江淮軟土地基高速公路改擴建施工處治

摘要 既有軟基道路擴建工程必然產(chǎn)生差異沉降，導(dǎo)致道路連接部位發(fā)生不同程度的損害，不僅對行車舒適性產(chǎn)生影響，甚至危害行車安全。道路擴建的核心問題是如何減小新老路基的差異沉降，關(guān)鍵技術(shù)在于控制新路基的側(cè)向變形。因此，采取有效措施使道路擴建工程協(xié)同變形，消除沉降差異，并通過監(jiān)測指導(dǎo)施工至關(guān)重要。該文針對不同軟土厚度采用動態(tài)設(shè)計方法，分別采取預(yù)制混凝土管樁、水泥攪拌樁、淺層換填的加固方案，實現(xiàn)對軟土地基高速公路拼寬擴建的沉降控制，研究成果對減少道路擴建工程投資、提高工程運行質(zhì)量、促進工程技術(shù)進步具有重要意義。

關(guān)鍵詞 軟土地基；高速公路；改擴建；沉降控制

中圖分類號 U418 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）15-0074-03

0 引言

軟土是在含水豐富地區(qū)由海相、湖相沉積形成的一種強度極低的土體，如濱海、湖泊、沼澤、河灘等地區(qū)軟土分布極廣。軟土通常是由黏土顆粒、顆粒間膠凝有機物、膠凝氧化物、孔隙液體和少量孔隙氣組成。在長江中下游地區(qū)分布有大量以河灘相和沖洪相沉積為主的軟土，特別在安徽省江淮地區(qū)，軟土分布十分廣泛。軟土具有天然含水量高、孔隙比大、滲透性差、壓縮性大、抗剪強度低、固結(jié)時間長、靈敏度高、擾動性大且流變性顯著等多種不良工程特性，對工程有著嚴(yán)重危害。在高速公路建設(shè)中，工程承載要求和變形控制要求比一般工程更高，如果穿越軟土地區(qū)，由于土體承載力低，易于變形，必須進行地基處理[1-3]。

為滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，改變當(dāng)前運力不足、交通堵塞難題，對現(xiàn)有路網(wǎng)改造，提升道路運載能力成為當(dāng)前社會迫切需要解決的問題?，F(xiàn)階段既提高道路運輸能力，又減少占地用量、同時控制經(jīng)濟成本，最有效的途徑就是對既有道路進行改擴建。道路改擴建工程無須重新規(guī)劃路線，僅通過增加行車車道即可實現(xiàn)路網(wǎng)改造，提高國家土地使用率。

在安徽省江淮軟土地區(qū)對既有道路進行擴建，新老道路連接必然會因沉降不均而相互影響，老路基固結(jié)時長久，而新路基的沉降固結(jié)才剛開始，相較于新路基，老路基的固結(jié)沉降已基本完成，如果工程區(qū)域軟土地基深厚，工程區(qū)域水系豐富，新老路基沉降差異更為顯著。近幾十年來，諸多學(xué)者專家開展理論研究、數(shù)值模擬和工程實踐，在擴建路基受力沉降特點、新老路拼方面積累了豐富的工程經(jīng)驗[4-9]，該文擬以長江沿岸軟土地基高速公路改擴建為研究對象，通過開展高速公路軟土加固處置研究，實現(xiàn)道路擴建工程新老道路協(xié)同變形，優(yōu)化差異沉降控制技術(shù)，形成軟土地基協(xié)同處置成套技術(shù)體系，從施工角度出發(fā)解決改擴建差異沉降問題。

