高速公路軟基處理的沉降分析

梁 建 全

1 工程概況

廣東某高速公路13合同段為軟基處理路段，軟基處理長度約5 000 m。該路段地處榕江沖積平原，廣泛分布有淤泥，淤泥層厚3 m～18 m。淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)很差，平均天然含水量91%，孔隙比2.51，屬高壓縮性、低強(qiáng)度和低滲透性超軟弱粘土。在填土和道路荷載作用下，淤泥層會發(fā)生很大的沉降變形并將延續(xù)很長時(shí)間，對道路的正常使用產(chǎn)生不良影響。因此，必須對道路范圍的軟土層進(jìn)行處理。

本路段的軟基處理設(shè)計(jì)主要采用袋裝砂井排水固結(jié)堆載預(yù)壓方法，砂井間距0.9 m～1.5 m，正三角形布置，要求打穿軟土層進(jìn)入下臥砂層或亞粘土層。堆填方式一般為等載預(yù)壓，局部軟土層厚的路段為超載預(yù)壓。本路段于三月份基本完成袋裝砂井施工，目前路基填土已填筑了2 m～3 m，部分路段已接近設(shè)計(jì)標(biāo)高。

工后沉降是控制軟土地區(qū)高速公路質(zhì)量的重要指標(biāo)。本路段淤泥層較厚，性質(zhì)極差，路基的沉降和工后沉降都會較大，因此有必要提出，根據(jù)最新補(bǔ)勘的地質(zhì)資料和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，對本路段的軟基工況條件進(jìn)行細(xì)致的研究分析。

2 分析理論

2.1 工后沉降

永久荷載下，軟基的總沉降為瞬時(shí)沉降Sd、固結(jié)沉降Sc和次固結(jié)沉降Sa之和：

S=Sd+Sc+Sα

(1)

在填筑及預(yù)壓期間完成的沉降為：

S=Sd+St

(2)

其中，St為卸除預(yù)壓填土荷載時(shí)，軟基已完成的固結(jié)沉降(下稱完成沉降)。由此，路基的工后沉降Sh為：

Sh=(Sc-St)+Sα

(3)

根據(jù)粘土的變形特性，當(dāng)完成沉降St大于固結(jié)沉降Sc時(shí)，路基的工后沉降等于次固結(jié)沉降：Sh=Sa。

2.2 次固結(jié)沉降

軟土的次固結(jié)沉降為：

(4)

其中，C為次固結(jié)系數(shù)；H0為軟土層厚；e0為初始孔隙比；t0為主固結(jié)基本完成所需時(shí)間，約1年；t為道路設(shè)計(jì)使用壽命，取30年。

參照深圳軟土的研究成果和其他研究成果，軟土的次固結(jié)系數(shù)可根據(jù)壓縮指數(shù)估算：

Cα=0.02Cc

(5)

2.3 幾點(diǎn)說明

1)為簡化起見，本報(bào)告的固結(jié)與沉降計(jì)算采用相關(guān)的一維理論。路基是平面應(yīng)變課題，用一維理論分析二維的平面問題會有一定誤差。這些誤差主要表現(xiàn)在瞬時(shí)沉降和固結(jié)速率上。瞬時(shí)沉降是在填土加載的初期主要因剪切變形而產(chǎn)生，路堤的瞬時(shí)沉降要比一維的瞬時(shí)沉降大。因瞬時(shí)沉降不影響工后沉降，其誤差不會影響工后沉降的分析結(jié)果。用一維固結(jié)理論計(jì)算得到的固結(jié)速率比路堤的慢些，得到的結(jié)果是偏于保守的。

2)進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí)，沒有考慮地面荷載在軟土層中的擴(kuò)散作用。這樣做的原因有：

a.路堤較寬，頂部有26 m、底部40 m～50 m，而淤泥層并不厚，大多在7 m～8 m，故在道路中心帶范圍內(nèi)淤泥層的荷載擴(kuò)散是不大的。

b.不考慮荷載擴(kuò)散計(jì)算得到的沉降量偏大，即結(jié)果是偏于保守的。

3)已考慮因地面下沉增加填土所產(chǎn)生的荷載。

4)僅考慮淤泥和淤泥質(zhì)土的沉降和固結(jié)計(jì)算，其他土層的固結(jié)沉降對路基的工后沉降影響不大，未做考慮。

5)參照汕芬高速軟基實(shí)測結(jié)果，軟土的固結(jié)沉降為理論計(jì)算值乘上系數(shù)1.1。

3 容許工后沉降與等載預(yù)壓

根據(jù)規(guī)范要求，橋頭路段的容許工后沉降為100 mm、箱涵路段為200 mm、一般路段為300 mm。等載對應(yīng)的填土高度除了考慮路堤設(shè)計(jì)高度，還要考慮路面結(jié)構(gòu)層與填土的容重之差。路面結(jié)構(gòu)層和堆載填土的容重分別按24 kN/m3和18 kN/m3計(jì)，60 cm路面結(jié)構(gòu)層對應(yīng)的填土高度為80 cm。

4 工況條件與計(jì)算參數(shù)

4.1 計(jì)算參數(shù)

