水库区高路堤砂土地基处理设计工程实例与分析

摘 要：本文以一山区河流水库区高路堤砂土地基处理为实例，在对砂性土补强及消除液化措施综合对比分析的基础上，确定了砂土地基的最终合理经济处理设计方案；同时对工后砂土地基承载力作了验算及沉降计算。

关键词：砂土地基；处理设计；高路堤；水库

中图分类号：U41 文献标识码：A1.概述

众所周知，砂土地基处理的优劣，关系到整个工程的质量。合理的砂土地基处理及适宜经济的路堤结构设计型式，可以减轻或消除砂土地基对路堤的不利影响。河流漫滩沉积的砂土常表现出以下不利的工程特性：高孔隙比、高压缩性、高渗透性、弱抗震性能（地震液化及震陷现象）及低抗剪强度等不利工程地质特性。再则水库区路基地质环境的复杂性、多变性、不确定性，导致营运路堤呈现不同类型及不同程度的地质病害，甚至经反复处治其效果仍然不佳，因此砂土地基处理设计的合理性就显得尤为重要了。

2.工程概况

高路堤砂土地基位于涪江上游在建某水利水电枢纽工程水库区回水尾段，按山重二级公路线形设计，沥青混凝土路面，路面宽8.5m，填高为11.0m～13.0m，路面设计标高667.33m，迎水面堤脚下地面标高655.50m，设计荷载为公路-Ⅱ级；天然河床水位653.00m；其水库主要特征水位：正常蓄水位658.00m，设计校核洪水位659.43m，死水位624.00m。

3.工程地质概况

①地形地貌

场地位于山区阶梯状斜坡与涪江河漫滩的交接部位之河流冲刷凹岸，以堆积型河流漫滩地貌单元为主，地形总体较为开阔平坦。

②地层岩性

地层主要由第四系冲积层（Q4al）及志留系韩家店组（Sh）地层组成：

砂土，青灰色、稍湿～饱和、结构松散，中上部粘粒含量略重，层厚为6.0m～6.5m。

卵石土，青灰色、饱水、结构稍密～中密，层厚为3.8m～6.8m。

志留系韩家店组地层，岩性以千枚岩为主，遇水易崩解软化（崩解速度快），抗风化能力较弱。

③地质构造

场地地质构造较简单，属相对稳定区；其地震基本烈度取决于强震对工区的影响；地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度值为0.20g，地震动反应谱特征周期为0.40s。

④水文地质条件

场地地下水以孔隙水为主，赋存于第四系砂土及卵石土孔隙中，主要接受上游江水补给，排泄于涪江或其下游；据水质分析报告表明，其水质类型为HCO3－Ｃa型水，ＰＨ=8.6，对混凝土和钢筋混凝土具微腐蚀性。

⑤场地地基土及路堤填料主要物理力学指标

砂土层：标贯击数标准值为3击，孔隙比1.15，粘粒含量12.16%，不均匀系数32.17，天然C值5.6KPa，天然φ值10.3°，压缩模量3.3MPa，承载力基本容许值[fa0]=60KPa。

卵石土层：超重型动力触探击数标准值为6击，饱和容重23.3KN/m3，变形模量23MPa，承载力基本容许值[fa0]=350KPa

路堤填筑料（千枚岩道渣填料）：为高分散性的土料，压实后遇水极易崩解；天然固结不排水剪C值20KPa，φ值25°；天然容重19.8KN/m3；干容重19.2KN/m3，最优含水率13.5%，压缩模量12MPa。

