王小華 姚勁松 黃帥 任畢云 丁高俊 楊云杰

摘要：三峽庫(kù)區(qū)消落帶重慶萬(wàn)州密溪溝至長(zhǎng)江四橋綜合整治工程穿越回淤?lài)?yán)重軟土區(qū)，擬選取振沖碎石樁法對(duì)天然軟基進(jìn)行處理，但在淤泥質(zhì)土上填筑施工平臺(tái)成為工程控制性條件。對(duì)淤積層力學(xué)特性、平臺(tái)填筑高度以及地基處理區(qū)域特征進(jìn)行分析，提出平臺(tái)填筑優(yōu)化方案，優(yōu)先對(duì)滿(mǎn)足極限填筑高度區(qū)域進(jìn)行地基處理，其他區(qū)域采取插塑料排水板+拋（鋪）碎石墊層預(yù)固結(jié)，平臺(tái)前緣拋填塊石壓腳。選取兩個(gè)典型地質(zhì)斷面，對(duì)平臺(tái)抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果證明了優(yōu)化方案的可行性。

關(guān)鍵詞：消落帶;振沖碎石樁法;軟弱地基;施工平臺(tái)填筑;抗滑穩(wěn)定;三峽庫(kù)區(qū)

中圖法分類(lèi)號(hào)：TU43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/i.cnki.slsdkb.2020.04.007

1研究背景

三峽庫(kù)區(qū)消落帶重慶萬(wàn)州密溪溝至長(zhǎng)江四橋綜合整治工程由滑坡治理、庫(kù)岸整治和濱江路填筑等三大部分組成，工程的實(shí)施可顯著改善沿線(xiàn)交通和人居環(huán)境。

工程區(qū)原始地形在庫(kù)區(qū)蓄水后形成了局部回淤灣，十多年來(lái)形成的淤積層最大厚度超過(guò)10m，擬通過(guò)地基處理提高其承載力，以滿(mǎn)足路堤填方設(shè)計(jì)要求。

軟基處理有多種工程措施。結(jié)合長(zhǎng)期實(shí)踐，諸多學(xué)者及工程人員開(kāi)展了針對(duì)性研究。馮偉從加固原理、加固深度、加固效果及經(jīng)濟(jì)效益等方面對(duì)山區(qū)高速公路軟土地基處理工程措施進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析論述。碎石樁用于軟基加固可以較好地改善地基的排水狀態(tài)、加速地基固結(jié)以及降低工后沉降，還可提高地基的抗震性，在復(fù)合地基變形協(xié)調(diào)方面也具有一定優(yōu)勢(shì)。水泥攪拌樁在軟土地基處理也較為常見(jiàn)，其施工周期較短，無(wú)擠土效應(yīng)，但對(duì)于加速地基固結(jié)影響較小。粉煤灰樁、預(yù)應(yīng)力管樁、塑料排水板等措施也是軟土地基處理的常用技術(shù)手段。在軟基上開(kāi)展工程填筑工程時(shí)，土工合成材料的合理使用有助于地基應(yīng)力變形的整體協(xié)調(diào)，作為輔助手段，也可增強(qiáng)填筑體一天然地基的整體協(xié)同作用;對(duì)于具有季節(jié)性浸水特性軟土的地基處理，還需注意對(duì)地基一填方整體排水性的改善，保障其長(zhǎng)期穩(wěn)定。

對(duì)于該工程，除通過(guò)工程措施提高地基承載力外，還須考慮填方體受庫(kù)區(qū)水位周期性調(diào)蓄的影響，改善填筑體一復(fù)合地基滲流條件，并盡可能在施工期加速地基的固結(jié)?；诖诵枨?，提出了采用振沖碎石樁處理軟基的方案。在新近淤積軟土上填筑并形成穩(wěn)定的施工平臺(tái)成為工程實(shí)施重要的前置性控制條件，且須對(duì)平臺(tái)填筑穩(wěn)定性進(jìn)行分析并提出建議。