1 工程概況

G4211寧蕪高速皖蘇界至蕪湖樞紐段改擴建工程（寧蕪高速）位于長三角沿江經(jīng)濟帶，沿江經(jīng)濟帶的資源環(huán)境條件優(yōu)越，涵蓋礦產(chǎn)資源、水資源、環(huán)境容量資源和岸線資源等組合優(yōu)勢，發(fā)展空間、潛力巨大，沿江經(jīng)濟帶作為重要的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移承接區(qū)域，也是全面推行新型城鎮(zhèn)化的重要區(qū)域。寧蕪高速的修建是國家高速公路網(wǎng)的重要組成部分，是落實長三角一體化發(fā)展規(guī)劃綱要和長江經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃綱要的重點項目，該高速也是連接安徽省皖江地區(qū)與蘇南、上海等東部沿海發(fā)達地區(qū)的重要通道。全線通車后，蕪湖到馬鞍山、南京、上海等地將更加通暢，對完善區(qū)域交通路網(wǎng)、促進沿線經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要意義。

近年來寧蕪高速公路交通量發(fā)展迅猛，隨著區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和交流的不斷增強，原有四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)已不滿足現(xiàn)狀交通發(fā)展需求，此次擴建為雙向八車道。寧蕪高速已運營達26年，老路采用淺層處理、換填、排水固結(jié)、粉噴樁等方案進行地基處理，根據(jù)軟基段現(xiàn)狀調(diào)查，路基路面整體質(zhì)量較好，邊坡穩(wěn)定，未出現(xiàn)填方邊坡潰坡等現(xiàn)象。

2 高速公路軟基處置方案

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，工程區(qū)屬沿江丘陵平原，跨河漫灘、階地、坡積裙和丘陵，軟（弱）土分布長度26.4 km，占路線總長度53.6%，軟土連續(xù)分布，總體厚度較大，厚度一般較均勻，局部變化較大，出露于地表，局部上覆填土、粉質(zhì)黏土，上部夾粉質(zhì)黏土薄層，局部夾粉砂薄層。軟土靈敏度高，滲透系數(shù)小，固結(jié)速率慢，總沉降大。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性，在施工中需考慮加固措施耐久性。

沿線大多以路基方式通過，老路已通車運營多年，原有路基已基本穩(wěn)定，改擴建必然導(dǎo)致新老路基之間產(chǎn)生差異沉降，差異沉降主要為加寬路基荷載引起的新的地基沉降，以及新增荷載對已穩(wěn)定老路的地基產(chǎn)生的附加沉降。路基填土越高，差異沉降越大，根據(jù)填土高度，地基土層的物理指標(biāo)，計算差異沉降量，當(dāng)大于規(guī)范指標(biāo)時，新老路基差異沉降控制影響行車舒適性及道路運營安全，采用工程措施對地基進行處理?？紤]該項目的工程特點及軟土地質(zhì)條件，根據(jù)近年來高速公路拓寬采用的軟基處理方案，選定預(yù)混凝土管樁、水泥攪拌樁、淺層換填結(jié)合預(yù)壓的設(shè)計方案。

其中管樁為剛性樁，單樁承載力高，加固效果好，工后沉降小，特別適宜深厚層軟土，軟土地基設(shè)計中管樁直徑一般為300～400 mm，采用靜壓法打穿軟土地基。樁頂澆筑樁帽，增加承受路堤荷載的面積，將路堤填土的大部分荷載通過路堤填料中的土拱效應(yīng)傳遞到樁體，再傳遞到下臥層中。管樁施工標(biāo)準(zhǔn)化，質(zhì)量易于控制。水泥攪拌樁采用雙向攪拌工藝，同軸正反向同時旋轉(zhuǎn)攪拌，使水泥漿與土體充分?jǐn)嚢?，改善軟土性質(zhì)，減少軟土路基沉降。水泥攪拌樁工藝成熟，施工簡單，但受軟土性質(zhì)影響較大，考慮水泥土齡期，工期相對較長，適用于十字板抗剪強度不小于10 kPa，有機質(zhì)含量不大于10%的軟土地基。淺層換填結(jié)合預(yù)壓方案施工簡單、處理深度淺，施工工期緊，為盡可能減少運營期工后差異沉降，老地基處理后，對軟基段全面預(yù)壓，充分保證預(yù)壓時間，達到新老路基后期的均勻沉降。

