山区高等级公路厚层软基路段预应力管桩结合弃土反压处理路基滑移分析

郑继祖

摘 要：随着国家对节能环保的高度重视，复合地基处治措施和边坡加固方案也朝着经济、绿色、低碳、节能、环保及可持续方面发展。本文以山区某一级公路厚层软基处治为例，对厚层软基采用预应力管桩进行处治，同时结合弃土反压解决路基滑移。实践证明：该设计方案取得了良好的社会效益和经济效益。

关键词：路基滑移;湿软黄土;预应力管桩

中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）32-0119-03

Analysis of Subgrade Slip Treated by Prestressed Pipe Pile Combined with Spoil Back Pressure in Thick Soft Foundation Section of High Grade Highway in Mountainousarea

ZHENG Jizu

（Gansu Communications Planning Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Lanzhou Gansu 730000）

Abstract： With the high attention of the state to energy conservation and environmental protection， the treatment measures of composite foundation and the reinforcement scheme of slope are also developing towards economy， green， low-carbon， energy conservation， environmental protection and sustainability. Taking the treatment measures of thick soft foundation of a class highway in mountainous area as an example， the prestressed pipe pile is used to treat the thick soft foundation， and the subgrade slip is solved in combination with the back pressure of spoil. Practice shows that the design scheme has achieved good social and economic benefits.

Keywords： subgrade slip;wet soft loess;prestressed pipe pile

1 工程概況

某双向四车道一级公路，设计行车速度为80 km/h，整体式路基宽度为22.5 m，分离式路基宽度为11.25 m。受地形、地质及投资限制，K8+960—K9+230段采用深挖路堑方案，中桩最大挖深为58 m，边坡最大高度为89 m，地质均为黄土。K9+320—K9+420段路基填土高度为21 m，该段路基位于多年形成的堰塞湖边缘，路基右侧边坡傍山，路基宽度范围和左侧路基边坡均位于堰塞湖中。一般情况下，堰塞湖中无积水，被当地居民当作耕地使用。雨季降雨较多，周围山坡雨水均汇集于堰塞湖中，只能靠自然蒸发排出坑中积水。

2 地质及水文条件

项目区属陇西黄土高原西部，是青藏高原向黄土高原的过渡带，系祁连山褶皱带临夏—临洮向斜盆地的中心地带，是夹于马衔山—太子山之间的广大红层盆地与黄土丘陵地区。经调查走访，该堰塞湖主要成因为巨型山体滑坡堆积体堵塞原始沟道成分主要为全新统湖洪积湿软黄土状土，分布厚18.8～25.5 m。一般堰塞湖中心段分布较厚，接近堰塞湖边缘厚度变薄，该层含水量高，多呈软塑状，承载力低，压缩性高，比贯入阻力[PS]=484 kPa，压缩模量[ES]=3.0 MPa，容许承载力[fa0]=60～75 kPa。上部主要为可塑黄土状土，为硬壳层，厚4.5～5.5 m，比贯入阻力[PS]=1.54 MPa，压缩模量[ES]=6.3 MPa，容许承载力[fa0]=100～120 kPa。下伏基岩为新近系砂质泥岩，为隔水层。勘察期间路基区无地表水。经调查访问，堰塞湖内强降雨时期易形成地表汇水，影响沟道内土体的工程力学性质。

3 工程难点分析

第一，路线平纵面受小桩号侧深挖路堑和大桩号侧长段落湿软黄土及排水的影响，调整余地受限，且周围地形地质条件复杂，路线没有完全绕避该段的可能性。

第二，湿软黄土层厚度较大，路基填筑后将面临过大的工后沉降。

第三，路基填筑高度较大，高路堤横向稳定性差。

第四，路基底部湿软黄土层分布厚度存在差别，路基填筑后易产生不均匀沉降，后期路面铺筑后易产生纵横向裂缝。

4 方案比选及分析计算

4.1 方案比选

项目为高等级公路，各项指标和标准要求高。由于项目里程较长，投资受限，设计方案应从安全、实用、经济、环保等角度出发，着重考虑路线与地形、地貌、水文、地质等的协调，工程建设应与社会、人文环境相统一，坚持“人性化设计”“地质选线”“环保优先”“景观协调”“可持续发展”的指导思想，避免过度设计，造成资源浪费。经综合分析，设计过程中提出两个方案进行分析比较。