4.砂土地基处理方案的选择与设计

4.1砂土地基处理方案选择

高路堤对地基的承载力及沉降量的控制要求较高，而天然砂土地基是不能满足其上述两方面的要求，因此务必对其采取工程措施进行处理，就目前的地基处理技术而言，对可应用于砂土地基处理的七种预案结合建筑物的荷载性质、基底反力特性、岩土工程条件、施工工期、施工机械设备及使用材料等进行综合分析，宜优选高压喷射注浆法及强夯法对地基进行处理。在基于高路堤砂土地基处理要求达到的预期目的：“消除或减小地基土沉降（差异沉降）并确保工后地基土沉降量在其允许的范围内；消除砂土的地震液化现象（液化沉陷），整体提高砂土地基承载力的同时，普遍提高地基土的抗剪强度指标值以确保高路堤及其地基的稳定性”。再结合经济对比分析（经收资调查与技术经济分析），最终选择强夯法加固处理砂土地基，因它具有施工简单、加固效果好、快速（能适应施工工期的要求）和经济等优点。

4.2砂土地基处理设计

本工程在类比参照区内砂土应用强夯法加固地基的有关试验资料的基础上，结合水库区高路堤运行的特殊地质环境（水库特征水位、特殊水文地质条件等）及计算结果提出如下设计与施工技术要点：

1、强夯设计参数的选定

应根据现场的工程地质条件和工程运行环境的要求,正确地选定各个强夯参数，才能达到有效而经济的目的。强夯参数包括：单击夯击能、最佳夯击能、夯击遍数、遍间间歇时间、加固范围和夯点布置。

（1）单击夯击能

据堤基覆盖层的厚度并结合加固影响深度，按梅纳经验公式估算出采用1000KN.m能级加固影响深度可达7.0m（α=0.7），能满足本工程加固的要求，因此确定采用1000kN.m的能级。大量的事实及研究文献资料指出从冲击能、锤重和落距三者关系分析，普遍认为增大锤重的效果优于增大落距，基于上述理论出发，设计中结合施工单位所能提供的机械设备及施工周边环境，设计因此

选用锤重100KN，落距10m，锤径1.8m的设备。

（2）最佳夯击能

恰当地选择夯击击数，是取得强夯效果的一个重要方面，击数少则达不到夯实效果，击数过多，超过夯击能的饱和状态，夯实效果增加不明显，也很不经济；大量的实践证明，砂土最佳夯击能一般以5000kN.m为宜；因此主夯击点的基本夯击击数为5击，同时还要求最后两击的平均夯沉量不大于5cm；夯坑周围地面不应发生过大的隆起，不因夯坑过深而发生提锤困难。

（3）夯击遍数

根据堤基砂土覆盖层厚度、岩土性质及建筑物的部位确定采用夯击遍数：第一、二序列强夯夯击点均采用2遍重锤跳夯；第三、四序列强夯夯击点夯击2遍；当每一序列每一遍夯毕平场后，再次复夯；最后进入2遍低能级满夯，落距3.0m-5.0m，夯击数一般不小于3击，锤印搭接，以确保夯击土表层密实度在空间上的均匀性。

（4）间歇时间

强夯的地基土为砂土，其上下又为卵石土，均为强透水层，强夯时只会产生瞬时超静孔隙水压力，故在强夯施工中遍间可不考虑间歇。

（5）加固范围

为避免在夯后的土中出现不均匀的"边界" 现象，从而引起建筑物的差异沉降及地基土抗剪强度指标空间上不均匀性；因此，其处理范围应大于建筑物基础外缘的宽度，宜为基底下设计处理深度的1/2至2/3，并不宜小于3.0m。结合地基及高路堤稳定性计算（最危险工况）确定临河方最小加宽值为6.0m。

（6）夯点布置

夯点按正方形布置，正方形布置给夯机留出通道，施工方便。结合堤基覆盖层土的性质及加固影响深度，确定夯距为5.0m，夯点布置详见图1。

图1强夯夯点布置平面图

（7）强夯试验

强夯施工前应进行强夯试验，据拟定的强夯参数，提出强夯试验方案，进行现场试夯。因为砂土地基，试夯结束一周后就可对试夯场地进行检测，一般采用钻探取样进行室内土工试验（若采样的确困难，可采用静力触探试验）、重型动力触探、标准贯入试验等，将检测数据与夯前测试数据进行对比分析，并为正式强夯施工提供可靠的强夯参数修正设计之依据及施工工艺作保障。

