高速公路改擴建工程軟土地基處理方案探討

姚勝彪

【摘 要】高速公路改擴建沿線存在軟土分布時，其工程特性多變，厚度不一，且改擴建軟基處理場地狹窄，容易對老路造成不良的影響，差異沉降難以控制。文章對國內(nèi)已實施高速公路改擴建拼寬路段軟基處理方案進行分析、總結(jié)，簡要比較各方案的應用情況。以在建柳南改擴建拼寬路段軟基處理為依托，進行拼寬路段軟基處理探討。

【關(guān)鍵詞】高速公路改擴建；拼接工程；軟基處理

【中圖分類號】U416 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）11-0089-04

0 引言

柳州至南寧高速公路是國家“7918”高速公路網(wǎng)中泉州至南寧（G72）的重要組成部分，是廣西“6橫7縱8支線”高速公路網(wǎng)的主骨架，也是廣西連接周邊省份，加強對外聯(lián)系，加快北部灣經(jīng)濟區(qū)的開發(fā)開放，對接東盟經(jīng)濟圈，融入全球化的高效公路運輸大通道，在路網(wǎng)中有十分重要的地位。柳州至南寧高速公路始建于1996年，經(jīng)過15年的運營，目前全線日均交通量已接近40 000輛，車流量已趨于飽和，其中局部路段的服務水平已處于三、四級服務水平。目前，完成該高速公路改擴建工程迫在眉睫，以提高其服務水平，滿足不斷增長的交通量需求。

高速公路改擴建工程中新老路基由于受荷期和固結(jié)度不同，新老路基之間將存在明顯的差異沉降，會在新老路基的結(jié)合處產(chǎn)生拉應力，尤其在軟土地基中，若處理不當，將會引起縱向裂縫的產(chǎn)生，影響改擴建工程路基、路面結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性，進而影響工程的安全性和使用壽命。因此，能否有效地控制拼寬路基與舊路路基之間的差異沉降是拼接工程建設成敗的關(guān)鍵。

本文主要針對國內(nèi)部分已實施高速公路改擴建兩側(cè)拼寬過程中所采取的軟基處理方案進行簡要對比，并對柳南高速公路改擴建項目軟基處理設計方案進行分析、總結(jié)。

1 高速公路拼寬軟基處理方案

1.1 軟土工程特性及常見處理方案

軟土是指以水下沉積的保水的軟弱黏性土或淤泥為主的地層，大部分是飽和的，其天然含水量大于液限，孔隙比大于1.0。當天然孔隙比大于1.5時，稱為淤泥；天然孔隙比大于1.0而小于1.5時，稱為淤泥質(zhì)土。軟土的特點如下：天然含水量高（35%～80%）；天然孔隙比大（1.0～2.0）；抗剪強度低（不排水抗剪強度為5～25 kPa）；壓縮系數(shù)高（0.5～1.5 MPa-1）；滲透系數(shù)?。?0-6～10-8 cm/s）。軟黏土一般固結(jié)時間很長，固結(jié)沉降較大。因此，工程上必須對高速公路軟土地基采取切實可行的處理方案。這里要指出國內(nèi)各單位沿用各自慣用的土工試驗方法標準和地基設計計算方法，對軟土的工程特性認識不一致。例如，卡薩格蘭德塑性圖中液限的測定采用蝶式儀，《土工試驗方法標準》（GBJ123—88）和《公路土工試驗規(guī)程》（JTJ051—93）都推薦用圓錐儀測定土的液限，但分別是76 g圓錐和100 g圓錐，不同儀器測得液限是不同的。因此，有必要采取統(tǒng)一的國家土工試驗方法，準確認識軟土的工程特性。

軟基處理常用的措施有換土墊層法、振密擠密法（表層壓實法、土樁與灰土樁法、砂樁等）、排水固結(jié)法（堆載預壓法、砂井法、真空預壓法、降低地下水法、電滲排水法等）、置換法（碎石樁法、石灰樁法、強夯置換法、水泥粉煤灰碎石樁法等）、加筋法、膠結(jié)法、冷熱處理法。高速公路軟基處理方案應做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量。隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)，也有采用復合地基和輕質(zhì)路堤等軟基處理方法。地基處理方法很多，但沒有一種方法是萬能的，應從地基條件、處理要求（處理后地基應達到的各項指標、處理的范圍、工程進度等）、工程費用及材料、機具來源等方面進行綜合考慮。