2工程背景及地質(zhì)概況

工程區(qū)地形及振沖碎石樁處理范圍見(jiàn)圖1。圖中圈出了振沖碎石樁地基處理范圍，并對(duì)145m/175m等特征水位對(duì)應(yīng)高程以及初步設(shè)定的152m填筑平臺(tái)頂高程做了加粗標(biāo)注，由圖可以看出：

（1）左側(cè)振沖處理區(qū)地勢(shì)較低，施工平臺(tái)形成以填方為主;右側(cè)地形相對(duì)較高，主要通過(guò)半填半挖的方式形成施工平臺(tái)。

（2）蓄水后，圖中左側(cè)消落區(qū)形成了較為明顯的局部回淤灣，軟土層較為深厚，不利于填方作業(yè)和形成振沖碎石樁施工平臺(tái)。

對(duì)工程區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)地質(zhì)勘察，該區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)大致分為三大類(lèi)：堆積層、沖積層和基巖。

（1）堆積層（Q4^del）及崩坡積層（Q4^dl+col）。以粉質(zhì)黏土夾角礫、碎石、塊石等為主，粗粒含量25%～35%，其母巖以砂巖為主，多呈強(qiáng)風(fēng)化狀。該層基本由斜坡演化過(guò)程中的崩滑堆積物構(gòu)成。

（2）沖積層（Q4^al）。斜坡中下部分布于長(zhǎng)江河漫灘、河床內(nèi)，由粉砂、粉細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土以及蓄水后新近沖淤積淤泥質(zhì)土組成，可細(xì)分為4層：①淤泥質(zhì)土（a-1）：呈褐灰一淺灰色，流塑一軟塑狀，三峽水庫(kù)蓄水后新近沖淤積而成，回淤灣內(nèi)厚度最大近10m，工程特性差，a-1層淤泥質(zhì)土對(duì)于確保工程的安全至關(guān)重要。②粉質(zhì)黏土（a-2）：呈褐灰一黃褐一棕色，軟塑一可塑狀，局部硬塑狀，厚度1.0-25.6m，多分布于上部，有時(shí)含砂、泥巖碎石。③粉土（a-3）：呈淺黃一褐黃一淺灰色，稍濕一濕、稍密，含少量鈣質(zhì)結(jié)石、砂巖碎石，厚度0.5～21.0m。④粉砂、粉細(xì)砂（a-4）：多呈淺灰一黃褐色，稍密狀，局部中密狀，厚度0.6-37.6m，底部多含有砂巖塊石或水蝕蜂窩狀砂巖碎石。

（3）基巖。侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組第三段J2s³紫紅色一暗紫色泥巖夾砂巖，全層厚度大于200m，巖層產(chǎn)狀169°∠6°，與坡面方向呈反傾，且層面坡度較緩，可基本排除沿巖層發(fā)生深層滑坡。

圖2為圖1中1-1和2-2斷面的工程地質(zhì)剖面圖。圖中還包含了高程152m施工平臺(tái)以及振沖碎石樁地基處理的設(shè)計(jì)布置。

參照詳勘階段地勘報(bào)告，表1為主要巖土體地層物理力學(xué)參數(shù)建議值。測(cè)試試樣基本常年處于水下，飽和度高。由于平臺(tái)填筑屬于短期加載，主要土層均采用快剪試驗(yàn)測(cè)試其抗剪強(qiáng)度指標(biāo);表層a-1淤泥質(zhì)土對(duì)于施工平臺(tái)的順利成形起關(guān)鍵作用。對(duì)此，還補(bǔ)充開(kāi)展了十字板剪切試驗(yàn)，在1m左右深度范圍不排水抗剪強(qiáng)度為11.2kPa，重塑強(qiáng)度5.8kPa，靈敏度為1.93。

3平臺(tái)填筑方案及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

平臺(tái)填筑初步方案為：①按照從岸側(cè)向庫(kù)區(qū)的方向，逐級(jí)推進(jìn)填方，填方體前緣自然放坡形成;②逐級(jí)推進(jìn)填方的同時(shí)，逐級(jí)進(jìn)行振沖碎石樁加固處理，提高平臺(tái)的穩(wěn)定性;③庫(kù)區(qū)水位提升至來(lái)年回落到平臺(tái)高程以下后，按照以上流程繼續(xù)進(jìn)行平臺(tái)填筑和地基加固。

