高速公路堆載預(yù)壓軟基加固卸載時(shí)機(jī)研究

劉皓琨

(京臺(tái)高速公路廊坊建設(shè)管理處)

1 引 言

中國從20 世紀(jì)80年代開始發(fā)展高速公路，目前，我國高速公路里程位居世界第二，大大促進(jìn)了我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但是由于我國幅員遼闊，人口眾多，現(xiàn)有的高速公路仍滿足不了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，因此我國各地的高速公路建設(shè)仍在有條不紊的進(jìn)行。

我國的公路地基存在著大量淤泥、淤泥混砂層、淤泥質(zhì)粘土等軟粘土，在這類地基上修建高速公路，易出現(xiàn)穩(wěn)定和變形問題。對(duì)于目前的地基處理技術(shù)，路基的穩(wěn)定性一般都能得到保證，但是軟土地基的沉降變形卻難以有效控制，實(shí)際工程中往往存在路基開裂、橋頭跳車、路面的縱坡變化等沉降問題。

為減小地基沉降尤其是不均勻沉降的影響，目前常見的地基處理方法有置換法、排水固結(jié)法、加筋法、注漿法、擠密法以及強(qiáng)夯法和復(fù)合地基法等，排水固結(jié)法根據(jù)加壓和排水系統(tǒng)的不同可分為堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法、真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法、電滲法等，其中的堆載預(yù)壓法堆載預(yù)壓是指用堆載填土或其它上部荷載，對(duì)天然地基進(jìn)行預(yù)壓，同時(shí)在土體中埋設(shè)豎向排水體和橫向排水體，形成排水通道，使得土中的孔隙水加速排出，使土體固結(jié)減小工后沉降，提高軟土地基的承載能力，在具有足夠備土預(yù)壓荷載的條件下，對(duì)消除地基的工后沉降具有較為突出的優(yōu)勢。但是堆載預(yù)壓法處理高速公路的路基堆載卸載時(shí)機(jī)確定非常重要，一般而言，公路堆載預(yù)壓至滿足卸載標(biāo)準(zhǔn)后卸載至路床頂面標(biāo)高、施工路面的過程稱為卸載，確定卸載時(shí)機(jī)就是根據(jù)卸載標(biāo)準(zhǔn)確定卸載時(shí)間?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30－2004)規(guī)定“路面鋪筑應(yīng)在沉降穩(wěn)定后進(jìn)行，采用雙標(biāo)準(zhǔn)控制:即要求推算的工后沉降量小于設(shè)計(jì)容許值，同時(shí)要求連續(xù)2 個(gè)月觀測的沉降量每月不超過5 mm，方可卸載開挖路槽并開始路面鋪筑”。因此，路面鋪筑時(shí)間的確定實(shí)質(zhì)也是卸載時(shí)機(jī)確定，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活水平的提高，對(duì)行車速度、行車舒適性和安全性的要求越來越高，對(duì)堆載預(yù)壓法處理高速公路的路基卸載時(shí)機(jī)確定越來越重視。

因此，結(jié)合京臺(tái)高速公路廊坊段山前平原區(qū)湖相沉積軟土地基工程實(shí)際，基于工后沉降和沉降速率控制，研究高速公路湖海相軟土地基堆載預(yù)壓卸載時(shí)機(jī)，對(duì)提高河北省高速公路通行質(zhì)量具有重要意義，并為我國類似工程的實(shí)施提供借鑒和技術(shù)支持。

2 工程概況及處理方法

以京臺(tái)高速公路廊坊段為例，設(shè)計(jì)速度全線采用120 km/h，路線位于河流的沖洪積平原上，河流的淤積及低洼地帶易形成軟弱土及軟土，該公路沿線53 km 分布有近75%的軟土地基，其物理性質(zhì)表現(xiàn)特征為含水量高，達(dá)到30%以上，部分路段達(dá)到40% 以上;天然孔隙比高，超過0.9，部分路段超過1.0;液性指數(shù)大于0.5，部分路段超過0.75;標(biāo)貫擊數(shù)低，一般在4～5 擊以下。