1.2 國內(nèi)已實施高速公路改擴建加寬軟基處理方案

1.2.1 改擴建工程軟基處治關(guān)鍵問題分析

改擴建工程與新建工程在軟基處理方面有著較大的區(qū)別，如加寬部分往往較窄，軟基處治施工技術(shù)難度大。而且，原有高速公路已通車多年，在荷載作用下，路基基底逐漸壓縮，承載力有所提高，地基趨于固結(jié)，沉降趨于穩(wěn)定，而硬路肩及以外范圍路基強度低。對于軟基路段，原有高速公路路基基底因在建設期已采取了相應的處理措施，工后殘余沉降已很小了。改擴建高速公路的拼寬路基基底由于未經(jīng)擾動，與原有路基將存在沉降差。加寬路基的差異沉降由加寬路基的沉降和軟基的沉降組成，以軟基沉降為主。此外，路基拼接加寬施工后，在外部分車道荷載作用下，路基基底應力重新分布，對原有路基產(chǎn)生影響。原有路基土質(zhì)吸力處于平衡狀態(tài)，在路基拼寬過程容易打破原有路基土中水的平衡，也會對既有路基產(chǎn)生影響。因此，為控制加寬路基總體沉降指標，不僅需對拼寬路基采取一定的措施加以控制，軟基的沉降控制更需加強。

處于軟基段的路堤縱橫坡度增大時，會引起路堤內(nèi)拉應力的產(chǎn)生，當拉應力的值達到路堤的極限拉應力時，將引起路堤的開裂?？刂破唇油貙捖范蔚目v橫向裂縫實質(zhì)上也就是控制路堤的縱橫坡改變率，因此將路堤的縱橫坡的改變率作為裂縫的控制標準更具實際意義。通過控制縱橫坡的改變率量級就可求得路堤差異沉降的控制標準，從而為合理選擇地基處理方法提供了依據(jù)。例如，滬寧與錫澄高速公路拼段控制標準提出考慮允許老路面結(jié)構(gòu)縱橫向坡度的允許累計該變量應小于0.5%（不考慮老路面返修時，應小于0.25%）；施工動態(tài)控制標準方面，為便于施工操作方便，采用沉降速率進行控制。劉世蓮在廣東高速公路改擴建工程提出全路段路面不均勻沉降控制標準為路面橫向坡度增加值小于0.45%。

1.2.2 路基拼寬軟基路段處理方案

目前，高速公路上常用的軟基處理方法主要有排水固結(jié)法、復合地基法和采用輕質(zhì)路堤調(diào)料等3類。改擴建高速公路拼寬必須考慮老路路基受影響情況，因此需采用一定的輔助防護措施。下面簡要介紹國內(nèi)已實施改擴建項目設計中采用的主要軟基處理方法。

（1）滬寧高速公路拼接工程軟基處理方法。軟基概況：滬寧高速公路對全線軟基根據(jù)地質(zhì)分析進行分類，原地基存在雙層軟土，間夾一定厚度硬塑至軟塑狀黏土和亞黏土或間夾一定厚度的中密狀的粉砂；原地基上層軟土特厚，最深達33 m淤泥質(zhì)黏土和亞黏土層；表層硬殼以下存在2～6 m、6～12 m的淤泥質(zhì)亞黏土層等。

軟基處理方案：①軟土深度≤8 m時，可選用水泥攪拌樁，其水泥用量根據(jù)地基土的含水量確定；②當8 m<軟土深度≤25 m，主要采用PTC型梳樁基礎處理；③軟土深度>25 m時，可選擇EPS輕質(zhì)路堤方案和PTC型梳樁方案。

（2）沈大高速公路拼接工程軟基處理方法。軟基概況：主要由亞黏土、泥土、淤泥及淤泥質(zhì)黏土組成。地表多為水田和魚塘，溝渠較多。地基上層0.5～1.0 m為軟塑狀態(tài)的黏性土，其下4～7 m為軟塑～流塑狀態(tài)的軟土，其物理力學指標差，含水量高，孔隙比大，硬殼層薄，具有壓縮性大、承載能力低等特點。