該初步方案對(duì)消落區(qū)新近沉積淤泥質(zhì)土的不利影響及周期性蓄水淹沒(méi)平臺(tái)等考慮略顯不足。需評(píng)估平臺(tái)填筑的穩(wěn)定性并盡可能充分利用平臺(tái)泡水期加速地基的固結(jié)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理優(yōu)化。

據(jù)地形地質(zhì)資料，將平臺(tái)設(shè)計(jì)斷面與現(xiàn)狀水下地形比對(duì)，回淤灣內(nèi)平臺(tái)普遍填筑高度8-10m。采用快速填筑路堤所允許的最大填高對(duì)天然地基條件下的極限填筑高度Hmax進(jìn)行估算。在極限填筑高Hmax條件下，地基處于臨界狀態(tài);一旦填筑高度超過(guò)Hmax，天然地基將發(fā)生失穩(wěn)，必須對(duì)地基進(jìn)行加固，使其能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的填筑高度。可采用費(fèi)倫紐斯公式（式1）對(duì)Hmax進(jìn)行估算。

式中，y為填土容重，水下時(shí)按照浮容重計(jì)算，kN/m³;τ為天然地基的抗剪強(qiáng)度，kPa;一般采用十字板剪切指標(biāo)，或無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的一半，亦或三軸快剪指標(biāo)。

據(jù)式（1），τ取11.2kPa，開(kāi)挖料回填密度y取18.0kN/m³，計(jì)算得到Hmax=3.43m，考慮填土部分區(qū)域浸沒(méi)于水中，按照浮重度進(jìn)行適當(dāng)修正，Hmax也只能達(dá)到4m左右，與最大填筑高度（近12m）相差較大，能夠滿(mǎn)足天然地基填筑的區(qū)域僅限于岸側(cè)很小的范圍，對(duì)此需要對(duì)天然地基進(jìn)行預(yù)處理后，方可滿(mǎn)足平臺(tái)的順利填筑。

綜合考慮極限填筑高度和庫(kù)水位的周期性調(diào)節(jié)，平臺(tái)填筑方案優(yōu)化思路分析如下：

（1）平臺(tái)施工階段，考慮庫(kù)區(qū)水位調(diào)度因素，每年有效施工期不足5個(gè)月，按工程進(jìn)度要求，平臺(tái)施工及振沖碎石樁地基處理為3a。①平臺(tái)在具有永久強(qiáng)度前，需跨越2個(gè)完整水文年，開(kāi)挖料填筑形成的土方平臺(tái)自身結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，在高含水率條件下工程碾壓不易促進(jìn)水的排出，極易形成橡皮土，進(jìn)而不利于平臺(tái)土體自身強(qiáng)度增長(zhǎng)，水位周期性調(diào)蓄對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定構(gòu)成一定風(fēng)險(xiǎn);②平臺(tái)每年有約8個(gè)月浸沒(méi)于水中，可對(duì)天然地基進(jìn)行預(yù)處理，充分利用浸于水下的時(shí)間。

（2）按照式（1）進(jìn)行反推，考慮底部泡水，能夠滿(mǎn)足10m最大填高，對(duì)應(yīng)的地基抗剪強(qiáng)度須達(dá)到約30kPa，為適當(dāng)降低地基預(yù)處理的難度，可由岸側(cè)向外設(shè)計(jì)緩傾坡度或若干高程臺(tái)階填筑，適當(dāng)降低地勢(shì)較低區(qū)域的填筑高度。

（3）應(yīng)從工程經(jīng)濟(jì)角度考慮地基預(yù)處理，且不給后期振沖碎石樁地基處理施工造成困難。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，制定平臺(tái)填筑施工方案如下：