2、强夯施工技术要点

（1）首先将强夯处理范围边界线、护脚墙的墙踵及墙趾线用测量仪器测放出，同时在范围边界线以外埋设控制基桩，将其范围线以内的砂土开挖至标高653.50m，并对护脚墙之墙踵及墙趾线各外延0.5m，且将其范围的砂土开挖至652.50m；再用级配卵石土，采用反挖机分三层摊铺；待整平至标高655.00m后进行强夯试验，以确定合理的强夯施工参数和工艺。

（2）夯击序次按第一、二、三、四序列顺序进行夯击，同时用测量仪器按上述夯击序列依次测放出夯点位置，并作好标识，并测量场地高程。

（3）强夯施工顺序须从路线左侧依次推进，止于路线右侧，有利于强夯产生的瞬间超静孔隙水压力的释放，消散时间只有短短数分钟，可不考虑遍间间歇，故可连续作业。

3、质量控制

（1）检查施工过程中的各项测试数据和施工记录，不符合设计要求时应补夯或采取其它有效措施。

（2）场地检测的数量，应根据场地复杂程度和建筑物的重要性确定，对于简单场地上的一般建筑物，每个场地地基的载荷试验检测点不应少于3点。

4、地基处理效果分析与评价

对试夯区进行了原位测试及采样室内试验（大型直接剪切试验），将测试的地质参数作为评价及设计的主要依据。

砂土层：标贯击数实测标准值为13击（稍密），饱和容重19.0KN/m3，孔隙比0.55，饱和C值11KPa，饱和φ值21°，压缩模量6.5 MPa，[fa0]=130KPa。

卵石土垫层：超重型动力触探击数标准值为8击（中密）；相对密度Dr=0.75，饱和C值0KPa，饱和φ值33.5°；饱和容重23.3KN/m3；天然容重22.5KN/m3；压缩模量20MPa；干容重21.5KN/m3；最优含水率5.5%；[fa0]=350KPa。

（1）砂土地基承载力验算

在工后进行砂土地基承载力验算时，作了如下计算简化。先将车辆荷载换算成土柱高（当量高度0.79m）；以654.50m高程面为计算控制基面，垫层上表面受其上覆路堤填土自重压应力的作用，其作用力通过一定厚度的卵石土垫层扩散后传给砂土地基，在进行自重压应力计算的同时，按《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007中的规范性公式，对砂土的承载力作验算时，选定竣工为其验算工况的同时，以路中土体结构层次及层厚作为计算的控制依据。其计算过程及结果如下。

等效于基础底面的压应力（路堤填土土体自重应力）：

等效于基础底面处的自重压应力：

Pgk′=γh=22.5kPa

垫层底面处的附加压应力（按条基计算）：

P0k=b（P0k′-Pgk′）/（b+2ztanθ）=83.09kPa

垫层底面处土的自重压应力：

垫层底面处经深度修正后的地基承载力容许值：

经计算并满足下式要求，P0k+Pgk≤γR[fa]

即83.09+62.90=145.99＜1×188.3=188.3kPa

γi-参与计算的第i层填土的容重，地下水位以下的填土则采取浮容重（KN/m3）；hi-参与计算的第i层填土的层厚（m）；z-设计垫层厚度（m）。

（2）砂土地基沉降计算与评价

水库路堤所发生的沉降、位移和拉裂变形，是水库蓄水反渗于路堤在架空或疏松结构部位等首先产生湿陷及地基本身不均匀沉降叠加共同作用的结果。鉴于此，地基在使用期内不发生较大沉降和不均匀沉降的控制尤为重要，也是保证路堤安全、稳定的关键。基于水库路基运行的特殊环境，在对砂土地基实施强夯的同时，对路堤高程654.50～659.43m段回填透水性材料并采用冲击式压路机碾压，以确保路堤填料本身充分压实及产生微弱的沉降；事实上，对于砂土地基在施工期间即可完成其最终沉降量的80%以上，能确保路基工后沉降≤500mm（规定的允许值）。当正常蓄水至658.0m后，采用《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007中规范性公式进行了垫层压缩量计算，其中砂土地基沉降量采用《碾压式土石坝设计规范》DL/T 5395-2007中规范性公式按分层总和法计算，其计算过程及结果如下：

