高速公路軟弱土路基廣義換填處理技術(shù)研究

李世博

（徐州市公路工程總公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升，公路建設(shè)過程中的環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展等理念越來(lái)越深入人心，如何在保證公路建設(shè)安全的同時(shí)降低建設(shè)成本、減少環(huán)境污染，成為工程建設(shè)的重中之重。與傳統(tǒng)的軟基處理技術(shù)相比，廣義換填技術(shù)具有換填材料來(lái)源廣、影響范圍深、施工成本低、換填工期短等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于公路軟弱路基處理工程中。

本文以京滬高速為工程背景，在傳統(tǒng)換填處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段試驗(yàn)，對(duì)廣義換填處理技術(shù)在實(shí)際施工過程中的可行性進(jìn)行了論證，為相關(guān)工程提供一定的參考。

1 工程概況

京滬高速是一條重要的旅游通道，公路全線軟弱路基段分布較多，共24段，全長(zhǎng)累計(jì)5.78km，占全線長(zhǎng)度的10%左右。其中軟土層主要分布在溝谷、山間洼地及盆地走廊帶等，公路全線以丘陵山地為主，局部有淺層軟土賦存。軟土分布較淺，以淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土為主，多呈帶狀或點(diǎn)狀分布，埋深多不超過3m，但較深處可達(dá)到15m左右，厚度3～7m，具體物理性質(zhì)如表1所示。

表1 軟土物理力學(xué)特性指標(biāo)

2 廣義換填處理技術(shù)

廣義換填處理技術(shù)是以傳統(tǒng)換填技術(shù)為基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)上與規(guī)范更一致、在施工操作上與習(xí)慣更相符的一種公路軟弱地基處理方法，常見的手段有清除填筑、換填+擠淤等。

2.1 廣義換填方法形式

考慮到公路路基周邊的地形地貌及軟弱土的存在形式與類型等因素，廣義換填處理手段主要有清除填筑、換填+擠淤及整體換填等方式。

2.1.1 清除填筑

清除填筑對(duì)于軟弱層厚度在0.5～3.0m之間，且下臥層為砂性粉土或強(qiáng)風(fēng)化巖，路基兩側(cè)不存在如魚塘、農(nóng)田或人工形成的軟弱土層等約束條件的軟弱地基，處理效果較好。軟弱層的土性為非沉積性軟弱土，存在形式為零星狀或者條形狀都具有良好的處理效率，清除表面軟弱土層后即可利用換填材料進(jìn)行填筑，具體施工流程為：

（1）利用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量放樣，確定換填范圍；

（2）選擇合理位置開挖排水溝，清干現(xiàn)場(chǎng)地表水；

（3）開挖軟弱土層，將開挖后的軟弱土棄至指定棄土場(chǎng)；

（4）開挖到指定位置后，對(duì)基地承載力進(jìn)行檢測(cè)，滿足承載力要求后，分層回填換填材料（強(qiáng)風(fēng)化土即可），并碾壓至設(shè)計(jì)標(biāo)高；

（5）質(zhì)量檢驗(yàn)。

2.1.2 整體換填

整體換填的施工流程與清除填筑相似：施工測(cè)量放樣→排水→挖除淤泥→換填片石和強(qiáng)風(fēng)化土→分層回填→質(zhì)量檢驗(yàn)?；爻休d力滿足施工要求后，需要利用片石進(jìn)行換填，另外為保證換填后路基穩(wěn)定性，在換填頂面采用鋪設(shè)砂墊層或晾曬等方法提高軟弱土層的承載力，以滿足上層填料填筑荷載的要求。

換填+擠淤處理措施和整體換填處理相比，增加了拋石擠淤工序，并且減少了對(duì)軟弱土層頂面處理的技術(shù)，其適用范圍為軟弱土層厚度小于6m、路基填筑層高度不大于8.0m且路基兩側(cè)存在側(cè)向約束的雙坡山谷地形鍋底狀軟弱土層，軟弱層土體性質(zhì)為流塑狀和軟塑狀。具體施工流程為：

（1）確定換填范圍，清除地表雜填土并抽干地表水；

（2）利用挖機(jī)開挖2.0～3.0m，然后利用隧道棄渣擠出淤泥，無(wú)需開挖全部軟弱下臥層，降低工程造價(jià)；

（3）反復(fù)碾壓加入的塊石，并利用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓至表面無(wú)明顯的輪跡；

