉降趋势。本实验中的沉降监测采用表面金属沉降板加载沉降法。在实验路段填方之前，于原地面下埋设沉降板，并进行高程观测，沉降板埋于路中心，路肩基底。全套监测设备由钢底板、金属测杆和保护套管组成，沉降板底板尺寸不小于50cm×50cm×3cm，测杆直径以4cm为宜。沉降板观测应采用S1、S3型水准以二级中等精度要求的几何水准测量高程，观测精度小于1mm。

填方工程中，不能损坏金属测量杆，并随着填土的高，接高测杆和套管，接高后的测杆顶面应略高于套管上口，并加盖封住管口。实验开始1个月后，两个方案的沉降速度均趋于稳定，经3个月实验测量，两个方案的沉降量结果如下（见表2）：

工程造价上，按3000m2土工格栅实验路段造价为27.3万，按2100m2土工格室实验路段造价为30.1万。对比工程造价，两个方案的比值为0.91，而平均沉降量控制效果的比值为0.80，可以认为土工格室方案单位造价上，控制沉降效果更佳。

总结

软弱地基需采用置换法、加筋法、挤密夯实法、拌和法等。华容县珠头山至花子坟公路位于洞庭湖东岸，规划为二级公路，规划线路软弱地基路段多。本文分析了工程设计方案中对一般地基和软弱地基的处理对策，并重点分析了填挖高值超过2m的厚软地基路段处理方案，通过对比土工格栅和土格室方案，可以看出土工格室方案的控制路基沉降效果更佳。因此，工程设计以土工格室方案为主要软弱地基处理方法。