高速公路軟土地基處治技術發展分析

李　鋒

摘要:高速公路往往由于線路的要求,在山區多采用隧道或大開挖形式,而在河網及低洼地帶則常修建橋梁及填筑高路堤。例如,正在建設的中山至江門高速公路就是地處河網及低洼地帶,全線長約26km,其中一半為橋梁,主要是跨江大橋和跨河涌中橋,以及經過村鎮的高架橋、立交橋和預留跨線橋等;另一半則是建在耕地、蕉林和魚塘上的路堤,軟土厚度為數m至40m不等。值得注意的是,建在軟基上的路堤,若軟基處理沒做好,則可能在施工時出現失穩或在竣工后發生過大沉降。本文簡要介紹高速公路軟土地基處治技術的發展情況,并對一些軟土地基處治新技術的研究方向提出若干建議。

關建詞:高速公路;高路堤;處治

1 引言

我國沿海,除山東部分地段外,大部分的海岸線為淤泥質海岸。因此,沿海特別是大江、大河河口附近多為河相、海相或瀉湖相沉積層,在地質上屬第四紀全新世Q4土層,多屬于飽和的正常壓密粘土。土的類別多為淤泥、淤泥質粘土、淤泥質亞粘土等土層。這些軟土一般具有高含水量、大孔隙率、低密度、低強度、高壓縮性、低透水性等特點。在此類地基上做工程,如果軟基處理不好或施工程序不當都會給工程質量帶來不利的影響,甚至造成工程失敗。可見,在軟基上修筑高等級公路,如果軟基處理不好則會嚴重影響整個工程的質量;如果不對軟基進行處理,則會對路堤施工、公路使用及維護帶來一系列問題,一定要三思而后行。

2 高速公路發展概況

上世紀30年代,美國及德國開始興建高速公路,到50年代世界各國大力發展高速公路。目前在英、美等發達國家的客貨運輸中,鐵路運輸所占比重不斷下降,而公路運輸所占比重大大增加,從而形成以公路運輸為中心的局面。但是,國外筑路時一般采用挖方、填方和堆載預壓等常規方法,例如,美國地廣人稀,一些高速公路的路堤主要是填方,往往不對地基專門處理,而是在數年甚至于十幾年后,待路堤沉降穩定時再修建路基和路面,從而大大降低造價。此外,由于發達國家資金充裕,而建橋技術相對說來較為成熟,對環境不利影響更小,故國外高速公路經過河網及低洼地帶時一般選用旱橋,從而避免軟基及高路堤所帶來的問題。

改革開放之前,我國公路建設標準普遍較低,甚至國道及省道一般都是沿著等高線建設,路堤高度往往低于軟基極限填土高度,故很少碰到軟基處理之類的問題。從1980年代末開始,我國新建了一批高等級公路(含高速公路及一級公路),帶來了較好的社會效益和經濟效益。我國的高速公路一般分段建設,每段建設工期約為2年,有些甚至不到1年。由于線路、縱坡和防洪等方面的要求,故高速公路路面標高較高(遠大于軟基的極限填土高度)。對于軟土地基,如果資金充裕則可象國外那樣選用旱橋,否則應對軟基進行處理后填筑高路堤。現在在高速公路上所采用的軟基處理技術主要是從水運、鐵路和水利等行業引進的,而且為了在軟基上取得筑路經驗一般先進行試驗段工程。

上世紀90年代初南京水利科學研究院在滬寧高速公路昆山段選定1.6km路段進行軟基處理加固試驗。試驗采用不處理、淺層排水、塑料排水板、粉噴樁四種處理類型共13種方案,對勘探、室內試驗、現場監測、理論計算、現場觀測資料反饋分析等進行了系統研究。但是,該試驗路段的軟土層普遍較薄,各土層的物理力學性質較好,研究成果對沿海地區大量深厚軟土層的處理缺少指導意義。近幾年來,一些建在軟基上的高速公路在開工前也進行了試驗段工程,取得大量有益的試驗成果,但對在深厚軟基上填筑高路堤技術缺系統研究,特別是快速填筑路堤技術和工后沉降控制技術等方面的成果鮮見報道。