（1）調(diào)整施工順序，優(yōu)先對(duì)半填半挖區(qū)域（圖1右側(cè)）及岸側(cè)填筑高度較?。ㄒ蕴罡?m控制）區(qū)域進(jìn)行平臺(tái)土方施工作業(yè);其余區(qū)域至平臺(tái)前緣設(shè)計(jì)放坡線(xiàn)以外20m范圍，采用插塑料排水板穿透a-1淤泥質(zhì)土層并達(dá)到振沖樁處理底部，在其上鋪（拋）設(shè)1-2m碎石墊層，滿(mǎn)足預(yù)固結(jié)附加荷載不小于20kPa，遠(yuǎn)離岸線(xiàn)區(qū)域浸水時(shí)間較長(zhǎng)，按浮重度計(jì)算墊層厚度應(yīng)按2m考慮，靠岸側(cè)可適當(dāng)減薄。考慮到后期振沖碎石樁施工以及工程經(jīng)濟(jì)性，振沖樁處理區(qū)域碎石墊層最大粒徑不超過(guò)30cm，保證墊層碎石料的最大化利用;同時(shí)，碎石墊層與振沖樁共同構(gòu)成透水網(wǎng)絡(luò)，有利于加速地基固結(jié)和強(qiáng)度增長(zhǎng)。

（2）預(yù)固結(jié)至下一個(gè)低水位周期，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)十字板試驗(yàn)等對(duì)預(yù)固結(jié)效果進(jìn)行測(cè)試，滿(mǎn)足相應(yīng)填筑高度后，進(jìn)行平臺(tái)填筑及振沖碎石樁地基處理作業(yè)。

（3）平臺(tái)頂部外緣至放坡坡腳線(xiàn)采用塊石拋填，并碾壓形成一道碎石壩，對(duì)下伏淤泥土層起到加固和邊界限定作用，也可在后續(xù)高水位期間對(duì)平臺(tái)內(nèi)部區(qū)域起到有效保護(hù)作用。完工后，其作為整個(gè)填方體的前緣坡腳，對(duì)于保證邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定和坡腳局部穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用。初期頂部高度可適當(dāng)降低至148m。

4方案優(yōu)化后平臺(tái)穩(wěn)定性計(jì)算分析

按照以上方案優(yōu)化后，對(duì)圖2所示兩個(gè)斷面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性計(jì)算分析。按照如下偏于保守的條件進(jìn)行計(jì)算：

（1）僅考慮對(duì)于a-1層淤泥質(zhì)土的加固效果，且按照不排水強(qiáng)度25kPa進(jìn)行計(jì)算;

（2）不考慮拋（鋪）填碎石墊層材料相對(duì)較高的物理力學(xué)參數(shù)，平臺(tái)按開(kāi)挖回填料參數(shù)計(jì)算;

（3）平臺(tái)整體仍按高程152m計(jì)，將優(yōu)化設(shè)計(jì)的緩傾斜坡或臺(tái)階布置作為安全儲(chǔ)備考慮，前緣拋塊石碾壓堤強(qiáng)度參數(shù)按內(nèi)摩擦角ψ=30°取值;

（4）平臺(tái)最薄弱階段為填土后、碎石樁施工前，在此階段按照0.05g（6度地震）水平加速度考慮振沖碎石樁的作業(yè)擾動(dòng)。

計(jì)算分析基于Geostudio的SLOPE/W軟件，考慮地下水的滲流環(huán)境，按照式（2）進(jìn)行計(jì)算抗滑穩(wěn)定系數(shù)。

式中，Ccu.ψcu為不排水強(qiáng)度指標(biāo);li為條塊寬度;wi為條塊的重量;ui為滑面處土條的靜孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力;θi為條塊的重力線(xiàn)與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角;F為安全系數(shù)。

計(jì)算工況包括：①低水位工況：按照145m水位進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。②水位驟降工況：考慮到平臺(tái)高程為152m，且?guī)焖幌陆邓俣容^快，驟降工況按照156m驟降至150m進(jìn)行考慮。③高水位工況：按照175m水位進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，此工況無(wú)施工擾動(dòng)。

計(jì)算成果見(jiàn)圖3-4。表2對(duì)抗滑穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，可以看出：

