中山市某公路改擴(kuò)建項(xiàng)目軟基處理方案設(shè)計(jì)

文／陳胡琴 中鐵十一局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院 湖北武漢 430074

1、項(xiàng)目背景

目前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交通運(yùn)輸量的不斷增長(zhǎng)，舊路改擴(kuò)建已經(jīng)成為擴(kuò)大道路通行能力的常用方式之一。

坦神北路建設(shè)項(xiàng)目主要位于坦洲鎮(zhèn)境內(nèi)，現(xiàn)狀是坦洲鎮(zhèn)內(nèi)部主要的東西向干線。為解決不斷增長(zhǎng)的交通需求，適應(yīng)緩解坦神北路的交通壓力，發(fā)揮路網(wǎng)最大效率，需要進(jìn)行坦神北路改擴(kuò)建。本建設(shè)工程路線起于坦洲鎮(zhèn)，終于坦洲快線一期，以橋梁對(duì)接，全程11.045km,采用主路一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基標(biāo)準(zhǔn)寬度37.5m～43m。中山市公路改擴(kuò)建項(xiàng)目線位圖如圖1。

2、建設(shè)條件

中山市受緯度和地形影響，地處于北回歸線以南，熱帶北緣，光照充足，熱量充足，氣候溫暖。路線大致由東北向西南展布，總體地勢(shì)平坦，地面起伏較小。工程線路主要跨越?jīng)_積平原區(qū)，終點(diǎn)段為丘陵地貌區(qū)。區(qū)域水系比較發(fā)育，河網(wǎng)交錯(cuò)，附近主要有西江、坦洲排灌渠、坦洲大涌等，南側(cè)緊靠坦洲排灌渠。

根據(jù)道路設(shè)計(jì)標(biāo)高，沿線主要為低填方路基，最大填筑高度約3.30m 左右。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，道路沿線地基土主要由第四系粉質(zhì)粘土、砂層等組成。松散層中軟土全線分布，在施工和運(yùn)營(yíng)期間會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，對(duì)路基工程造成嚴(yán)重影響。

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

本項(xiàng)目路基段一般海拔約1.8m～3.0m。場(chǎng)區(qū)地層由上至下主要為①素填土、②淤泥、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土、⑤卵石、⑥全風(fēng)化凝灰?guī)r、⑦全風(fēng)化粉砂巖、⑧強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖等。

本項(xiàng)目路基段地下水較高，且全線分布多個(gè)層位的軟土。其中淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，全線分布分布范圍廣泛，厚度一般1.2～12.8m，厚度變化較大，最厚揭示20.7m。淤泥質(zhì)土具有高含水量、高敏感性、高壓縮性、大孔隙率、低抗剪強(qiáng)度和低地基承載力容許值的特點(diǎn)。且本項(xiàng)目為改擴(kuò)建工程，全段均為舊路改造，既有道路建于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過20 多年的運(yùn)營(yíng)，沉降基本穩(wěn)定。且全線有多處橋梁，新舊道路銜接處和橋路過渡段極產(chǎn)生不均勻沉降，影響公路工程尤其是路基工程的穩(wěn)定和安全。加寬路基及上跨橋臺(tái)路段地基需采用復(fù)合地基處理［2］。

軟土地基的處理要從穩(wěn)定、沉降及滿足構(gòu)造物的承載力要求等方面進(jìn)行分析。

3.1 沉降計(jì)算及工后沉降

路基總沉降沉降量S=msSC，采用分層總和法計(jì)算主固結(jié)Sc；ms為沉降修正系數(shù)，其范圍值為1.1～1.6。壓縮層計(jì)算深度控制原則為計(jì)算層底面附加應(yīng)力與有效自重應(yīng)力之比不大于0.15。如果在確定的計(jì)算深度以下有軟土層，應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于淺層的軟土段，要一直計(jì)算直到相對(duì)硬層，地基固結(jié)度應(yīng)根據(jù)太沙基固結(jié)理論進(jìn)行計(jì)算［4］。

在路面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)(15年)，路基殘余沉降為工后沉降，一般路段的工后沉降允許≤30cm；相鄰橋臺(tái)和路基，舊路寬度≤10cm，涵洞和箱涵≤20cm。過渡段沉降差小于2‰。要求現(xiàn)狀道路路基中心的總附加沉降≤3cm，路基橫坡總增加量應(yīng)≤0.5%。本項(xiàng)目要保證建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間公路新舊路基間的沉降控制在容許范圍內(nèi)。