3 進一步研究的問題

應圍繞深厚軟基上高路堤的主要問題,即施工期路堤的穩定問題和竣工后的工后沉降問題開展研究工作。高速公路常用的軟土地基處治技術包括墊層及淺層處理、反壓護道、土工合成材料、排水固結法、復合地基等。在高速公路施工時可選擇若干試驗段進行地基加固技術研究,如采用堆載預壓法、真空聯合堆載預壓法、復合地基法(含粉噴樁和CFG樁等)等先進方法對深厚軟基進行綜合處治。

高速公路的工期一般為2～3年,在選擇軟基處理方案時往往首選造價較低且施工方便的排水固結法。由于沿海軟土的物理力學性質變異較大,而高速公路建設跨越的地域較廣,故應通過試驗工程來確定軟基加固設計的參數。對于淺層軟基可以只鋪設水平排水體,而對于深厚軟基則應打設豎向排水體(塑料排水板、袋裝砂井和砂樁等)。為降低造價可通過采用不同豎向排水體間距進行試驗,以便得到滿足工期、路堤穩定和工后沉降等要求時的合理間距。對于超過20m的深厚軟基,加固深度20m一般可解決路基穩定問題,但應考慮足夠的加固深度以滿足路面工后沉降的要求。

在京珠高速公路某匝道路堤填筑施工時,其中一塊堆載預壓區由于填土較快曾發生大面積滑坡,而附近采用真空聯合堆載預壓施工的路堤雖然填土更高,卻穩穩當當,各項監測數據并無異常。可見,真空預壓技術用于軟土地基上路堤填筑施工有著明顯的優越性:

(1)真空荷載可一次快速施加到位,且有利于地基的穩定;

(2)沉降主要由地基固結排水所產生,加固后表層軟土的強度大幅提高,特別適用于路堤這類條形荷載;

(3)真空聯合堆載后可形成超載預壓,以真空荷載作為超載可減少棄土量,并獲得更大地基承載力和較小工后沉降;

(4)真空聯合堆載預壓可大大加快路堤筑速度,縮短預壓時間。考慮到高速公路征地范圍較緊湊,如果要在深厚軟基上填筑7m以上的路堤時,我認為仍可采用真空聯合堆載預壓方案,路堤按一次放坡連續堆載進行施工,但應通過監測確保路堤穩定及滿足工后沉降的要求。

建在軟土地基上的橋頭過渡段的路基處理,迄今仍是設計者最費腦筋的地方。顯然,作為橋梁基礎的樁基是剛性基礎,而采用排水固結法的路基為柔性地基,所以過渡段的路基宜采用半剛性半柔性的復合地基法進行處理。當軟土厚度小于15m時,采用粉噴樁等復合地基加固技術進行處理一般可獲得較為滿意的效果;對于更深厚的軟土地基,前述格形攪拌樁聯合加筋土工合成材料方案在技術上是可行的,但造價偏高。建議加強CFG樁等低標號素混凝土樁所形成的復合地基的試驗研究,特別應研究樁與地基的荷載分配形式,并探討這類樁聯合排水固結法處理地基的可能性。

結語

考慮到高速公路的特點,例如,橋涵與路堤的連接問題,縱向及橫向不均勻沉降的控制,填筑材料的選取,沿線工后沉降的一致性,超載數值及卸載時間的考慮,等等。因此,以下問題仍進一步研究:沿海地區軟土的極限填土高度一般為2m左右。而填土高度往往達到7m以上,針對不同的軟基加固方法,研究控制填土速率等技術指標,使路堤按預定工期穩定地達到設計標高;高速公路對地基變形量的要求是很高的,一般要求在使用期內路堤的工后沉降量不超過30cm,路橋搭接處的工后沉降低于10cm。通過研究各種軟基加固方法的適用范圍并探索新的有效措施來滿足設計要求;針對橋頭過渡段和中橋及涵洞段研究特殊軟基處理方法,以解決這些部位技術要求高但工期緊的問題;通過研究路堤的沉降規律來指導填土施工,特別是確定超載及卸載方法,保持全 線較為一致的工后沉降,減少二次棄土量,以利上部路基和路面的施工。

參考文獻

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作者簡介:李鋒(1974-)男、河南鹿邑人,主要從事路橋施工技術研究。