高速公路軟土路基處理研究

趙小華

(江西贛基集團(tuán)工程有限公司，江西 九江 332000)

1 工程概況及路基加固

自從該高速公路開(kāi)通以來(lái)已經(jīng)過(guò)去九年多，交通量一直保持高速增長(zhǎng)，由最初的7 235輛/晝夜一直攀升到59 327輛/晝夜，現(xiàn)有的車(chē)道數(shù)量已不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的交通需求，經(jīng)過(guò)研究決定需將該高速公路擴(kuò)建為雙向六車(chē)道。

該條高速公路大部分土層屬于沖擊土層，主要存在以下三種類(lèi)型的土層：(1)三角洲相沉積地砂土，土層厚度約為1.0～8.1 m；(2)河流階地沖積砂土，土層厚度約為1.2～6.23 m；(3)山間河谷型淤泥，土層厚度約為2.1～3.9 m。該條高速公路軟土路基分布在K0+600～K13+290段，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)調(diào)查，沿線(xiàn)軟土路基51處，合計(jì)4 326 m。其中9處930 m軟基采用砂墊層的方式進(jìn)行處理；42處3 396 m軟基采用袋裝砂井加砂墊層的方式進(jìn)行處理，砂井間距1.2～1.6 m，砂井直徑8 cm，按梅花型進(jìn)行布置。自該高速公路開(kāi)通以來(lái)已經(jīng)過(guò)去九年多，按理論方法進(jìn)行計(jì)算，地基的固結(jié)度基本達(dá)到最大值，所以可以判斷老路基不含部分次固結(jié)的沉降已經(jīng)結(jié)束。從表1中可以看出，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的交通荷載作用后，老路基下方軟土路基各項(xiàng)指標(biāo)都有一定程度的提高，特別是抗剪強(qiáng)度增加顯著。K0+600～K7+800段內(nèi)的壓縮模量平均值增長(zhǎng)了0.485 MPa。

表1 軟土主要物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)照表

2 軟基處理

高速公路沿線(xiàn)軟土路基自通車(chē)以來(lái)已經(jīng)過(guò)去九年多，沉降已經(jīng)達(dá)到160 mm。在該高速公路沿線(xiàn)邊坡上進(jìn)行拓寬擴(kuò)建時(shí)，極重的交通荷載及新增土方的壓力一定會(huì)導(dǎo)致舊路基的沉降量繼續(xù)增大、新舊路基沉降量的巨大差異必然會(huì)導(dǎo)致銜接出現(xiàn)問(wèn)題及舊路基變形。在嚴(yán)重的情況下，甚至發(fā)生路基下沉速度過(guò)快、新舊路基出現(xiàn)拉裂破壞等嚴(yán)重病害，給該條交通量極大的高速公路的交通安全帶來(lái)不可預(yù)測(cè)的嚴(yán)重危害。另一個(gè)特別需要關(guān)注的問(wèn)題是如何確保兩路基之間較好的連接，圖1是該高速公路拓寬軟土路基受力詳細(xì)圖。從圖1上可以看出，A點(diǎn)的下方是最危險(xiǎn)的位置，該高速公路的最大填土厚度是3.75 m。

圖1 加寬軟土路基受力圖

經(jīng)過(guò)初步研究討論決定使用袋裝砂井及砂墊層的方式進(jìn)行軟土地基處治，砂井直徑為8 cm，砂井間距1.2 m，地基的穩(wěn)定性計(jì)算使用有效固結(jié)應(yīng)力法計(jì)算完符合相關(guān)規(guī)范要求，如圖2所示。軟土路基經(jīng)過(guò)6個(gè)月的排水固結(jié)后，路基施工完成后的沉降量小于10 cm。但是，因?yàn)樵摋l高速公路的拓寬擴(kuò)建工程施工場(chǎng)地緊湊、施工時(shí)間緊張并且還要開(kāi)放交通等多種原因，經(jīng)過(guò)研究后決定使用施工完成后沉降量較小、效率更高的水泥粉噴樁進(jìn)行軟土路基處治，最終放棄采用施工周期較長(zhǎng)的排水固結(jié)法處治軟土路基。

圖2 軟土路基橫斷面

2.1 粉噴樁的設(shè)計(jì)

(1)水泥的摻入比

通過(guò)在高速公路拓寬擴(kuò)建施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)土體進(jìn)行采樣，然后再進(jìn)行室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)。各種齡期的水泥土試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如下所示：通過(guò)室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，軟土和水泥的密度極其相似，水泥土的密度伴隨著水泥摻入比的提高而會(huì)出現(xiàn)小幅度的增大。當(dāng)水泥摻入比在14%～21%范圍內(nèi)時(shí)，比重提高0.2倍左右，含水量相較于天然軟土減少約0.3倍左右，其壓縮模量和抗剪強(qiáng)度增加明顯。隨著水泥摻入比的提高，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之提高。特別是比例為12%～16%范圍內(nèi)時(shí)，強(qiáng)度提高速度最迅速。因此，較為合適的水泥土摻入比例在12%～16%之間。經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算后，決定采用50 cm直徑的粉噴樁處治軟土路基，使用425#早強(qiáng)水泥，摻入比為14%(誤差要求小于1 kg)。