3.2 穩(wěn)定計(jì)算

采用有效固結(jié)應(yīng)力法計(jì)算其穩(wěn)定性，同時(shí)考慮了快剪和固結(jié)指標(biāo)，穩(wěn)定安全系數(shù)取

式中Fs一一路堤穩(wěn)定系數(shù)；

bi一一第i 個(gè)土條寬度；

αi一一第i 個(gè)土條滑面的傾角；

Ci、φi一一第i 個(gè)土條滑弧所在土層的粘聚力和摩擦角，依滑弧所在的位置，取對(duì)應(yīng)的粘聚力（kPa）和內(nèi)摩擦角（°）；

mαi一一系數(shù)，按照mαi=計(jì)算；

Wi一一第i 個(gè)土條重力（kN）；

Qi一一第i 個(gè)土條垂直方向外力（kN)；

當(dāng)考慮地震影響時(shí)可適當(dāng)降低穩(wěn)定系數(shù)。

3.3 預(yù)壓高度

為了加快地基沉降，滿足工后路基沉降的要求，結(jié)合軟土的性質(zhì)和地基處理方法，復(fù)合地基段根據(jù)軟基深度和路基填筑高度采用等荷載預(yù)壓。

4、軟基處理方案設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目現(xiàn)狀側(cè)分帶等綠化帶屬于舊路主線路基范圍，現(xiàn)狀舊路通車已經(jīng)達(dá)20 多年，舊路沉降基礎(chǔ)穩(wěn)定，結(jié)合本項(xiàng)目工期、造價(jià)等影響，地基處理采用淺層換填處理，換填80cm 路床，換填材料采用碎石。

對(duì)于橋頭、涵洞、擋墻、新舊路基銜接處，工后沉降要求較高，推薦采用復(fù)合地基處理方案。根據(jù)項(xiàng)目分段、上部構(gòu)筑物特點(diǎn)，軟基處理主要分為一般加寬路基、橋路過渡段路基、施工受限加寬路基三種軟基處理區(qū)段。結(jié)合珠三角地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，擬定如下幾個(gè)方案：CFG 樁、雙向水泥攪拌樁、高壓旋噴樁。

4.1 一般加寬路基

一般加寬路基通常以雙向水泥攪拌來進(jìn)行處理。水泥與軟粘土中的水發(fā)生水介和水化反應(yīng)。由于這種反應(yīng)，軟粘土中的大量自由水被吸入結(jié)晶水中固定，形成一定強(qiáng)度的柱體，從而起到加固地基的作用。

成樁后，它將與樁間土共同承載，形成復(fù)合地基［3］。樁的承載力主要取決于樁本身的強(qiáng)度，當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到有效樁長(zhǎng)時(shí)，增加樁長(zhǎng)對(duì)提高，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和工藝特點(diǎn)，水泥攪拌樁加固深度最好在12m 以內(nèi)，對(duì)于雙向水泥攪拌樁，處理深度可適當(dāng)增加至15m，但由于施工機(jī)械及施工質(zhì)量，建議雙向水泥攪拌樁處理深度不超過15m，并且樁長(zhǎng)應(yīng)穿透淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土到達(dá)強(qiáng)度相對(duì)較高的粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉質(zhì)黏土層中0.5m 以上，避免“懸浮樁”。

設(shè)計(jì)雙向水泥攪拌樁直徑為0.5m，呈三角形排列，樁間距為1.5m，樁身為42.5R 普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.4～0.6。最佳水灰比應(yīng)根據(jù)室內(nèi)配比試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試樁和試驗(yàn)確定，樁身28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到1.0MPa。地基處理時(shí)，保證坡腳外布置1～2 雙向水泥攪拌樁。在雙向水泥攪拌樁樁頂鋪設(shè)0.3m 厚砂墊層和0.3m 厚碎石墊層，并填筑壓實(shí)，墊層寬度范圍超出最外側(cè)樁體邊沿1m，碎石墊層上下各鋪設(shè)一層鋼塑土工格柵，具體如圖2。