（4）上部回填工作，如圖3所示。當(dāng)?shù)叵滤惠^淺時(shí)，回填材料可選擇透水性較好的碎石、石渣等；無(wú)地下水位影響時(shí)，回填材料選擇強(qiáng)風(fēng)化巖、碎石即可。

2.2 廣義換填方法選擇影響因素

2.2.1 路堤斷面與軟弱土層相對(duì)位置

路堤斷面與軟弱土層相對(duì)位置不同，路基側(cè)向土體對(duì)軟弱地基的約束力大小就不同，選擇的廣義換填處理方法也不同：層狀軟弱及零星狀土層可采用清除填筑；條狀斜坡軟弱土層適用整體換填。同時(shí)，路堤斷面與軟弱土層相對(duì)位置也是影響路基整體穩(wěn)定性的主要因素，如對(duì)于山凹狀地形，當(dāng)路基主要位于軟弱層以上時(shí)，路基側(cè)向土體對(duì)地基的側(cè)向約束力減小，容易發(fā)生路堤滑移。因此，實(shí)際施工中應(yīng)首先確定路堤斷面與軟弱土層之間的相對(duì)位置，以選擇合理的廣義換填處理方法，確保施工質(zhì)量。

2.2.2 換填材料

與傳統(tǒng)的換填處理技術(shù)相比，廣義換填處理技術(shù)對(duì)換填材料的要求較低，擴(kuò)大了換填材料的來(lái)源范圍，降低了施工材料的運(yùn)輸成本，且減少了對(duì)施工周邊環(huán)境的影響。在施工開始前，應(yīng)充分利用該特點(diǎn)，盡量選取開挖棄渣作為換填材料，以降低工程造價(jià)，節(jié)約資源。

2.2.3 地下水位

廣義換填處理技術(shù)雖然對(duì)換填材料的要求較傳統(tǒng)換填技術(shù)低，但在進(jìn)行換填施工時(shí)需注意，施工環(huán)境需要保證干燥，當(dāng)路堤施工在地下水位線以下時(shí)，非透水材料難以滿足施工要求。因此，在利用清除填筑、部分換填等廣義換填處理手段進(jìn)行施工時(shí)，需重點(diǎn)考慮換填材料的透水性、水穩(wěn)定性及地下水位線與路堤范圍之間的位置關(guān)系，必要時(shí)可以采取抽水、降水等措施。

3 試驗(yàn)段處理結(jié)果

在進(jìn)行廣義換填處理軟土路基的施工過程中，從填筑開始到路面施工結(jié)束都需要對(duì)路基的沉降與穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。進(jìn)行監(jiān)測(cè)前，需要選擇具有代表性的工點(diǎn)作為試驗(yàn)段，并合理選擇觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)的選擇原則為：

（1）觀測(cè)部位方便人員觀測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)容易反饋；

（2）一般部位每隔100～200m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)面，重點(diǎn)部位如橋頭路段應(yīng)適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)斷面，設(shè)置2～3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；

（3）對(duì)于臨近河流且穩(wěn)定性差的臨空面，還需要進(jìn)行地基土體的水平位移；

（4）測(cè)點(diǎn)的設(shè)置不僅要根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)還應(yīng)針對(duì)施工中掌握的地質(zhì)、地形等情況增設(shè)。

3.1 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)試驗(yàn)段路基的斷面形式及地形地貌選擇不同的廣義換填處理技術(shù)，并結(jié)合路基監(jiān)測(cè)的目的及相關(guān)規(guī)范，對(duì)試驗(yàn)段施工前后路基表面沉降觀測(cè)與深層水平位移進(jìn)行觀測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)的布設(shè)示意圖如圖1所示。

圖1 路基斷面觀測(cè)點(diǎn)布置圖

選取3個(gè)典型試驗(yàn)段斷面，分別采用清除填筑、整體換填及換填+擠淤進(jìn)行軟基處理，通過監(jiān)測(cè)手段分析不同軟基處理手段下路基的穩(wěn)定性及工后沉降，不同監(jiān)測(cè)工況如表2所示。

表2 不同工況下監(jiān)測(cè)方案

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2.1 清除換填監(jiān)測(cè)結(jié)果

K52+300斷面采取清除換填處理方法，清除換填不同填筑材料后路基中線的沉降曲線如圖2所示。

由圖2可知：

（1）在換填初期，路基填料突然受到外荷載的作用，發(fā)生的沉降量較大，故需要加大觀測(cè)頻率，隨著路基碾壓的進(jìn)行，換填材料的密實(shí)度逐漸增大，沉降量變化幅度減小，故可適當(dāng)降低觀測(cè)頻率；