(2)承載力

高速公路拓寬擴(kuò)建施工粉噴樁的質(zhì)量可以通過(guò)以下方式進(jìn)行測(cè)試：①隨機(jī)選擇3～5處進(jìn)行30 d的載荷試驗(yàn)，如果處理后的地基強(qiáng)度≥100 KPa，單樁的承載力>10 t，即符合相關(guān)規(guī)范要求。②N10輕型觸探(深度范圍4～5 m)，取總樁數(shù)的2%進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)樁身1 d的擊數(shù)N10>15或者7 d的擊數(shù)N10>40即為合格；③采用隨機(jī)選擇的方式對(duì)0.2%根樁身鉆取芯樣，然后檢測(cè)樁身的抗壓強(qiáng)度。

(3)沉降量

粉噴樁復(fù)合地基的沉降量由以下兩個(gè)部分組成：地基的壓縮變形S1和樁端下未處理土的壓縮變形量S2。

S1=P0+P0zL(2Eps)

式中：P0、P0z分別表示群樁體底面處平均壓力和附加應(yīng)力；L表示實(shí)際樁長(zhǎng)；Eps表示復(fù)合地基壓縮模量。樁端下未處理土的壓縮變形S2可根據(jù)分層總和法求得。

2.2 新老路基銜接

為了確保新舊路基在拓寬擴(kuò)建施工過(guò)程中及恢復(fù)交通后的穩(wěn)定性，并且解決擴(kuò)建施工完成后路面的沉降問(wèn)題，考慮到有效解決這兩大問(wèn)題，決定采用下列措施。

(1)在進(jìn)行粉噴樁施工前，由于路基高度存在差異，需要預(yù)先在邊坡填上1.4～2.1 m土方。第一，可以在拓寬擴(kuò)建路基下進(jìn)行粉噴樁施工，降低新建路基的沉降量；第二，可以增加施工期間土體的穩(wěn)定性；第三，可以作為處理軟土路基的施工場(chǎng)所。

(2)設(shè)置粉噴樁的范圍。在擴(kuò)建路面下方布置樁體，實(shí)現(xiàn)消除兩路基間不均勻沉降并降低擴(kuò)建路面的沉降量，根據(jù)路基的實(shí)際填土高度進(jìn)行適當(dāng)?shù)南髌绿幚?，且需要符合保持穩(wěn)定方面的要求。粉噴樁必須貫穿淤泥進(jìn)入持力層60 cm。

(3)為了在一定程度上減少工程量，梅花樁變樁距進(jìn)行設(shè)置，擴(kuò)寬路面的下方按照較密集的梅花形進(jìn)行設(shè)置，這樣的作法可以阻止淤泥從側(cè)邊排出，達(dá)到降低路基總沉降量的目的，舊路基下方選擇疏間距設(shè)置樁位，可以在一定程度上減少工程量。

(4)為了盡可能減少兩路基之間的不均勻沉降并維持路基的穩(wěn)定，讓?xiě)?yīng)力傳遞更加均勻，決定使用土工格柵加土工布的辦法。其中，土工布在格柵的上方，中間進(jìn)行填砂處理，兩層之間的距離為50 cm，土工布可以讓?xiě)?yīng)力分布更加均勻，達(dá)到與鋼筋網(wǎng)相似的效果。

(5)考慮到該地區(qū)是多雨區(qū)域，且路基大多選用砂性土進(jìn)行填筑，所以挖掘舊路基邊坡后必須阻斷路面水尤其在超高段的位置，阻止雨水對(duì)該高速公路邊坡進(jìn)行沖刷，快速?gòu)默F(xiàn)場(chǎng)清除路面積水。對(duì)軟土路基進(jìn)行施工時(shí)，必須阻斷外來(lái)水并且禁止硬路肩上的車(chē)輛通行，從而保證路基的安全穩(wěn)定性。

2.3 軟土路基處理效果分析

根據(jù)相關(guān)檢測(cè)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)粉噴樁處理后地基改善效果明顯。水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度一般為400～4 000 KPa；在淤泥質(zhì)粘土層中的其強(qiáng)度達(dá)到2 450～3 850 KPa；對(duì)于承載力較低的天然土層加固后實(shí)測(cè)地基承載力可達(dá)170～250 KPa。

與新線(xiàn)軟土路基處治設(shè)計(jì)相比，高速公路拓寬擴(kuò)建對(duì)路基的穩(wěn)定性、施工完成后路基的沉降量要求更加嚴(yán)格，經(jīng)過(guò)粉噴樁處理后能有效解決兩路基間差異沉降及銜接的問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某高速公路拓寬擴(kuò)建工程中的軟土路基進(jìn)行處理，總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

(1)拓寬工程的填土最高點(diǎn)位于新路基邊緣，極大的概率出現(xiàn)在老路基的邊坡上方。軟土路基處理范圍最好包括拓寬路面下方，實(shí)現(xiàn)消除兩路基間不均勻沉降并降低擴(kuò)建路面的沉降量，根據(jù)路基的實(shí)際填土高度進(jìn)行適當(dāng)?shù)南髌绿幚?，且需要符合保持穩(wěn)定方面的要求。

(2)拓寬路面施工完成后路基的沉降量小于10 cm，復(fù)合地基的承載力需要達(dá)到大于110 KPa的要求，故粉噴樁處理后地基改善效果明顯。

(3)路面拓寬施工期間需要考慮排水等方面的問(wèn)題，防止雨水淤積在邊坡里，導(dǎo)致舊路基的破壞。