高速公路高填方濕陷性黃土路基拓寬不均勻沉降處治技術(shù)研究

陳莉（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津300350）

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高速公路高填方濕陷性黃土路基拓寬不均勻沉降處治技術(shù)研究

陳莉
（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津300350）

[摘要]本文將我國(guó)某地區(qū)的某高速公路其中一段路段作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)對(duì)它的研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了在高填方淺層濕陷性黃土路基拓展工程中所出現(xiàn)的不均勻沉降現(xiàn)象，并闡述了應(yīng)對(duì)該現(xiàn)象的兩種處治技術(shù)——砂樁法與預(yù)壓法。

[關(guān)鍵詞]高填方淺層濕陷性黃土；高速公路；路基拓寬工程；不均勻沉降

高速公路拓寬工程目前十分常見(jiàn)，但是在此工程中很容易由于重整新老地基而出現(xiàn)道路橫坡比變化、新老路基結(jié)合處滑移、路面結(jié)構(gòu)破損或者新老路堤結(jié)合不良等嚴(yán)重病害，而新老路基的差異性沉降就是這些病害產(chǎn)生的根本原因。

一、工程概況

1.路基拓寬項(xiàng)目基本工程概況

該公路是某省高速公路的西段，是省內(nèi)高速公路網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。2006年，該高速公路作為跨省域交通基礎(chǔ)的建設(shè)規(guī)劃項(xiàng)目而開(kāi)工，線路全長(zhǎng)200.50km，行車速度為100km/h，路基寬度為26m，在該省及周邊省份的高速公路網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。

2015年，該高速公路A路段將實(shí)施舊路改造加寬工程，因此，在此次工程中，A路段將充分利用到原一級(jí)公路所采用的線位，為A路段兩側(cè)加寬翻新。

2.地貌條件

該公路A路段所在周邊地區(qū)的地貌主要以侵蝕中山為主，其海拔在800～1400m以上，由于山峰高程超過(guò)2000m，所以某些路段存在35°～50°左右的谷坡坡度，山勢(shì)較為陡峭。該路段地貌的一大特色就是其土質(zhì)均為山坡積土，而且以黃土類粉質(zhì)亞砂土為主要成分，局部路段則主要以河溝洪積沖積層砂礫為主，所以該路段的地基具有濕陷性黃土屬性。

另外，它的水文地質(zhì)情況較為簡(jiǎn)單，整個(gè)工程沿線的地下水賦存與分布較為豐富廣泛，主要受到地質(zhì)地貌構(gòu)造、巖性、氣候與古地貌條件所控制。而且依據(jù)其地下水的賦存方式與水力學(xué)特征來(lái)看，該區(qū)域的水文地質(zhì)狀況主要包含了基巖裂隙水與松散沉積物孔隙水兩種類型，且水位埋深都在1.5～3.5m范圍內(nèi)。

3.氣候條件

該公路所處地區(qū)冬季寒冷，極端最低氣溫可達(dá)- 31.5℃。十月末段就開(kāi)始降雪，到第二年四月才完全解凍，所以該地區(qū)的黃土地質(zhì)也呈現(xiàn)獨(dú)特的非自重濕性屬性。再者，豐富且較高的地下水水位與冬季的超低氣溫也為公路路基的拓寬工程帶來(lái)困擾，必須對(duì)它進(jìn)行快速處理，才能避免由于表層黃土濕陷性沉降和地基土凍脹效應(yīng)所帶來(lái)的新老路基差異性沉降。

二、新老路基差異沉降實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)路段概述

實(shí)施該高速公路A路段的新老路基差異沉降實(shí)驗(yàn)，目的就在于探究解決這種沉降的處理方案。本實(shí)驗(yàn)基于該高速公路的9個(gè)路段開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，本文就截取了A路段中的某一段進(jìn)行分析，樁號(hào)分別是K50+500～600以及K50+600～700，均要實(shí)施雙側(cè)拓寬，且填方高度在6.5m。兩路段都是典型的濕陷性黃土淺層，濕陷屬性等級(jí)I級(jí)，屬于輕微濕陷性黃土路基結(jié)構(gòu)。

2.數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

首先，在填土前要按照測(cè)試初始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。其次，每填一層土都要實(shí)施連續(xù)3天的監(jiān)測(cè)，如此監(jiān)測(cè)3次共9天。再次每隔一周監(jiān)測(cè)一次，持續(xù)3次。最后，每隔一月監(jiān)測(cè)一次，持續(xù)監(jiān)測(cè)3次。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，由于是針對(duì)濕陷性淺層黃土的路基拓寬項(xiàng)目，所以選擇了可處理500cm深度、樁徑在40cm左右的砂樁三角布樁方法，保持樁間距離在1.2～1.5m左右；另外還選擇了預(yù)壓法，即在對(duì)路基拓寬施工后的填筑完成之后在新老路堤的結(jié)合處進(jìn)行預(yù)壓，一般預(yù)壓高度都在3.5～4m左右。

