草炭土路堤稳定性分析及工程处理措施研究

于炎鑫，佴 磊，刘建磊，丁黄平

(吉林大学 建设工程学院，长春 130026)

0 引言

草炭土是地表沼泽环境中的植物遗体，在氧气和微生物的作用下，早期产物转变成一种新的多水的富含腐殖酸的腐殖质，形成年代在1万年以内的特殊的腐殖质土，主要由有机质、矿物质和水组成。据国内外资料显示，草炭土具有如下工程特性:高孔隙比且饱水、高压缩性、高含水量、低透水性、低强度、高有机质等。由于草炭土的工程地质性质较差，作为建筑物地基时是一种不良的软土地基。草炭土路基面临稳定性和沉降两大问题，路堤填筑中的坍陷和过大的工后沉降均对路基的建设和运营造成不利的影响。不但加大养护成本，而且影响公路的正常使用，甚至威胁行车安全。

在天然的软土地基上，基底不作特殊加固处理，用快速施工(即不控制填土速度)修筑路堤所能填筑的最大高度，称为极限填高。当路堤的设计高度超过此极限高度时，路堤或地基必须采取加固或处理措施，以保证路堤的安全填筑和正常使用。极限高度的大小，可按稳定性分析评价的结果确定。在施工条件允许时，也可在工地进行填筑试验确定极限填高，这是解决路堤极限高度的最可靠方法。此项研究是根据对试验路段软土的路堤稳定性分析评价，通过计算路堤在修筑过程中和完工后的稳定情况，选择合理的填高速度和稳定加固措施，从而保证路堤在施工过程中和完工后的稳定。因此，对此类软土路堤边坡进行评价及对极限填高的研究可以指导施工，保障路基稳定，且对减少公路病害的发生、保障公路的工程质量及安全运营具有极其重要的意义。

1 试验路段工程地质条件

试验路段位于吉林省敦化市江源镇南5 km处，鹤大公路K1+300～K2+520段，属长白山山脉北部的高寒山区，地处以敦化为中心的山间盆地，周围长白山系的山岭环绕，牡丹江在此发源向北流入松花江后汇入黑龙江，草炭土沼泽地水源靠牡丹江河流及大气降水补给。

该地区为冰冻季风大陆性山地气候，夏季温暖多雨，冬季漫长寒冷。全年降水量在600～1 430 mm之间，全区多年平均降水总量为655亿m3，折合降水深度为690 mm。该区地势低洼平坦，降水量较充足，排水困难，地面常年积水形成湿生环境，故苔草植被的草炭土沼泽地极为发育。

根据野外钻孔资料，试验路段地层主要为:草炭土、黏土和砂土组成冲积相地层。第1层为草炭土，为该区的表层土，平均厚约1.2 m，最厚达3.5 m左右;第2层为黏土，其平均层厚为30 cm，局部地段未见该层土，该层土为草炭土的浅育层;第3层为圆砾。

2 评价方法及工程处理措施

2.1 评价方法

软土地基上路堤的稳定性分析评价，通常采用圆弧滑动面法。即假定路堤填土连同软土地基沿同一圆弧破裂面滑动，而圆弧滑动面法主要是 SARMA法、JANBU法、BISHOP法[3]。采用上述三种方法计算不同填高时路堤稳定性，计算各个填高下从不同地层中剪出(不同剪出口位置)时的安全系数，比较后求出各个填高时的最小安全系数 Fs。做出Fs与各个填高H的关系曲线，根据路基设计要求取一定的安全系数Fs，即可求出安全系数最小时对应的路堤填高，即极限填高。当计算方法、计算参数可靠性高时，一般取Fs为1.20～1.25[2]。计算路堤稳定性时偏于安全考虑，地下水位均视作位于地表，即路堤的底部。由于JANBU法综合考虑了条间力、条分可以不是竖直等特点，也证明JANBU法得出的安全系数Fs最小，故在本次路堤稳定性计算中，最终采用JANBU法计算得出的安全系数Fs值。

计算路堤稳定性时，由于路堤下面地层主要由草炭土、黏土、砾砂组成，路堤由分化软岩填筑。因此，在计算时，计算中所用到的各地层计算参数为:重度 γ值、内聚力C值、内摩擦角 φ值均是取所有土层的加权平均值(包括路堤填筑材料)。整个试验段路堤的路面宽度是10 m，路堤的坡高比是1∶1.5。路堤的填料是风化软岩，具体参数如表1。

表1 所有土层参数加权平均值

计算不同填高路堤稳定性时，首先进行最危险滑动面的搜寻，如图1～图3所示，计算发现同一填高下最危险滑动面通过路基顶面边缘点，经过地基的黏土层在坡脚外剪出。不同稳定系数Fs与各个填高H的关系曲线如图4所示。