S=Scu+Ss；Scu=Pm.hZ/Ecu

分层总和法计算式：

式中：s-垫层地基沉降量（mm）；scu-垫层本身的压缩量（mm）；ss-下卧砂土层沉降量（mm）；Pm-垫层内的平均压应力（MPa）；hz-垫层厚度（mm）；

Ecu-垫层的压缩模量（MPa）；Pi-第i计算土层由路堤填土荷载产生的竖向压应力（MPa）；Ei-第i计算土层的压缩模量（MPa）；hi-第i计算层厚度（mm）；

路基任一点的附加应力由路基矩形分布荷重和三角形分布荷重所引起的坚向应力叠加而得，附加应力按下式计算：Pz=KT.q

Pz--路基任一点的附加应力；q--矩形或三角形分布荷重；KT--应力系数，按《碾压式土石坝设计规范》DL/T 5395-2007中的表G1和G2查取。

①砂砾垫层：由m=0，n=2/8.5=0.235，查表G1并经内插计算KT=0.965；由m=15/20=0.75，n=2/20=0.1，查表G2并经内插计算KT=0.032；

堤基土自重引起的竖向应力：13.3×2=26.6KPa

矩形或三角形分布荷重：

Scu=0.25017×2000/20=25.0mm

②砂土层：由m=0，n=4.65/8.5=0.547，查表G1并经内插计算KT=0.791；由m=0.75，n=4.65/20=0.233，查表G2并经内插计算KT=0.0746；

堤基土自重引起的竖向应力：

13.3×2+9×2.65=50.45kPa

Ss=0.25945×2650/6.5=105.8mm

③砂卵石层：由m=0，n=11.55/8.5=1.36，查表G1并经内插计算KT=0.437；由m=0.75，n=11.55/20=0.578，查表G2并经内插计算KT=0.169；

堤基土自重引起的竖向应力： 13.3×2+9×2.65+13.3×6.9=142.22kPa

SL=0.27088×6900/20=93.45mm

沉降计算控制深度按规范应算至路堤附加应力等于路基自重竖向应力20%处的深度，但因下伏层为千枚岩，就不必在作沉降计算了；总之，工后沉降总和： S=25.0+105.8+93.45=224.25mm＜500mm（规范规定的允许值）

（3）地基土地震液化评价

据强夯区测试的地质参数按《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010进行地基砂土地震液化评价，在地面下20m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：

液化判别标准贯入锤击数基准值N0取12，经计算表明地基土砂土在地震作用下不液化。

结束语

地基处理方法繁多，如何从中选择经济可行的地基处理方案就显得极为重要了，需结合建筑物的功能、地形、地貌部位及运行环境等综合确定；本案例采用强夯处理高路堤砂土地基，在减少沉降量及抵抗液化能力等方面达到了预想的效果，达到了以土治土之目的。不失为一种经济、简便、快速有效的地基改良方法。只要条件允许（施工条件及周边环境许可），是值得在地基处理中首选的一种方法。

高填方路堤地基勘察的深度与广度应引起重视，力求其准确性；以确保地基处理设计的合理与经济性，力求避免设计方案的重大修改，酿成施工延误和不必要的经济损失。

参考文献

[1]JTG D63-2007.公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[2]DL/T 5395-2007，碾压式土石坝设计规范[S].

[3]JGJ79-2002.建筑地基处理技术规范[S].