公路软土路基沉降规律及施工控制

唐 予

(广东冠粤路桥有限公司,广州 511400)

0 引言

公路建设呈现典型的条带式分布特征，这决定了公路构筑物常会穿越各类复杂的工程地质条件环境，其中不乏软土分布区域。而软土路基存在沉降量大、稳定性不足、变形不均匀以及承载能力差等缺陷，也是目前公路建设及路面基层处治相关领域亟待解决的重点性问题[1-2]。一定区划范围内分布的路基软土往往具有相通性，这是由土体应力发展历史和沉积环境相似引起，此类软土的各种物理力学性质也较为接近，因而针对某一区划范围内路基软土工程指标进行系统分析可有效指导公路工程的建设和施工控制。广东省龙川-怀集公路TJ20标段分布的路基土体属于中高压缩性软土，具有灵敏度高、承载力低等典型软土特征，无法直接作为公路建设工程的路基持力层使用。因此，须按照现行公路路基设计规范的要求，对工程范围内的路基软土进行针对性的加固处治，确保各项指标满足规范要求。

针对路基软土变形及沉降特征的研究，刘松玉[3]等利用废弃木质素用以加固改良公路路基粉土，并与石灰土改良结果相对比，分析掺配比例、木质素龄期等要素对其加固改良效果的影响规律；ZHANG TAO[4]等将木质素副产品用于稳定加固路基粉质土壤，在土体试验中和传统土壤稳定剂Quicklime加固效果相对照，以弹性模量及CBR指标进行量化描述；张昭[5]等针对非饱和土体提出水土体积比的概念，改进现有模型，并基于此分析了力-水耦合本构关系规律；高游[6]等着眼于初始孔隙比在各水力路径条件下对粉土水土特征曲线试验数据的影响展开研究，认为该条件下的水土特征曲线展现出典型的滞回规律；张继周[7]等在分析路基软土室内检测及试验数据的基础上，研究了软土多项物理及力学参数变化特征规律；张涛[8]等在对比大量软土沉降数据的基础上，总结提出了对应的沉降拟合公式，可实现软土沉降规律的预测；经绯[9]等通过水泥搅拌桩加固方案对路基软土、并对处治后的软土沉降规律进行分析，评价了水泥搅拌桩加固法的软土处治性能；Sun[10]等在微观力学层面展开分析，对比了颗粒规则化处理及不同微观接触方案对软土力学性能产生的影响。

综上所述，针对软土路基沉降规律、软土加固方案及加固效果评价的研究方面已有丰富成果，但在针对软土路基的不同加固方案适用性对比及相应的加固处治效果对比方面，仍不多见。

本文基于现有研究基础，结合广东省龙川-怀集公路TJ20标段沿线相关路基工程地质状况，采用水泥搅拌桩加固法及换填加固法两种方案对公路软土路基进行加固处理。针对加固后的软土路基进行沉降监测，通过荷载试验验证两种公路软土路基处治方案的加固效果，以得出其沉降变化情况及各方案对应的适用场景，为类似公路软土路基加固处治及施工方案的选择提供经验借鉴。

1 路基软土的工程特性

广东省龙川-怀集公路设计为双向四车道，设计时速为100km/h，主线整体式路基宽度26m，其中TJ20标段主线桩号为K163+300～K175+245.617，全长11.945km。线路途径广泛分布且发育完全的软土区域，涉及到须处理的软基段落长3.26km。经分析，该处软土类别属花岗岩区软土，此类软土常发育于谷地和冲沟等低洼区域，并且大多伴随着强烈的风化作用，最终在冲击作用下形成，主要表现为淤泥质砂土，风化壳厚度25～45m，残积土厚度5～15m。该路基软土主要呈现为软塑状，也有部分呈现为流塑状，平均厚度4m，最深处可达9m。

结合现场踏勘资料以及软土室内试验结果，得出该工程范围内的软土物理力学指标(表1)。

表1 路基软土物理力学指标

该工程范围内路基软土的土质包括黏性土、淤泥质黏性土以及砂质黏性土等三类。其中淤泥质黏性土的液限基本上小于土体天然含水率，而黏性土、砂质黏性土的液限值通常高于天然含水率，按照相关分类标准[11]，分别属于高液限黏性土和低液限黏性土。

工程范围内的上述三类软土，均具有含砂量高的特点，并夹杂有碎石层或砂砾层，透水性差、压缩性高且含水率高，如不加以处理直接应用于路基填土，存在沉降量大、稳定性不足、变形不均匀以及承载能力差等缺陷。

2 软土路基加固处治方案

2.1 水泥搅拌桩加固法

选择路基工程建设范围内软土厚度在3～7m的试验段，采用水泥搅拌桩加固法进行软土处治。此试验段内的路基软土类别为粉质黏性土，下卧花岗岩及砂质黏土层等不透水层。水泥搅拌桩加固方案可有效提升路基软土的承载能力，具有施工效率高的特点，其适用深度一般在3.0～9.5m范围内，与所选试验段软土深度相匹配。

试验段的水泥搅拌桩桩径为0.5m，桩长为6.5m，桩体间距为1.2m，水灰比为0.50，成桩采用“四喷四搅”方案。配合比设计水泥、水和土的质量比为1.0:0.5:4.4。