方案一为路基方案。该方案的优点是造价低，可充分利用路基和路侧地形条件，设置整平区和填平区，以消化小桩号侧路基挖方，尽可能减小本项目线外弃土的方量。整平区和填平区施工完成后复耕，对环境影响小，同时路基加宽填筑设置边沟，可将上游堰塞湖积水（K9+760—K11+640段）通畅排出，避免路基在雨季受积水浸泡失稳。雨季当地村民生产生活安全性高，社会效益改善显著。该方案的缺点是地基处理难度大，路基填筑后需要一定的沉降周期，施工时间较长。

方案二为桥梁方案。该方案的优点是施工简单，梁可提前预制，后期养护费用低，施工周期短，能保证质量。该方案的缺点是造价高，桥梁岸坡开挖对环境影响较大，雨季堰塞湖中积水不能及时排除，积水浸泡坡脚使桥梁岸坡容易失稳，稳定性差，小桩号侧挖土方不能得到有效利用，弃方量大，且路线上游堰塞湖水不能通畅排出，均汇集于路基（K9+760—K11+640段）两侧，路基容易失稳或易产生不均匀沉降，而且雨季农业生产安全隐患大。

为确保安全，减小项目弃土方量，避免大量弃土引发次生地质灾害，同时保证上游堰塞湖水快速通畅排出，经综合对比分析，确定采用方案一，即采用路基方案通过该段堰塞湖。

4.2 分析计算

4.2.1 路基沉降处治计算。由于该段湿软黄土状土厚度较大，路基底部分布厚度存在差别，为尽可能消除或减小高填路堤的沉降和沉降差，经水泥粉煤灰碎石CGF（Cement Fly-ash Gravel）桩、预应力混凝土管桩、碎石桩等多种复合地基方案进行比选论证，预应力管桩具有一定的抗弯、抗压性能，且具有单桩承载力高、施工速度快、工效高、工期短、污染小、检验方便、地区适应性强、成桩质量可靠等优点，用于复合地基处理高速公路软基路段时，管桩与桩间土能共同分担上部荷载，能有效提高路基的承载力、减少总沉降量、降低工后沉降等[1]。最终确定采用预应力混凝土管桩处理基底。

预应力管桩以打穿湿软黄土层为基本原则，桩底嵌入泥岩深度不小于1 m。对于管桩长度，采用打入桩贯入度的方式来具体控制每根桩的终孔桩长，确保每根桩均充分发挥作用。根据地勘资料和填土高度，建立最不利断面处路基沉降计算模型，如图1所示，荷载效应采用最不利组合及其相应抗力。由于刚性桩顶部路基填土会形成一定的土拱效应，随着桩间距增大，桩间土发挥分担作用也更大;由于路基两侧均设置填平区，其压实度与路基压实度相同，因此路基无横向滑移条件，且桩在打入或压入过程中，对地基具有较好的挤密作用，桩顶设置承台与砂砾垫层后，桩体与周围土体形成了较好的复合作用。因此，本次设计只对复合地基承载力进行了验算，不再进行单桩承载力验算。计算公式为[2]：

f=mR/A+β（1-m）f （1）

式中：f表示处理后桩间土承载力特征值，根据软基规范，取天然地基承载力特征值;m表示桩土面积置换率;R表示单桩承载力特征值，由于单桩承载力[R]值计算中已考虑了分项系数，因此R=R;Ap表示单桩截面积，此处取管桩外径换算的截面积;β表示桩间土承载力折减系数，取0.1～0.4，本项目湿软黄土状土取0.2。