3 高速公路軟基處置設(shè)計

寧蕪高速公路采用“兩側(cè)加寬為主、部分路段單側(cè)加寬”的擴建方式，將高速公路路基寬度擴建為雙向八車道，在清除老路邊坡后，對老路邊坡進行1∶1挖臺階削坡處理，臺階寬度不小于1 m，在臺階與拼接路基坡腳外1 m范圍內(nèi)均進行地基處理，以有效消除路面不均勻沉降，拼寬部分路基工后沉降應(yīng)滿足一般路段不大于15 cm。

根據(jù)軟基厚度、填土高度等要求，分別對軟土段落進行處理，裸露或埋藏淺的軟土段落，采用全部或部分清除軟土（軟弱土）再換填的處理方法。其中，軟土厚度不大于2 m段落，對軟土（軟弱土）全部換填。

軟基厚度在2～8 m的一般路堤段優(yōu)先采用雙向攪拌樁方案：攪拌樁按等邊三角形梅花形布設(shè)，根據(jù)地勘資料計算，該項目樁徑采用0.9 m，一般路段樁間距為2.2 m；攪拌樁頂面鋪設(shè)30 cm級配碎石和一層土工格室，兩側(cè)采用土工布包邊，壓入底部包邊距離不小于50 cm。

對大于8 m的深厚層軟土路段地基處理采用管樁，管樁樁徑400 mm，壁厚60 mm，混凝土強度等級C80，樁間距為3 m，樁頂設(shè)置C30樁帽以及30 cm厚碎石墊層和一層土工格室，兩側(cè)采用土工布包邊，壓入底部包邊距離不小于50 cm。

采用Midas等有限元分析軟件對兩側(cè)加寬和單側(cè)加寬路基進行沉降計算及穩(wěn)定性分析，如圖1和圖2所示。為使其計算結(jié)果更加精確，考慮軟土處理數(shù)值模擬的重點分析區(qū)域，對軟土的疏密程度進行加密劃分，而對于模型底部和邊界處的節(jié)點劃分較為稀疏，使其網(wǎng)格形成疏密有致的網(wǎng)格。模型的底邊及左右兩側(cè)設(shè)置約束，分步驟施工軟土樁基及道路填方。土體和攪拌樁采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進行模擬計算，管樁采用彈性模型計算，路堤邊坡的穩(wěn)定性計算采用強度折減法（SRM）以得到邊坡的安全系數(shù)。

該項目沉降計算中，假定路基是連續(xù)、均勻、各向同性的半無限彈性體，基于行車荷載的特性，將路基分為兩個部分：地面以上受路堤填高和交通荷載的共同作用，采用分層總和法將路堤填高和行車荷載分開考慮，對沉降量進行修正。由交通動荷載產(chǎn)生的沉降稱為S1（mm）；地面以下受堆載的影響，此部分產(chǎn)生的沉降稱為S2（mm），總沉降S=S1+S2。

經(jīng)計算兩側(cè)加寬路基沉降總和小于50 mm，單側(cè)加寬路基沉降總和小于30 mm，拼寬后采用復(fù)合地基處理后，工后沉降及新老路基協(xié)調(diào)均滿足要求。

4 施工要點與動態(tài)觀測

管樁樁徑400 mm，壁厚60 mm，混凝土強度等級C80，樁身軸心受壓承載力設(shè)計值不小于1 611 kN，單節(jié)樁長5～14 m。管樁需合理確定配樁方案，同時根據(jù)現(xiàn)場的實際情況確定沉樁順序，準(zhǔn)確無誤地測量放樣出各個樁位，開始壓樁時應(yīng)認(rèn)真檢查，若有偏差應(yīng)及時糾正，必要時要拔出重新校準(zhǔn)。在整個打樁施工過程中，盡量保持樁身整體結(jié)構(gòu)在同一軸線上，特別在接樁時，要將兩側(cè)施焊面上的泥土、油污、鐵銹等預(yù)先清刷干凈，保持新接樁節(jié)與原樁節(jié)在同一直線上。