為了保證路基穩(wěn)定性和工后沉降滿足高速公路安全運(yùn)營要求，對(duì)約27 km 的一般路基地段軟土地基采用堆載預(yù)壓法進(jìn)行加固，預(yù)壓施工高度等于路基設(shè)計(jì)高度+路面材料與路堤填料密度不同應(yīng)考慮的等效厚度差+路基預(yù)壓期沉降量，預(yù)壓期為180 d，但在施工過程中需做好沉降、穩(wěn)定觀測，確保路基滿足中心線沉降量和坡腳水平位移量要求，并根據(jù)測沉降數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以確定合理的卸載時(shí)機(jī)。

為了有效排水，堆載預(yù)壓、袋裝砂井處理路段，路堤基底鋪設(shè)40 cm 厚砂礫墊層，其含泥量不大于5%，為防止砂的流失及加強(qiáng)墊層排水作用，在墊層兩端采用護(hù)腳砂袋防護(hù)。在水泥攪拌樁、CFG 樁處理路段，為有效排加固地基，并分擔(dān)路堤荷載的應(yīng)力，在路堤基底鋪設(shè)30 cm 厚5%石灰土墊層。同時(shí)，在地基中打設(shè)袋裝砂井，其直徑采用10 cm，間距一般1.3～1.7 m，平面上呈正三角形布置。

3 實(shí)測沉降數(shù)據(jù)及最終沉降計(jì)算

3.1 最終沉降量和剩余沉降量

研究時(shí)在其中兩個(gè)標(biāo)段中選取了代表性斷面，其斷面寬度均為42 m。見表1，表2。

表1 標(biāo)段1 一般路段典型斷面

表2 標(biāo)段4 一般路段典型斷面

根據(jù)所選代表性斷面，利用就近的勘察孔數(shù)據(jù)，根據(jù)分層總和法(具體計(jì)算方法可參考土力學(xué)及相關(guān)規(guī)范，不再贅述)計(jì)算得到最終沉降量，結(jié)合實(shí)測沉降速率和累計(jì)沉降量，計(jì)算得到剩余沉降量如表3 和表4 所示。

表3 標(biāo)段1 一般路段沉降計(jì)算結(jié)果

表4 標(biāo)段4 一般路段沉降計(jì)算結(jié)果

3.2 沉降歷時(shí)曲線

以上計(jì)算只是確定了最終沉降量和剩余沉降量，為研究地基沉降隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，確定合理的卸載時(shí)機(jī)，利用有限差分軟件Flac3D，選取斷面K17 +950，其設(shè)計(jì)高度為6.36 m，預(yù)壓高度為6.77 m，以計(jì)算研究地基沉降隨時(shí)間的發(fā)展曲線。

Flac3D 建模:公路路基和路堤為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此可取一半進(jìn)行分析，路堤邊坡1 ∶1.5，路堤寬度42 m 取一半為21 m，計(jì)算填土高度取堆載高度，堆載土體未壓實(shí)，其重度取15 kN/m3，地下水位在地表下13 m，計(jì)算過程中分級(jí)加載，以模擬施工過程，從施工期截止觀測日期共410 d，計(jì)算得到此時(shí)的地基沉降所示。沉降歷時(shí)曲線如圖2 所示。

圖1 K17 +950 固結(jié)410 d 時(shí)豎向沉降云圖

圖2 K17 +950 模擬沉降曲線與實(shí)測沉降曲線

3.3 結(jié)果分析

從表3、表4 中數(shù)據(jù)可以看出，只有少部分?jǐn)嗝娉两邓俣仍? mm/月以下，如K6 +080、K7 +120、K15 +855、K17 +800、K18 +375、K18 +975、K19 +225，這些路堤設(shè)計(jì)高度較低，因此沉已降基本穩(wěn)定。其它堆載高度較高的斷面沉降速率均大于5 mm/月。但從計(jì)算得到的剩余沉降量來看，除了K17 +950 之外所有斷面的剩余沉降量均小于控制標(biāo)準(zhǔn)值30 cm，之所以大部分?jǐn)嗝娴某两邓俾蚀笥诳刂浦蹬c施工進(jìn)度有較大關(guān)系，因?yàn)楹芏鄶嗝娑际墙谟捎诠て谙拗瓶焖偬钪皆O(shè)計(jì)標(biāo)高，導(dǎo)致沉降速率過大，說明堆載預(yù)壓處理方法效果良好。