桩间土可与桩形成复合地基，参照《公路路基设计规范》（JTG D30—2015），桩间土的压缩性可忽略不计，最终沉降量计算公式为[3]：

式中：m表示桩端平面以下压缩层内土层分层的数目;n表示桩端平面下第j层土的计算分层数;E表示桩端平面下第j层土第i个分层在自重应力至自重应力加附加应力作用段的压缩模量，MPa;Δh表示桩端平面下第j层第i分层的厚度，m;δ表示桩端平面下第j层第i分层的竖向附加应力，kPa，可按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）附录R计算;ψ表示桩基沉降计算经验系数，应根据当地的工程实测资料统计对比确定。

由于桩端均嵌入砂质泥岩，桩端以下土层压缩量不再进行计算，因此本段软土地基采用管桩处治后地基沉降量可忽略不计。

桩间距根据计算确定。地基土层自上而下依次为路基填土、黄土状土、湿软黄土状土和砂质泥岩。对于持力层为泥岩的桩承式路堤，管桩间距应适当加大，对管桩地基的承载力并不会产生较大影响，依然能保持较好的承载特性[4]。根据计算结果，结合经济效益对比，预应力混凝土管桩采用外径40 cm、壁厚95 cm、桩间距2 m的梅花形布置，桩顶设置1.2 m×1.2 m×0.35 m的桩帽，桩帽采用C30混凝土现浇。路基沉降计算模型如图1所示。

4.2.2 高路堤稳定性分析。由于地质结构复杂，基底土层含水率随季节变化较大，路基发生滑移后，管桩的倾斜角度、破坏程度等难以度量，基底管桩所能提供的抗剪强度的发挥程度无法测量[5]。因此，在高路堤稳定性模拟计算时，预应力管桩的抗剪强度值按照0 kPa考虑，即不考虑路基滑移破坏后管桩对地基的加固作用。路基滑移计算模型如图2所示。

根据地质条件及计算结果，路基正常填筑后，在天然工况下处于稳定状态，非正常工况Ⅰ下处于欠稳定状态，在地基土含水量变化较大的雨季，容易造成路基失稳。该处地质条件較差，采用支挡防护措施，防护构造物稳定性差，且费用较高。经综合比较，为确保路基安全稳定，充分利用路基挖方在路侧设置填平区，将堰塞湖采用路基挖余方填平，同时，为避免填平区压实度不足，造成路基边坡失稳或产生裂缝，明确要求路基两侧填平区压实度同路基压实度，整平区填筑完成后，路基永久征地以外的区域复耕。此设计方案既减少了线外弃土，又增大了耕地面积，而且对路基起到反压作用，极大地提高了路基的安全性，取得了良好的效果。

5 结语

高等级公路对路基沉降、边坡稳定等要求较高，软基对路基而言极为不利，尤其是厚层软基，路线布设时一般都采取绕避措施，避免过高的处置费用。为保护环境，控制挖方边坡高度，减少弃方，在综合对比分析的基础上采用复合地基结合弃方反压路基边坡的处置措施，既消化了弃方，又有效解决了工程难题，而且处置费用相对较少，取得了良好的社会效益和经济效益。由于国内对预应力管桩抗剪强度研究较少，管桩加固对地基土的抗剪作用不能得到较好的计算分析，希望该项技术能在今后的工程实例和理论分析中得到进一步研究和论证。

参考文献：

[1]王曦.预应力管桩复合地基设计与施工技术分析[J].中外建筑，2014（8）：157-159.

[2]公路地基处理[M].南京：东南大学出版社，2009：23.

[3]交通运输部.公路路基设计规范：JTG D30—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4]单君，胡永富，陈胜超.傍山软基路段预应力管桩处理路基滑移分析[J].交通世界，2020（26）：49-50.

[5]朱益军.傍山软土高路堤地基处理关键技术及对策[J].工程勘察，2011（2）：29-33.