三、基于砂樁法的高填方濕陷性黃土路基拓寬不均勻沉降處治技術(shù)

本文對(duì)該高速公路A路段的路基拓寬工程選擇了砂樁法與預(yù)壓法兩種方法來(lái)解決不均勻沉降問(wèn)題。其中，應(yīng)用砂樁法的路段為K50+500～600段，所采用砂樁直徑為40cm，它從原地面起建設(shè)，樁長(zhǎng)為5m，樁間距保持在120cm，采用了梅花布樁方式。該路段的施工從路基外側(cè)逐漸向舊路方向延伸，并采用了級(jí)配粒徑為＜10cm的砂礫。如圖1：

圖1 K50+500～600段砂樁法施工工程示意圖

1.擠密砂樁的施工

本文采用了砂樁法中的擠密砂樁對(duì)K50+500～600段進(jìn)行施工。擠密砂樁在成樁過(guò)程中會(huì)通過(guò)樁管對(duì)周圍的土層產(chǎn)生較大的橫向壓力，這種壓力擠壓了樁管周圍砂土與粉土層之間的孔隙比，讓土層的密實(shí)度有所增大，這樣就可以一定程度上降低黃土的濕陷效應(yīng)。同時(shí)，在成樁后要進(jìn)行排水減壓工序。該路段地下水較為豐富，要在土體中建立有效的排水通道，保證控制填土過(guò)程中的超凈水壓力不超出范圍而導(dǎo)致對(duì)地基固結(jié)沉降的加速。另外，砂樁周圍土層密實(shí)度的增加也取代了原有的不良地基土，形成了結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的復(fù)合型地基，提高了地基的承載力，也降低了地基沉降的可能性。

基于上述條件，砂樁法在此處設(shè)置了兩個(gè)觀測(cè)斷面，它們分別在K50+500（主觀測(cè)斷面）與K50+550（輔助測(cè)斷面）兩段。在砂樁施工完畢后，對(duì)砂樁強(qiáng)度采取了靜力觸探法來(lái)實(shí)施檢測(cè)，設(shè)置6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)驗(yàn)結(jié)果，最高強(qiáng)度為255kPa，最低強(qiáng)度為190kPa，平均強(qiáng)度保持在235kPa。

2.對(duì)沉降變形的結(jié)果分析

基于原位測(cè)試的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，K50+500段的新老路肩在不同程度上出現(xiàn)了沉降伴隨填土高度、沉降深度以及沉降時(shí)間而變化的曲線狀態(tài)。這里假設(shè)深度為20m處的地基土層是不沉降的，就可以采用管底標(biāo)高方法對(duì)磁環(huán)標(biāo)高展開(kāi)推算。該計(jì)算方法對(duì)20m以下土層的沉降情況不予考慮。同時(shí)，對(duì)K50+550段的老路肩深層沉降管進(jìn)行修復(fù)。因?yàn)樵摱蔚某两倒艹霈F(xiàn)了堵塞現(xiàn)象，只能檢測(cè)到地下5～8m左右，所以這里假定6m處為不動(dòng)沉降基準(zhǔn)點(diǎn)，就可以計(jì)算出地基沉降與實(shí)際沉降的沉降值是不符的，因而所測(cè)得的沉降量就出現(xiàn)偏小的現(xiàn)象。

在對(duì)K50+500斷面進(jìn)行高填方填土過(guò)程中，隨著填土高度與時(shí)間的不斷增加，地基的沉降也會(huì)隨之加大，直到填土完畢以后，沉降才可能趨于穩(wěn)定。但通常情況下，要等填土、沉降測(cè)試完畢約20天左右，沉降才能達(dá)到完全穩(wěn)定狀態(tài)。另外據(jù)觀測(cè)，在K50+500段，其新路肩的最大沉降量大概在45mm左右，但它在15m處依然伴有較大沉降，這說(shuō)明在20m以下的距離依然有沉降發(fā)生。所以根據(jù)分析可以得知，如果20m以下的沉降量不能穩(wěn)定，就證明其實(shí)際的沉降量一定會(huì)大于45mm。另一方面也對(duì)老路肩的沉降量進(jìn)行了測(cè)試，其最大沉降量為21mm，可見(jiàn)新老路肩之間的沉降差異已經(jīng)超過(guò)20mm，這一結(jié)果顯然不符合現(xiàn)實(shí)狀況。經(jīng)查明，是由于后期路堤填土所產(chǎn)生的沉降未被記錄。如上文所提到，K50+550段的老路肩深層沉降管出現(xiàn)了堵塞現(xiàn)象，所以只能記錄到6m深度范圍的沉降效果。在對(duì)6m深度進(jìn)行了老路肩的沉降量測(cè)試發(fā)現(xiàn)，沉降量達(dá)到25mm，這說(shuō)明老路肩的沉降量應(yīng)該超過(guò)25mm。