軟基處理方案：①淺層石渣處理（40 cm或70 cm）；②砂礫（70 cm）+塑料排水板+（土工布）；③粉噴樁+石渣（70 cm）。

（3）佛開高速公路拼接工程軟基處理方法。軟基概況：軟土主要分布于珠江三角洲平原、山間洼地，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)亞砂土及淤泥質(zhì)砂。平原區(qū)軟土厚度變化較大，其厚度范圍為0.8～25.1 m。山間洼地軟土主要為谷地相淤泥、淤泥質(zhì)黏土，一般厚1.5～3.1 m，局部厚度達7.7 m。老路軟基主要采用排水固結(jié)法處理。

軟基處理方案：①水泥攪拌樁和預應力管樁加固。當路堤填筑高度小于或等于2.5 m時，老路邊坡范圍不進行軟基處理；當路堤填筑高度大于2.5 m時，先進行老路邊坡范圍外軟基處理，然后待路槽填筑至距路面2.5 m時對老路邊坡軟基處理范圍一次性施工。②素混凝土樁加固，采用懸臂法施工。路堤填筑高度小于或等于5.5 m時，加寬范圍軟基處理一次性施工；路堤填筑高度大于5.5 m時，滿足施工機械要求情況下分2個施工平臺施工。③懸臂擋墻、重力式擋墻、輕質(zhì)土、加筋土路段的軟基處理，統(tǒng)一采用素混凝土樁懸臂法施工。

該項目軟基處理目前未見路面大面積開裂，效果良好。

（4）廣清高速公路拼接工程軟基處理方法。軟基概況：軟土主要為第四系河漫灘相或沼澤相淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭土，這類軟土分布于平原區(qū)、河流谷地和山間洼地。其軟土多具有含水量高、孔隙比大、高壓縮性和低力學強度等特點。

軟基處理方案：填土高度大于4 m的擴寬軟基路段，采用“二次平臺”施工技術(shù)。軟基處理范圍覆蓋拓寬車道下方，并且對原土路肩及路基邊坡欠壓實部分進行重新壓實；對采用換填、堆載預壓法處治的一般軟土路段，設置1～3層中等強度單向土工格柵；對水泥攪拌樁復合地基，褥墊層采用雙向聚酯土工格柵加強；素混凝土樁復合地基，褥墊層采用雙向鋼塑土工格柵加強。

（5）京哈高速公路四平至長春段拼接工程軟基處理方法。軟基概況：表層0～2 m為低液限黏土，其下為2～5 m的淤泥質(zhì)黏土，其下為粗砂。其中，淤泥質(zhì)黏土空隙比為0.8～1.0，承載力為100 kPa，地下水位距地表2.2 m左右，軟土層最大埋深為6.2 m。

軟基處理方案：軟土深度≤3 m時，清淤換填，且與換填頂面地表處各鋪設一層土工格柵。深度>3 m時，采用水泥攪拌樁復合地基。當軟基處理路段存在橋（涵），在其兩側(cè)的水泥攪拌樁間距過渡漸變加密。水泥攪拌樁頂面設置80 cm人工沙礫墊層，墊層頂、底面各鋪設一層土工格柵。新舊路基差異沉降控制要求舊路基與新路基的路拱橫坡坡度工后增大值不應大于0.5%，路基施工完成后連續(xù)2個月的30 d累計沉降差不大于5 mm時，方可進行路面施工。

從上述的拼寬路段軟基處理可以發(fā)現(xiàn)，拼寬段軟基處理應從軟土工程地質(zhì)情況出發(fā)，同時考慮原有老路所采取的軟基處理方法，以及根據(jù)填土高度的不同選用不同的方案。并且，在設計、施工方法應靈活運用，如拼寬過程中臺階開挖高度、寬度，內(nèi)傾斜坡坡度等的設置，對施工過程加強監(jiān)測，采用合理的控制標準。