K17 + 950 處共堆載410 d，實(shí)測累計(jì)總沉降量為21.03 cm，最后一期沉降速率為－0.34 mm/d，最后一月總沉降量為14.15 mm，高于連續(xù)兩個(gè)月月沉降量小于±5 mm的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。剩余沉降量為34.27 cm，高于工后沉降小于30 cm 的控制標(biāo)準(zhǔn)。從沉降數(shù)據(jù)來看，該斷面的沉降穩(wěn)定均尚需一段時(shí)間。

K17 +950 斷面按實(shí)測加載曲線計(jì)算土體固結(jié)，410 d 時(shí)的豎向沉降云圖如圖1 所示，圖中路堤范圍以外的地基土體有輕微隆起現(xiàn)象，可能是由于路堤作用引起的側(cè)向擠壓作用，而采用該軟件計(jì)算得到的最終沉降量為53.9 cm 略大于分層總和法計(jì)算得到的53.3 cm，因此在軟土的沉降計(jì)算中有必要考慮地基土體的側(cè)向變形引起的沉降，否則可能使得計(jì)算結(jié)果偏小。圖中最大沉降發(fā)生在路基中心線下，計(jì)算累計(jì)沉降量為23.85 cm，略大于實(shí)際值21.03 cm，誤差為5.39%，說明本次的計(jì)算參數(shù)取值較為合理，計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確。

模擬沉降曲線與實(shí)測沉降曲線對(duì)比如圖2 所示，從圖中可以看出，flac3D 的模擬結(jié)果與實(shí)測值曲線吻合較好，進(jìn)一步說明該軟件可以較好地計(jì)算軟件基的固結(jié)沉降。從沉降發(fā)展曲線可知，該斷面處初期沉降發(fā)展較快，在荷載施加一段時(shí)間后沉降趨于穩(wěn)定，但有新的加載時(shí)沉降又會(huì)較快發(fā)展，這是軟基沉降的最為顯著的特征，而目前的沉降速率14.15 mm/月較大也是由于該斷面近期填土至設(shè)計(jì)標(biāo)高的緣故，目前其它堆載較高的斷面也普遍存在類似情況。

因此，結(jié)合目前的沉降速率、剩余沉降量和沉降發(fā)展曲線，在路面施工時(shí)機(jī)即預(yù)壓堆載卸載時(shí)機(jī)的選擇上，可以考慮分段施工，即沉降速率和剩余沉降均達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)的路段可以優(yōu)先進(jìn)行路面施工，然后可考慮沉降速率雖不滿足要求但剩余沉降滿足要求的路段，最后是沉降速率和剩余沉降均不滿足控制標(biāo)準(zhǔn)的路段，以使其沉降有較為充分的發(fā)展，最終達(dá)到控制工后沉降的目的。

4 結(jié) 語

采用現(xiàn)場試驗(yàn)、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究路線，以在建京臺(tái)高速公路廊坊段為工程依托，對(duì)堆載預(yù)壓處理的高速公路軟土地基卸載時(shí)機(jī)進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下。

(1)在軟土路基上修筑高速公路時(shí)，由于軟土的低強(qiáng)度、大變形量等特點(diǎn)，必須根據(jù)地質(zhì)情況和道路設(shè)計(jì)荷載，對(duì)地基進(jìn)行有效處理和加固，從應(yīng)用效果來看，堆載預(yù)壓法是一種較為有效的處理方法。

(2)目前關(guān)于軟土路基的沉降理論計(jì)算和預(yù)測方法較多，均有各自優(yōu)缺點(diǎn)，選擇分層總和法和有限差分軟件FLAC3D，通過計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的比較，證明計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，用來計(jì)算沉降是切實(shí)可行的。

(3)高速公路路堤堆載達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，關(guān)于路面施工時(shí)機(jī)即堆載卸載時(shí)機(jī)的選擇，可考慮分段施工，優(yōu)先進(jìn)行沉降速率和工后沉降都達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)和路段，然后根據(jù)施工進(jìn)度考慮沉降速率不滿足要求路段，最后是沉降速率和剩余沉降均不滿足控制標(biāo)準(zhǔn)的路段，以使其沉降有較為充分的發(fā)展，最終達(dá)到控制工后沉降的目的，保證工程質(zhì)量。

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