（2）由沉降變化曲線可以看出，換填后路基的沉降值先增加后趨于穩(wěn)定，且主要沉降量發(fā)生在施工后的前100d。隨著軟土層固結(jié)，在外界荷載作用下，路基沉降值變化不明顯；

（3）清除換填后路基的最終沉降量為24.2cm，小于相關(guān)規(guī)范中容許工后沉降量，符合標(biāo)準(zhǔn)。另外，在進(jìn)行換填時(shí)，在軟基中鋪設(shè)了土工格柵，有效地分布了上部路基傳遞的荷載，提高了路基的整體穩(wěn)定性，減少了不均勻沉降的發(fā)生。

圖2 清除換填處理路基中線沉降值

當(dāng)路基軟弱層厚度不大于3m時(shí)，可直接采用清除換填，換填材料可因地制宜的選取換填材料，若路堤填筑高度也較低，可直接按照路堤填筑要求填筑。

3.2.2 整體換填監(jiān)測(cè)結(jié)果

K71+200斷面處路基軟弱層厚度大于3m且小于6m，因此采用整體換填的處理方法。表3為采用不同換填材料的情況下，路基整體換填后的沉降值及穩(wěn)定性結(jié)果。

表3 沉降值及穩(wěn)定性結(jié)果

由表3可知：

（1）不同換填材料情況下，路基的沉降值表現(xiàn)與清除換填相似，均為先增加后趨于穩(wěn)定，換填材料為石渣時(shí)，路基中線的累計(jì)沉降值為25.1cm；換填材料為碎石時(shí)，路基中線的累計(jì)沉降值為25.9cm；換填材料為強(qiáng)風(fēng)化巖時(shí)，路基中線的累計(jì)沉降值為26.3cm；換填材料為素填土?xí)r，路基中線的累計(jì)沉降值為27.0cm；

（2）不同換填材料情況下，路基中線累計(jì)沉降值的最大差值僅為2.0cm，這是由于不同換填材料的差異沉降主要是由換填材料本身自重不同導(dǎo)致的，對(duì)路基工后沉降值影響不大。

（3）不同換填材料情況下，路基的安全系數(shù)均大于1，且最大差值為0.03，因換填材料不同給路基穩(wěn)定性帶來(lái)的影響可忽略不計(jì)。

3.2.3 換填+擠淤監(jiān)測(cè)結(jié)果

K52+300斷面處路基軟弱層厚度略大于6m且為鍋底形分布，因此采用換填+擠淤的處理方法，首先清除上部3.0m后軟弱土層，3.0m以下采用拋石擠淤處理，比較不同換填材料下，路基中線沉降值與安全系數(shù)，如表4所示。

由表4可知：

（1）不同換填材料情況下路基的沉降值和安全性系數(shù)均表現(xiàn)為：當(dāng)換填材料為石渣時(shí)，路基沉降值為46.9cm，安全系數(shù)為1.254；當(dāng)換填材料為碎石時(shí)，路基沉降值為47.6cm，安全系數(shù)為1.261；當(dāng)換填材料為強(qiáng)風(fēng)化土?xí)r，路基沉降值為48.9cm，安全系數(shù)為1.272；當(dāng)換填材料為素填土?xí)r，路基沉降值為50.4cm，安全系數(shù)為1.263。不同換填材料下，路基的累計(jì)沉降值在50cm左右，最大差異沉降值小于4.0cm；

表4 沉降值及穩(wěn)定性結(jié)果

（2）換填材料的壓實(shí)度和水穩(wěn)定性均保持較好，不同換填材料下路基的沉降值差異不大，另外，由于對(duì)3.0m以下軟弱層只進(jìn)行了拋石擠淤處理，處理效果不及整體換填技術(shù)，故最終沉降值大于工況二；

（3）不同換填材料情況下路基的安全性系數(shù)差異很小，故可忽略不計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以京滬高速為工程背景，在傳統(tǒng)換填處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)廣義換填處理技術(shù)的方法及影響因素進(jìn)行了介紹，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)不同廣義換填手段下不同換填材料對(duì)路基沉降的影響進(jìn)行了研究，以此論證了廣義換填處理技術(shù)在實(shí)際施工過程中的可行性。實(shí)踐表明，廣義換填處理技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。