2 柳南高速公路改擴建工程中軟基處理方案

2.1 沿線軟基分布情況

柳南高速沿線部分路段以路堤形式從荷塘、水田處通過，通過簡易勘探及地勘鉆孔揭示上述路段多分布淺層軟土，除局部水塘路段存在大于3 m的情況外，其余厚度均小于3.0 m，系褐色軟塑狀粉質(zhì)黏土，具有高含水量、高孔隙比、承載力低的特點，容許承載力為80～120 kPa。

除淺層軟土外，一些地低洼的山間溝谷地帶，受地下水的影響，在靠近不透水基巖面的黏土多呈軟塑～流塑狀，容許承載力為70～120 kPa，通過軟土沉降和穩(wěn)定性計算，此類深層軟土（部分為含有硬殼層的深層軟土）由于工后沉降不滿足要求，需進行處理。

2.2 控制標準

拼接路基施工完成后，原有路基與拼寬路基的路拱橫坡坡度的工后增大幅度不應大于0.5%。拼接路基施工后，拼寬新建路基工后沉降應滿足橋頭處不大于5 cm、通道及涵洞處不大于10 cm、一般路基不大于15 cm。

按復合地基進行穩(wěn)定驗算，采用快剪指標，穩(wěn)定驗算的安全系數(shù)以K>1.2控制。

2.3 處理原則

拼接路基的軟土處理除了要遵循新建高速公路軟土處理的一般原則之外，還需滿足以下要求。

（1）老路深層軟土路段一般采用排水固結(jié)法處理，拼寬路基不得降低原有路基地下水位。對于魚（水）塘、河流、水庫等路段，需要排水清淤時，必須采取防滲和隔水措施后方可降水，避免因水位降低導致空隙水壓力下降，增大土體的有效應力，引起原有路基沉降。這種降水導致路基沉降對于砂性土填筑的路基影響極為明顯，對于黏性土填筑的路基影響稍弱。

（2）與橋梁、涵洞、通道等構(gòu)造物相鄰拓寬路段或原有路基已基本完成地基沉降的路段，路基拼寬范圍內(nèi)的軟土地基處理宜采用輕質(zhì)土路基或復合地基，不宜使用排水固結(jié)法的處理措施。

（3）對于新建分離式路基或互通匝道路基，若距離老路路基小于20 m，可采用隔離措施對新建路基地基進行處理，減小新建路基對原有路基的沉降影響。

2.4 軟土地基處理方案

2.4.1 淺層軟土（h≤3.0 m）處理

對于下述路段軟弱土，采用清淤換填碎石（上部30 cm嵌縫）+片石（下部封底）處理。當?shù)叵滤^高或地表有泉水出露時，應在路基兩側(cè)開挖集水槽，其底部應比清淤底部至少低1 m，以保證碾壓時的干燥。

對于換填深度大于2 m的路段，為加強開挖基坑時老路路基的穩(wěn)定，在削破后的坡腳設置一排臨時拉森鋼板樁支護，單根樁長6 m，入土深度不小于0.5倍樁長，鋼板樁應重復加以利用。

2.4.2 深層軟土處理

對于軟基底部埋深大于3 m的深層軟基，主線整體拼寬路段為有效控制差異沉降、節(jié)約工期、環(huán)保及施工方便等方面綜合考慮，采用泡沫輕質(zhì)土材料填筑，分離式路基及互通匝道路基段，可采用水泥攪拌樁、CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）進行處理。

采用水泥攪拌樁或CFG樁復合地基，在施工前必須進行成樁試驗，成樁試驗應達到相應的技術(shù)參數(shù)。

3 結(jié)語

高速公路改擴建軟基處理需要根據(jù)準確統(tǒng)一的物理力學性質(zhì)指標、路基填土高度等，并且考慮軟基路段拼寬對舊路的影響，按控制標準要求，采取合適的軟基處理方案。在施工過程靈活地采用邊坡削破和臺階開挖方法，合理采用土工合成材料、路基填料、控制壓實度等，以保證施工質(zhì)量。通常地基處理方法的加固效果不是在施工結(jié)束后就能全部發(fā)揮，軟基完成處理及路基完成填筑后仍需進行監(jiān)測。

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[責任編輯：陳澤琦]