山区道路重力式挡土墙地基及基础浅层处理研究

李浩瀚

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引言

山区道路由于地形复杂、地势起伏较大，为满足道路线型指标、防止地质灾害、减少拆迁占地、减少土石方数量等方面的要求，一般需要较多地设置支挡构造物。重力式挡土墙，包括仰斜式、俯斜式、衡重式等，由于断面形式简洁、材料易取、施工简单、造价较低等原因，在山区道路工程中得到了广泛使用[1]。由于山区地质条件复杂多变，挡土墙又多沿道路分布，往往会遇到软弱土等不良地基，此类地基承载力较低，而同时重力式挡土墙墙身截面大，对基础底的承载力要求一般较高，因此需要采取一定的处理措施以减少挡土墙基底应力，提高地基承载力，使得重力式挡土墙可以穿越不良地质地带，不因为地基不均匀沉降引起墙体破坏。

1 浅层处理方式

根据地基及基础处理深度的不同，一般可以将处理方式分为两类，即浅层和深层处理。一般认为，处理的深度范围在地面以下5 m之内的称为浅层处理，包括表土压实、地基强夯、换填垫层、扩展基础、短桩加固等。处理深度较大的长桩加固、桩基承台等方式称作深层处理。

1.1 表土压实

对杂填土、粉质土等较为软弱的表层土可以采用振动压实法。如采用冲击式压路机，处理深度可以提高到约1 m。结合添加水泥、石灰等结合料的处理方法，地基承载力可以有较大的提高，但一般不超过100 kPa。

1.2 地基强夯

地基强夯是在表土压实的基础上，进一步提高压实力，采用重锤自由下落时的冲击能来夯实地基，处理深度可以达到2 m。强夯法较表土压实法对承载力的提高更大，一般可以达到120 kPa以上，但是对周边环境的影响较大，对施工场地的要求较高[2]。

1.3 换填垫层

换填垫层使用的材料可以选择当地山区分布较广的材料，如砂砾、碎石、矿渣等[3]。处理方式为挖除部分不满足要求的土层，换填以较好的材料，加固深度一般不超过2 m，最大不超过3 m。

换填垫层的优点：

（1）提高地基承载力：地基中的剪切破坏由基础底面开始发生并向纵深发展，采用强度较大的垫层材料代替较软弱的原状土，在源头上降低了地基发生破坏的可能性。

（2）加速软土排水固结：如采用碎石等透水性材料作为垫层换填，土层中的水可以部分排出，从而加速固结。

（3）减少沉降：挡土墙基础下浅层部分地基的沉降是总沉降的主要组成部分，约占总沉降的50%。换填垫层后，垫层本身沉降很小，下卧土层的沉降则由于垫层对应力的扩散作用得以减小。

（4）施工简单，成本较低。换填垫层材料可以因地制宜，施工仅需一般筑路机械。

换填垫层局限在于施工过程中需要开挖较大深度，容易造成对环境的破坏；换填施工需要较大的宽度，适用于较平缓的区域，在过于陡峭的山地上使用有一定的局限性。

1.4 扩展基础

重力式挡土墙扩展基础一般是在原挡土墙基础以下设置钢筋混凝土底板。原理是通过增大挡土墙基底面积，将荷载向两侧扩散，使作用在基底的压应力得以降低。

扩展基础的优点：

（1）混凝土底板的强度高，整体性好，可以在填土、淤泥质土等较为软弱的地基上使用。

（2）扩展基础采用钢筋混凝土，抵抗变形的能力强，可以消除轻微不均匀沉降的影响。

（3）扩展基础的混凝土底板面积较大，在同样的摩擦系数条件下，可以提高挡土墙的抗倾覆和抗滑性能，还可以增加设置凸榫、齿坎等构造，进一步提高基础的抗滑能力。

扩展基础的不足之处在于施工较为复杂、工期较长且成本较高。

1.5 短桩加固

一般采用5～10 m的钢筋混凝土预制桩，采用压入的方式，主要原理是依靠桩的承载力提高地基总体性能，此外部分桩间土在桩基压入的过程中得到增强，可以作为地基承载力的安全储备。短桩加固技术实际上已经接近于深层处理，优点是加固质量好、施工周期短、技术可靠，但与其他浅层处理方式相比成本较高。