圖2 一般路基雙向水泥攪拌樁處理設(shè)計(jì)圖

4.2 橋路過渡段路基

CFG 樁是由碎石和適量的粉煤灰、水泥等與水混合而成，具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，起到擠密、復(fù)合地基和墊層加固的作用，樁的承載力主要取決于樁的長(zhǎng)期抗力和樁端承載力。樁的有效長(zhǎng)度不存在問題。樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，承載力越高，應(yīng)將樁打入承載層，否則高強(qiáng)度將失去其意義。結(jié)合塑料排水板處理，增設(shè)豎向排水渠道，不僅可以達(dá)到較高的承載力，而且可以有效地減少工后沉降。橋路過渡段軟基處理方案優(yōu)缺點(diǎn)如表1。

表1 橋路過渡段軟基處理方案優(yōu)缺點(diǎn)比較表

近年來，CFG 樁在廣東省得到了廣泛的應(yīng)用，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［1］。但由于國內(nèi)施工技術(shù)的局限性，當(dāng)CFG樁超過25m 時(shí)，樁身容易出現(xiàn)“縮頸”和膨脹。因此，CFG 樁的處理深度不應(yīng)超過25m。

綜上分析比較，為確保運(yùn)營(yíng)期間橋梁路基連接和結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)較大的沉降差和跳車現(xiàn)象，橋路過渡段采用CFG樁處理，處理范圍為橋頭30m 和臺(tái)前錐坡區(qū)。

CFG 設(shè)計(jì)中按照承載力要求控制樁徑、樁間距，樁徑設(shè)計(jì)采用0.5m，三角形布設(shè)，樁間距1.8m，采用0.3m 厚碎石和砂墊層填筑并夯實(shí)，墊層寬度為最外側(cè)樁體邊沿1m，碎石墊層上下各鋪設(shè)一層鋼塑土工格柵，如圖3。

圖3 橋頭CFG 樁處理設(shè)計(jì)圖

4.3 構(gòu)筑物路基

本項(xiàng)目由于緊靠居民區(qū)，局部平面施工受限采用擋墻防護(hù)，原有的地層的不能滿足擋墻的承載力和沉降要求。且涵洞和擋墻等構(gòu)筑物均對(duì)沉降要求較高，并考慮到工藝的銜接和施工的便利性，構(gòu)筑物路基采用雙向水泥攪拌樁處理，構(gòu)筑物軟基處理設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 構(gòu)筑物軟基處理設(shè)計(jì)圖

設(shè)計(jì)采用參數(shù)與一般加寬路基段保持一致，樁間距調(diào)整為1.2m，處理范圍為構(gòu)筑物基礎(chǔ)外側(cè)1.5m。

4.4 施工受限段加寬路基

本項(xiàng)目部分路段位于多條既有高速公路橋梁和既有高壓線下，施工凈空受限，一般處理方法凈空不足。本次設(shè)計(jì)既有橋梁底面距離本項(xiàng)目路面設(shè)計(jì)標(biāo)高約為7～12m。因?yàn)楦邏盒龂姌稑稒C(jī)高度較小，可以滿足安全施工的空間要求。推薦采用高壓旋噴樁處理，處理范圍為既有橋梁水平投影面外側(cè)各10m。

高壓旋噴樁樁身直徑采用0.5m，呈三角形排列，樁間距1.5m，采用42.5R 普通硅酸鹽水泥，漿液為純水泥漿，采用0.8～1.2 水灰。最佳水灰比應(yīng)根據(jù)室內(nèi)配比試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試樁確定，樁身28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到1.5MPa。地基處理時(shí)，保證坡腳外布置1～2 雙向水泥攪拌樁。

5、監(jiān)測(cè)

建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，施工中應(yīng)采取系統(tǒng)的施工安全防護(hù)措施，同時(shí)施工期間及施工后，進(jìn)行既有道路測(cè)斜、新建路基孔隙水壓力和分層沉降等監(jiān)測(cè)，建立變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，做到動(dòng)態(tài)管理，信息化施工。

結(jié)語：

以上三種方式的軟基處理方式有效解決了坦神北路改擴(kuò)建項(xiàng)目的沉降控制和路堤穩(wěn)定性的難題，有效解決了臨近既有線的改擴(kuò)建工程軟基處理的難題，有利于完善交通網(wǎng)絡(luò)，取得了良好的工程經(jīng)濟(jì)效益，也創(chuàng)造了不錯(cuò)的社會(huì)效益。