图1 草炭土层剪出

图2 黏土层剪出

图3 砾砂层剪出

图4 稳定系数Fs与填高H的关系曲线

2.2 工程处理措施

针对路段不良地质情况，以不破坏原状草炭土地层和有利于保护湿地为前提，以及提高路基的整体稳定性和抗变形能力，方便施工、就地取材的原则，经过计算、研究和分析，确定了八种处治方案。起点K1+300至K2+520，全长1 220 m。具体处理方案如下:

第一种方案:风化软岩直接填筑+反压护道(K1+300～K1+420，全长120 m)

第二种方案:风化软岩+土工格栅(K1+420～K1+560，全长 140 m)

第三种方案:风化软岩直接填筑(K1+560～K1+705，全长 145 m)

第四种方案:塑料排水板+复合土工布(K1+705～K1+840，全长 135 m)

第五种方案:风化软岩 +聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(K1+840～K1+920，全长 80 m)

第六种方案:砂桩+复合土工布法(K2+140～K2+300，全长 160 m)

第七种方案:砂砾换填法(K2+300～K2+440，全长140 m)

第八种方案:土工格栅 +聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(K2+440～K2+520，全长 80 m)

2.3 实例

以土工格栅+聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(K2+440～K2+520)为例(如图5所示)，该路段各地层重度γ值、内聚力C值、内摩擦角φ、土工格栅的参数值见表2。

图5 土工格栅+聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)板法(单位:cm)

表2 各地层密度、内聚力、内摩擦角一览

对不同路堤填高(2 m、6 m和8 m)、不同剪出口位置、不同工程处理措施的路堤稳定性进行计算，得出的安全系数见表3。

根据表3得出处理前后各级填高下安全系数Fs与剪出口距离B的关系曲线[5](如图6、图7所示)。

表3 安全系数Fs计算结果

图6 天然软土地基上各级填高下Fs与B的关系

图7 土工格栅+EPS板上各级填高下Fs与B的关系

根据图6、图7找出各级填高下的最小安全系数，做出Fs与填高 H的关系曲线图，如图8、图9所示。Fs取1.2时，处理前路堤的极限填高为6.7 m，通过土工格栅+EPS板处理后，该路堤的极限填高是8.6 m。

2.4 路堤极限填高统计结果

因该路段上部车辆动荷载是7.875 kN/m，据此换算出是0.38 m的填土高度产生的荷载。因而，路段的极限填高应该是上述研究得出的高度减去0.38 m[4]。根据上述研究得出的结果，将各个断面处理前后的路堤填高值列表如表4所示。

图8 Fs与填高H关系曲线(天然软土地基)

图9 Fs与填高H关系曲线(土工格栅+EPS板)

表4 试验段各断面极限填高

3 结论与建议

1)在实际工程中，用 SARMA法、JANBU法、BISHOP法进行计算并分析比较，由于JANBU法综合考虑了条间力、非竖直条分等特点，也证明JANBU法得出的安全系数Fs最小，更为安全，所以采取JANBU法进行稳定性分析。

2)计算不同填高路堤稳定性时，首先进行最危险滑动面的搜寻，计算发现同一填高下最危险滑动面通过路基顶面边缘点、经过地基的黏土层在坡脚外剪出。

3)从计算结果统计表可以看出，采用风化软岩+土工格栅、风化软岩+EPS块法进行软基处治后，对草炭土地基的稳定性提高作用不大。在有条件的情况下，适当加宽反压护道宽度，对路基的稳定性提高影响较大，但是由于我国土地资源有限，公路建设要尽量少占土地，因此在公路工程中，反压护道法一般不宜大面积采用。砂桩+复合土工布、土工格栅+EPS板法对提高草炭土地基的稳定性效果明显，而且砂桩还可加速地基的排水固结。在实际工程设计中究竟采用何种处治方法，还应根据当地材料来源、施工工期控制等诸多因素进行经济比较后决定，推荐采用砂桩+复合土工布法。

[1] 交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册《路基》(第二版)［M］.北京:人民交通出版社，1996.

[2] 中华人民共和国交通部.JTJ 017—96 公路软土地基路堤设计与施工技术规范［S］.北京:人民交通出版社，1996.

[3] 刘红军.寒区湿地软土地基固结沉降与稳定性研究［D］.北京:中国地震局工程力学研究所，2007.

[4] 郑晓国.高速公路软土地基路堤填筑临界高度研究［M］.南京:东南大学，2004.

[5] 陈云.高路堤沉降变形特性试验分析［M］.成都:西南交通大学，2008.