淤泥：e=2.37,r=15.0 kN/m3,Cc=0.89,基本處于正常固結(jié)狀態(tài)，Cv=Ch=4×10-4cm2/s。

淤泥質(zhì)土：e=1.32,r=17.0 kN/m3,Cc=0.50,Cv=Ch=7.5×10-4cm2/s。

亞粘土：e=1.254,r=16.6 kN/m3,av=0.819。

填土：r=18.0 kN/m3。

路面結(jié)構(gòu)層：H=0.6 m，r=24.0 kN/m3。

地下水位：原地面標(biāo)高下0 m～0.5 m。

淤泥層和淤泥質(zhì)土層厚根據(jù)相應(yīng)的鉆孔資料確定。

淤泥次固結(jié)系數(shù)：參照深圳淤泥研究結(jié)果，取C=0.017。

4.2 工況條件

本合同段下臥軟基可分為兩種情況：

1)亞粘土層(0.5 m～2.5 m)+淤泥層(3 m～10 m)+亞粘土或礫砂層；2)亞粘土層(0.5 m～2.5 m)+淤泥層(3 m～10 m)+亞粘土或礫砂層+淤泥質(zhì)粘土(2 m～7 m)。

采用袋裝砂井處理上述軟基，砂井成正三角形布置，砂井間距0.9 m～1.4 m。砂井均要求打穿淤泥層或淤泥質(zhì)土層。工作砂墊層0.5 m，打設(shè)砂井后再鋪填0.8 m滲透性良好的砂性土。路基土設(shè)計(jì)填筑高度3.7 m～7.4 m。根據(jù)填土厚度和軟土厚度，設(shè)置有1層～3層土工格柵。

路基土填筑時(shí)間3個(gè)月～5個(gè)月，當(dāng)量時(shí)間以45 d計(jì)。滿載預(yù)壓時(shí)間8個(gè)月～12個(gè)月。

5 分析結(jié)果

典型路段的工后沉降分析結(jié)果匯總于表1，榕江北河大橋南橋臺路段的工后沉降達(dá)21.2 cm，超出規(guī)范10 cm的要求，其他橋頭路段基本滿足規(guī)范要求。其他路段則有K3+750～K4+100和K7+120～K7+446兩段的工后沉降較大，分別為26.5 cm和38.4 cm，超出20 cm的規(guī)范要求。

表1 典型路段軟基工后沉降分析結(jié)果匯總表

對照不同砂井間距的分析結(jié)果可知，砂井間距對軟基的固結(jié)沉降速率影響很大。對于1.4 m的砂井間距，經(jīng)200多天預(yù)壓后的固結(jié)度也只有82.7%，而0.9 m間距的路段在填筑結(jié)束時(shí)的固結(jié)度已有60%，預(yù)壓結(jié)束時(shí)則達(dá)98%以上。采用0.9 m～1.0 m間距的路段，工后沉降可滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)要求。

對工后沉降不滿足規(guī)范要求的三個(gè)路段K3+750～K4+100,K7+060～K7+120和K7+120～K7+446，若增加適當(dāng)預(yù)壓土，其工后沉降也可滿足相關(guān)要求，見表2。對路段K7+120～K7+446，如果滿載預(yù)壓時(shí)間可延長至11個(gè)月，則只需超填1 m預(yù)壓土即可。

表2 超載分析結(jié)果表

6 建議預(yù)壓方案

6.1 控制工后沉降的方法

在相關(guān)工況條件下，固結(jié)沉降Sc和次固結(jié)沉降Sa為常數(shù)。式(3)表明，要減少路基的工后沉降，需要設(shè)法提高在施工預(yù)壓期間發(fā)生的沉降St。提高St可通過調(diào)整袋裝砂井間距、增加預(yù)壓土高度和延長預(yù)壓土作用時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。對于本路段，砂井已施工，工期也已確定，唯一可以改變的是預(yù)壓土高度。因此，只能通過增加預(yù)壓荷載來減少工后沉降。

6.2 建議預(yù)壓方案

根據(jù)上面預(yù)壓荷載確定原則及沉降分析結(jié)果，需要比原設(shè)計(jì)增加超載量的主要有三段：K3+750～K4+092，K7+060～K7+120，K7+120～K7+446，增加填土高度分別為0.5 m,0.7 m和1.0 m。有幾個(gè)橋臺段也建議增加0.5 m。

部分路段如K7+120～K7+446，增加超載后可能會有穩(wěn)定問題，需要采用增設(shè)土工格柵等加強(qiáng)穩(wěn)定措施，以保證路堤的施工穩(wěn)定安全。

7 結(jié)語

工程實(shí)踐證明，排水體堆載預(yù)壓處理軟弱地基具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和推廣，特別是在近十年來，它被廣泛應(yīng)用，并且它也是在眾多的軟基處理方法中，具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文通過結(jié)合地區(qū)項(xiàng)目對該處理方案進(jìn)行分析，為今后軟基處理分析提供借鑒。

[1] JGJ 79—2002,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 葉書麟.地基處理工程實(shí)例應(yīng)用手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[3] 曾國熙.地基處理手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.