2 山区道路浅层处理方式选型

设置于山区道路的挡土墙，一般具有以下特点：

（1）山区地形起伏，挡土墙高度一般较高且升降变化较快。

（2）出于利用当地材料，降低造价的原因，山区道路挡土墙较多倾向采用块石、片石砌筑。

（3）山区挡土墙往往在较短距离内就跨越多个地质带，挡土墙地基情况变化较大。

（4）山区道路由于地形限制，往往施工场地较为狭小，大型机械难以进出，挡土墙需要综合考虑费用效益，采用较为合适的形式。

根据山区道路挡土墙的特点，在地基基础浅层处理的方式中，表土压实法往往处理后地基承载力仍难以满足挡土墙承载力要求；地基强夯和短桩处理法由于需要大型机械进出施工场地，难度较大，且前者对地基承载力的提高幅度同样较小而后者造价较高。因此，较多地使用换填垫层和扩展基础这两种浅层处理的方式。

3 工程实例

某工程为某地区山区道路，等级为城市主干路，设置挡土墙长度约1 200 m，采用仰斜式浆砌块石挡土墙支挡，其中约300 m挡土墙基础位于粉质粘土层上，承载力不能满足要求，拟对换填垫层和扩展基础这两种处理方式进行比较，采用较为合理的方案，以满足工期和成本的要求。

3.1 挡土墙结构

根据道路设计及地质勘察相关资料，挡土墙设计高度5～8 m，地层结构自上而下依次为：杂填土、粉质粘土、强风化花岗岩、中风化花岗岩等。挡土墙尺寸及地层参数如图1所示。

图1 挡土墙尺寸及地层参数示意图

3.2 换填垫层

换填垫层的回填材料可采用素土垫层、砂垫层、碎石垫层和混合垫层等，采用各材料垫层的应力分布仅有微小差别。根据该项目所在区域的特点，采用成本较低的碎石作为换填垫层材料。具体方案为挖除一定厚度的粉质粘土，采用质地较为坚硬的碎石（粒径不大于50 mm）换填并灌砂，分层填筑并压实，分层厚度不大于30 cm。

换填垫层的厚度和宽度由计算决定，计算采用试算法，代入不同的换填深度直至下卧层满足承载力要求，计算图示见图2。公式为：

式中：Pd为垫层底面附加应力值；Pk为挡土墙基础底附加应力值；B为挡土墙基础底宽；B′为换填垫层底宽；h为换填碎石垫层厚度；θ为垫层压力扩散角，碎石取30°。

图2 换填垫层计算图示

计算得到挡土墙高度与所需换填厚度的关系见表1所列。

表1 换填垫层计算结果表

3.3 扩展基础

扩展基础根据原挡土墙基础尺寸，在其下设置厚度40 cm的C30钢筋混凝土板作为基础。混凝土板水平布置，混凝土板两侧襟边宽度根据计算决定，计算采用试算法，代入不同的宽度直至满足承载力要求，如图3所示。

图3 扩展基础计算图示

图3中：B为挡土墙基础底宽；B′为扩展基础底宽；b1为扩展基础墙趾处宽度；b2为扩展基础墙踵处宽度，取30 cm。

计算得到各高度挡土墙与所需扩展基础宽度的关系见表2所列。

表2 扩展基础计算结果表

3.4 技术经济比较

根据以上计算结果，换填垫层和扩展基础的处理方式均可以满足地基承载力的要求，两种方式的比较见表3所列。

表3 浅层处理方案比较表

分析各个高度的挡土墙的地基基础处理造价可以发现，随着挡土墙高度增大，换填垫层的处理费用增大较快，在挡土墙高度不大于7 m的情况下，换填垫层的处理方式费用较为节省；在挡土墙高度大于7 m时，两者的处理费用已经相当接近。该项工程的挡土墙高度大部分较低，综合考虑施工工期、施工难易程度和成本，选择采用换填碎石垫层的处理方案。

4 结语

山区道路挡土墙地基及基础处理要考虑成本和施工的难易程度，采用浅层处理可以以较低的成本和较短的工期使得重力式挡土墙适应较软弱的地基，扩展了重力式挡土墙的适用范围，提高了挡土墙的安全性。在碎石、砂砾等材料充足、挡土墙高度较低的情况下，优先选用换填垫层处置地基；在挡土墙高度较大的情况下，考虑选用扩展基础的处理方式，可以在满足承载力要求的同时提高挡土墙的抗滑和抗倾覆性能。

[1]公路挡土墙设计与施工技术细则[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]刘方强，王利明.山区重力式挡土墙地基与基础处理技术的探讨与实践[J].基建优化.2007，28（6）：151-153.

[3]夏琴.公路挡土墙的选型及基础处理措施[J].华东公路.2010，（3）：39-41.