2.2 换填加固法

选择路基工程建设范围内平均软土厚度为2.5m的试验段，采用换填加固方案进行软土处治。此试验段内的路基软土类别为淤泥质黏性土，下卧强-中风化花岗岩及3～4m厚度的粉质黏土，整体承载能力偏低。之所以针对该试验段采取换填加固方案，首先考虑到换填法的施工难度较低、施工效率高、质量控制稳定、经济效益良好；其次，换填法加固方案的适用深度在3.0～4.5m范围内，与所选试验段软土深度相匹配；最后，该试验段路基软土分布范围小且分布深度较浅。

工程沿线分布有广泛的河砂、碎石、花岗岩残积土以及风化花岗岩等，均适用于作为基层的换填材料。为充分利用周边自然资源，降低换填成本，并考虑到施工便利性等因素，选取周边碎石、花岗岩残积土以及风化花岗岩三类材料作为换填材料，其物理力学指标检测结果见表2,均满足路基设计规范[12]中针对换填材料的相关要求。

表2 换填土物理力学指标

填筑过程中，低于基坑地下水位处的换填材料选用片石，表面平整部位则选用碎石换填材料，即：将片石用于基坑上部0.4～1.6m范围内的换填，在其上表面设置0.3m厚度的碎石换填平整层，在碎石层以上则换填花岗石残积土直至路面标高。换填过程中采用分层填筑的施工方案。

3 沉降变形及承载力分析

3.1 水泥搅拌桩加固方案

在采用水泥搅拌桩加固方案的试验段，采取沉降盘观测法对路基软土加固沉降进行监测，根据沉降实测数据得到荷载-沉降曲线，如图1所示。

从图1可见，对应的路基软土沉降分为发生、发展以及稳定三个阶段。在发生阶段，荷载相对较小，此时路基土体变形类别为弹性变形，直到45d左右，路基沉降量达到111mm，最终的总体沉降量为218mm。随后荷载提升，随着对应加载时间的推移，孔隙水逐步被排除后引发超静水压的消除，路基软土开始发生压缩变形，此时的路基土变形类别转化为塑性变形，其沉降速率减缓。随着285d后填筑结束，荷载最终稳定在177kPa，此时的沉降量达198mm，但固结仍未完成，此时的路基土变形类别可划分为蠕变，直到380d，这期间的沉降量仅增加20mm，最终完成固结过程。此外，路基软土的荷载和沉降曲线具有相关性，两者均随着分级填筑呈现出阶梯上升的趋势。

在采用水泥搅拌桩加固方案的试验段还选取了代表性的单桩进行承载能力监测，总荷载为300kPa，其荷载-沉降曲线如图2所示。

从图2可见，单桩随荷载逐级增加至总荷载300kPa期间的总体沉降量仅7.7mm，50%沉降量3.5mm对应的荷载为75kPa，即初期沉降量较为明显，这是因为路基软土的初始含水率相对较高引起的，表现为早期沉降速率较快。经分析，单桩承载力可满足规范要求。

图2 单桩(总荷载300kPa)荷载-沉降曲线

3.2 换填加固方案

综合考虑路基填土高度、软土路基处治方案以及周边工程地质条件，在采用换填加固方案的试验段选取4个监测面，其中中线左右两侧11m处各2个，纵向间隔50m，采用沉降板埋设的方法对换填法处治加固后的软土沉降变形量进行监测和分析。软土路基加固处治后的沉降监测数据见表3。

表3 换填加固法沉降变形监测数据

分析表3数据可见：沉降板A处的累计沉降量达22.06mm，与之同侧的沉降板C地面上1.6m标高处的累计沉降量为16.03mm，沉降板B地面上4.9m标高处的累计沉降量为12.43mm，沉降板D地面上4.8m标高处的累计沉降量为14.82mm，表明总体沉降的发生主要由软土路基部分构成，经过振动碾压的上部填土部分沉降量则相对较低。即沉降板上填土高度越大，将导致相应路堤荷载提升，进而引发总体沉降量增加。此外，近似相等的同等水平板上填土高度对应的累计沉降量同样存在差别，这是由两侧路基地质条件的差别引起的。

在采用换填加固方案的试验段选取3个试验点进行标准贯入试验，以验证其承载能力。3个试验点间隔25m，对应的标准贯入试验数据如图3～图5所示。

图3 试验点1标准贯入试验结果

图4 试验点2标准贯入试验结果

图5 试验点3标准贯入试验结果

由图3～图5可见，换填期间3个试验点的标准贯入平均击数分别为11.6击、14.4击以及13.7击，地基承载力分别为358kPa、357kPa以及342kPa。换填竣工后，3个试验点换填土层的标准贯入击数显著提升，分别达到19.6击、16.6击以及16.3击，其对应的地基承载力分别为544kPa、420kPa以及381kPa，相较于换填期间也有了明显的提升，提升率分别达到了52.0%、17.6%以及11.4%。换填期间和换填竣工后的地基承载力均超过设计值。

换填期间的标准贯入次数在深度2.5m以下时皆呈现出与深度正相关的趋势，深度在2.5m以上则与之相反，这是源于2.5m处设定为换填层，在其后深度继续增加，则地下水带来的影响也逐渐削弱。换填竣工后，换填土在荷载作用下更加密实，所能提供的承载力也随之增长。

4 结语

(1)水泥搅拌桩加固方案适用于3.0～7.0m厚度范围的软土分布路段，处治后沉降与软土压缩特性及含水率相关，前45d沉降量可达50%。

(2)换填加固方案适用于平均软土厚度为2.5m的软土分布路段，总体沉降量中以软土沉降量为主，换填土沉降量相对较小。

(3)两种加固方案均能确保处治后的软土路基具备足够的路基承载力。