（1）通過(guò)預(yù)固結(jié)處理使平臺(tái)下伏a-1層淤泥質(zhì)土物理力學(xué)參數(shù)提高后，平臺(tái)在主要控制性工況下抗滑穩(wěn)定性良好;平臺(tái)前緣形成的拋石碾壓堤對(duì)于提高相對(duì)薄弱的平臺(tái)前緣抗滑穩(wěn)定性具有較明顯的作用。

（2）低水位工況是平臺(tái)抗滑穩(wěn)定性的控制性工況，此時(shí)平臺(tái)邊坡抗滑穩(wěn)定性最低，這是地基上部有效附加荷載最大所致。

（3）水位驟降工況對(duì)該工程的意義較大，振沖碎石樁施工主要集中在汛期庫(kù)水位較低階段，為適應(yīng)汛期調(diào)節(jié)，庫(kù)水位每年都有頻繁且快速的漲落，由于平臺(tái)前緣采用了拋石碾壓堤護(hù)腳，且在主要變幅區(qū)間無(wú)陡傾坡面，平臺(tái)及上下區(qū)域抗滑穩(wěn)定性良好，為后續(xù)振沖碎石樁的快速施工提供了重要保障。

（4）高水位工況下，天然地基所受有效附加荷載相對(duì)較小，且無(wú)施工擾動(dòng)，抗滑穩(wěn)定性最高，對(duì)于保證振沖樁施工期至后續(xù)上部路堤填筑前這一階段平臺(tái)的整體穩(wěn)定性是有利的。

5結(jié)論

對(duì)于該綜合治理工程，為給振沖碎石樁地基處理創(chuàng)造條件，須在新近淤積淤泥質(zhì)土上填筑形成最大高度約10m的施工平臺(tái)。基于對(duì)淤積層力學(xué)特性、平臺(tái)填筑高度以及軟基處理區(qū)域特征的分析，綜合考慮施131期因素，在滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)施工要求的基礎(chǔ)上，提出了平臺(tái)填筑優(yōu)化方案，并采用優(yōu)化方案對(duì)平臺(tái)抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析。經(jīng)以上研究，得到如下結(jié)論。

（1）優(yōu)先對(duì)滿(mǎn)足極限填筑高度的區(qū)域開(kāi)展地基處理，充分考慮每年約8個(gè)月無(wú)法開(kāi)展地基處理施工的因素，對(duì)不滿(mǎn)足填筑要求的區(qū)域采取插塑料排水板+拋（鋪）1-2m碎石墊層的方式對(duì)淤泥質(zhì)土進(jìn)行預(yù)固結(jié)，確保附加荷載不小于20kPa，有助于施工平臺(tái)的穩(wěn)定。

（2）在平臺(tái)前緣通過(guò)拋填塊石形成一道碾壓壩，可降低跨年度浸水及施工期庫(kù)水位調(diào)節(jié)等對(duì)平臺(tái)的不利影響;同時(shí)考慮到平臺(tái)前緣在未來(lái)工程運(yùn)營(yíng)后仍為高邊坡的坡腳，碾壓壩對(duì)于提高邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性也具有重要作用。

（3）選取2個(gè)典型工程地質(zhì)斷面，充分考慮庫(kù)區(qū)水位特征及施工擾動(dòng)因素，選取偏于保守的計(jì)算工況對(duì)施工平臺(tái)抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)計(jì)算分析，證明了優(yōu)化方案的有效性。

在具體工程實(shí)施過(guò)程中，還應(yīng)充分融入動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念。在對(duì)地勢(shì)較低區(qū)域進(jìn)行平臺(tái)填筑前，運(yùn)用十字板剪切等技術(shù)手段，對(duì)預(yù)固結(jié)處理后的地基強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。在滿(mǎn)足施工要求的情況下，通過(guò)設(shè)計(jì)緩傾斜坡或設(shè)置若干臺(tái)階的方法，適當(dāng)降低平臺(tái)填筑高度，最大限度保障施工平臺(tái)在地基處理完成前相對(duì)薄弱階段的穩(wěn)定。