綜合以上兩方面考量可得出結(jié)論，K50+500～600段的新路肩沉降＞45mm，老路肩沉降＞25mm。

3.基于孔隙水壓力的沉降結(jié)果分析

由于地下水活躍，所以K50+500與K50+550兩斷面都出現(xiàn)了不同時(shí)間段的孔隙水壓力隨填土荷載所發(fā)生的變化曲線。但是也發(fā)現(xiàn)，孔隙水壓隨填土荷載所發(fā)生的變化關(guān)系規(guī)律性并不強(qiáng)，這是因?yàn)閷?duì)砂樁加載完畢后孔隙水壓力也逐漸消散的緣故，也說(shuō)明了該土層中的土體快速完成了排水固結(jié)。這一效應(yīng)也延緩了路基土層的沉降速率，并在孔隙水壓力完全消失之后，沉降也趨于穩(wěn)定。

四、基于預(yù)壓法的高填方濕陷性黃土路基拓寬不均勻沉降處治技術(shù)

1.超載預(yù)壓處理

K50+600～700段采用的不均勻沉降處治技術(shù)是超載預(yù)壓處理拓寬部分地基。根據(jù)施工要求，要在路基填筑結(jié)束后對(duì)新老路基的結(jié)合處進(jìn)行超載預(yù)壓，其預(yù)壓高度保持在3.5～4m左右，預(yù)壓時(shí)間則設(shè)置為100天。由于在長(zhǎng)期的預(yù)壓作用下，濕陷性黃土土層會(huì)出現(xiàn)孔隙率降低且濕陷效應(yīng)改善的結(jié)果，所以該段地基也可以在超載預(yù)壓的作用下實(shí)現(xiàn)提前固結(jié)，明顯減小施工后新老路基之間的差異沉降現(xiàn)象。本工程中依然為K50+600～700段設(shè)置兩個(gè)斷面，即K50+600輔助觀測(cè)斷面以及K50+650主觀觀測(cè)斷面。

2.施工后對(duì)沉降變形結(jié)果的分析

在施工以后對(duì)K50+600與K50+650兩預(yù)壓段斷面進(jìn)行地基分層沉降的荷載測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隨著沉降荷載與實(shí)踐的變化，其沉降曲線也會(huì)隨之變化。另外，地基分層沉降也會(huì)跟隨所沉降的深度而出現(xiàn)曲線變化。

較為重要的一點(diǎn)是，基于預(yù)壓法路基預(yù)壓段沉降明顯比砂樁法處理后的路基土層沉降更大，所以基于預(yù)壓法下的沉降穩(wěn)定時(shí)間要比砂樁法處理過(guò)的路基土層沉降穩(wěn)定時(shí)間更長(zhǎng)，需要約60天時(shí)間才能趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.路基水平位移結(jié)果的分析

對(duì)K50+600～700段路基進(jìn)行了水平位移隨深度變化曲線的分析發(fā)現(xiàn)，在對(duì)路基拓寬的路堤填土過(guò)程中，拓寬路基部分的整體位移量不會(huì)太大，最大側(cè)向位移也不會(huì)超過(guò)2mm。如果所施加的預(yù)應(yīng)壓力超載，則其側(cè)向位移可能會(huì)增加到7～10mm左右，但是在超載作用下，路基的沉降變化曲線依然會(huì)保持在穩(wěn)定狀態(tài)，這就說(shuō)明K50+600～700的路基是相對(duì)較為穩(wěn)定的，它發(fā)生路基失穩(wěn)而被破壞的可能性很小。

本文簡(jiǎn)要對(duì)該公路A路段的K50+500～600與K50+600～700段高填方濕陷性黃土路基應(yīng)用了砂樁法與預(yù)壓法兩種路基拓寬不均勻沉降處理方法。在實(shí)驗(yàn)與方法實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，砂樁法在處理地基沉降方面的效果明顯優(yōu)于預(yù)壓法，這說(shuō)明砂樁法對(duì)于增加路基的抗剪切強(qiáng)度，抑制橫向及側(cè)向位移壓力是更為有利的。再者，砂樁法的砂樁擠密施工可以快速增加土層的密實(shí)度，加大路基的承載力，這也是預(yù)壓法所不具備的。所以考慮到高速公路的嚴(yán)格工期要求，砂樁法應(yīng)該更符合高速公路拓寬工程實(shí)際需要。

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[中圖分類號(hào)]TU

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1673- 0046（2016）1- 0148- 03