水泥攪拌樁在進行地基處理后其承載力不小于150 kPa。在施工前需確認(rèn)水泥強度，以養(yǎng)護90 d的水泥試件無側(cè)限抗壓強度為標(biāo)準(zhǔn)強度進行衡量，要求測試試件同時滿足：養(yǎng)護7 d無側(cè)限抗壓強度大于0.8 MPa，養(yǎng)護28 d試件強度大于1.6 MPa，養(yǎng)護90 d試件強度大于2.4 MPa。根據(jù)軟土的地質(zhì)條件，如果水量豐富，有機雜質(zhì)含量高，土體酸性較強，應(yīng)適當(dāng)增加石膏、粉煤灰等中和土體酸性，確保水泥水化反應(yīng)，提高樁的強度。施工需采用專用機械設(shè)備，打設(shè)深度能力不小于15 m，對應(yīng)的功率應(yīng)不小于70 kW。在采用雙向水泥土攪拌樁施工時，必須清除地上和地下的障礙物，事先將現(xiàn)場平整。施工路段遇有池塘及洼地時，應(yīng)及時抽水、清淤，并回填黏性土壓實，禁止將雜填土或生活垃圾用于回填。為了確保加固深度范圍內(nèi)土體均經(jīng)過20次以上的攪拌，攪拌頭翼片的幾何尺寸與攪拌軸的設(shè)計夾角相協(xié)調(diào)，攪拌頭的回轉(zhuǎn)數(shù)、提升速度應(yīng)相互匹配。

地基施工完成后，進行路堤填筑，一般控制每層填土攤鋪厚度不超過30 cm，路基上填土施工的動態(tài)觀測同樣非常重要，用于沉降與穩(wěn)定管理，主要通過埋設(shè)沉降板進行地表沉降觀測，采用地表水平位移樁觀測水平位移。如遇到溝塘段等不方便埋設(shè)地表水平位移樁的特殊地段，則設(shè)置測斜管進行土體水平位移測量。地表沉降觀測斷面應(yīng)每100 m設(shè)置一處；在軟土地基深厚位置，宜每50 m布設(shè)一處沉降觀測。收集并統(tǒng)計動態(tài)觀測結(jié)果，用以預(yù)測未來的沉降量，出現(xiàn)不均勻沉降及快速沉降征兆時，提前采取防治措施，同時應(yīng)用動態(tài)觀測結(jié)果，判斷道路填土潛在的危害，隨時調(diào)整填土施工速度和施工工序等。需要注意的是，在施工填土?xí)r，每填完一層及時對所有觀測儀結(jié)果記錄一次；如果兩次填筑間隔時間較長，第一個月每3 d至少觀測一次，第2～3月每7 d一次，此后每半個月一次。如遇變形量接近或超過控制速率標(biāo)準(zhǔn)則需加大觀測頻率，調(diào)整施工進度。

特別注意的是，在道路填土完成后，防止雨水對路基的侵蝕，需保證邊溝水的排泄通暢，根據(jù)該地區(qū)降雨強度進行了水文計算，確定全線填方路段設(shè)置預(yù)制梯形排水溝，采用10 cm厚C20混凝土預(yù)制塊拼裝鋪砌，邊、排溝縱坡應(yīng)大于0.3%，出水口間距不宜大于300 m，使路基邊溝排水自成系統(tǒng)。

5 結(jié)語

該文以寧蕪高速改擴建工程為背景，查明既有道路土體的固結(jié)特性，針對不同軟土厚度，最大限度減少高速公路改擴建道路與既有道路沉降差，構(gòu)建完善的高速公路改擴建沉降控制方案，形成軟基高速改擴建工程加固軟土地基成套技術(shù)體系。

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收稿日期：2024-04-30

作者簡介：任良和（1973—），男，本科，高級工程師，研究方向：路基、邊坡施工。