高速公路堆載預壓軟基加固卸載時機研究

劉皓琨

(京臺高速公路廊坊建設管理處)

1 引 言

中國從20 世紀80年代開始發展高速公路，目前，我國高速公路里程位居世界第二，大大促進了我國社會經濟的發展，但是由于我國幅員遼闊，人口眾多，現有的高速公路仍滿足不了經濟發展的需求，因此我國各地的高速公路建設仍在有條不紊的進行。

我國的公路地基存在著大量淤泥、淤泥混砂層、淤泥質粘土等軟粘土，在這類地基上修建高速公路，易出現穩定和變形問題。對于目前的地基處理技術，路基的穩定性一般都能得到保證，但是軟土地基的沉降變形卻難以有效控制，實際工程中往往存在路基開裂、橋頭跳車、路面的縱坡變化等沉降問題。

為減小地基沉降尤其是不均勻沉降的影響，目前常見的地基處理方法有置換法、排水固結法、加筋法、注漿法、擠密法以及強夯法和復合地基法等，排水固結法根據加壓和排水系統的不同可分為堆載預壓法、真空預壓法、真空堆載聯合預壓法、電滲法等，其中的堆載預壓法堆載預壓是指用堆載填土或其它上部荷載，對天然地基進行預壓，同時在土體中埋設豎向排水體和橫向排水體，形成排水通道，使得土中的孔隙水加速排出，使土體固結減小工后沉降，提高軟土地基的承載能力，在具有足夠備土預壓荷載的條件下，對消除地基的工后沉降具有較為突出的優勢。但是堆載預壓法處理高速公路的路基堆載卸載時機確定非常重要，一般而言，公路堆載預壓至滿足卸載標準后卸載至路床頂面標高、施工路面的過程稱為卸載，確定卸載時機就是根據卸載標準確定卸載時間。《公路路基設計規范》(JTGD30－2004)規定“路面鋪筑應在沉降穩定后進行，采用雙標準控制:即要求推算的工后沉降量小于設計容許值，同時要求連續2 個月觀測的沉降量每月不超過5 mm，方可卸載開挖路槽并開始路面鋪筑”。因此，路面鋪筑時間的確定實質也是卸載時機確定，隨著我國經濟發展、生活水平的提高，對行車速度、行車舒適性和安全性的要求越來越高，對堆載預壓法處理高速公路的路基卸載時機確定越來越重視。

因此，結合京臺高速公路廊坊段山前平原區湖相沉積軟土地基工程實際，基于工后沉降和沉降速率控制，研究高速公路湖海相軟土地基堆載預壓卸載時機，對提高河北省高速公路通行質量具有重要意義，并為我國類似工程的實施提供借鑒和技術支持。

2 工程概況及處理方法

以京臺高速公路廊坊段為例，設計速度全線采用120 km/h，路線位于河流的沖洪積平原上，河流的淤積及低洼地帶易形成軟弱土及軟土，該公路沿線53 km 分布有近75%的軟土地基，其物理性質表現特征為含水量高，達到30%以上，部分路段達到40% 以上;天然孔隙比高，超過0.9，部分路段超過1.0;液性指數大于0.5，部分路段超過0.75;標貫擊數低，一般在4～5 擊以下。

為了保證路基穩定性和工后沉降滿足高速公路安全運營要求，對約27 km 的一般路基地段軟土地基采用堆載預壓法進行加固，預壓施工高度等于路基設計高度+路面材料與路堤填料密度不同應考慮的等效厚度差+路基預壓期沉降量，預壓期為180 d，但在施工過程中需做好沉降、穩定觀測，確保路基滿足中心線沉降量和坡腳水平位移量要求，并根據測沉降數據與理論計算結果進行對比，以確定合理的卸載時機。

為了有效排水，堆載預壓、袋裝砂井處理路段，路堤基底鋪設40 cm 厚砂礫墊層，其含泥量不大于5%，為防止砂的流失及加強墊層排水作用，在墊層兩端采用護腳砂袋防護。在水泥攪拌樁、CFG 樁處理路段，為有效排加固地基，并分擔路堤荷載的應力，在路堤基底鋪設30 cm 厚5%石灰土墊層。同時，在地基中打設袋裝砂井，其直徑采用10 cm，間距一般1.3～1.7 m，平面上呈正三角形布置。

3 實測沉降數據及最終沉降計算

3.1 最終沉降量和剩余沉降量

研究時在其中兩個標段中選取了代表性斷面，其斷面寬度均為42 m。見表1，表2。

表1 標段1 一般路段典型斷面

表2 標段4 一般路段典型斷面

根據所選代表性斷面，利用就近的勘察孔數據，根據分層總和法(具體計算方法可參考土力學及相關規范，不再贅述)計算得到最終沉降量，結合實測沉降速率和累計沉降量，計算得到剩余沉降量如表3 和表4 所示。

表3 標段1 一般路段沉降計算結果

表4 標段4 一般路段沉降計算結果

3.2 沉降歷時曲線

以上計算只是確定了最終沉降量和剩余沉降量，為研究地基沉降隨時間的發展規律，確定合理的卸載時機，利用有限差分軟件Flac3D，選取斷面K17 +950，其設計高度為6.36 m，預壓高度為6.77 m，以計算研究地基沉降隨時間的發展曲線。

Flac3D 建模:公路路基和路堤為對稱結構，因此可取一半進行分析，路堤邊坡1 ∶1.5，路堤寬度42 m 取一半為21 m，計算填土高度取堆載高度，堆載土體未壓實，其重度取15 kN/m3，地下水位在地表下13 m，計算過程中分級加載，以模擬施工過程，從施工期截止觀測日期共410 d，計算得到此時的地基沉降所示。沉降歷時曲線如圖2 所示。

圖1 K17 +950 固結410 d 時豎向沉降云圖

圖2 K17 +950 模擬沉降曲線與實測沉降曲線

3.3 結果分析

從表3、表4 中數據可以看出，只有少部分斷面沉降速度在5 mm/月以下，如K6 +080、K7 +120、K15 +855、K17 +800、K18 +375、K18 +975、K19 +225，這些路堤設計高度較低，因此沉已降基本穩定。其它堆載高度較高的斷面沉降速率均大于5 mm/月。但從計算得到的剩余沉降量來看，除了K17 +950 之外所有斷面的剩余沉降量均小于控制標準值30 cm，之所以大部分斷面的沉降速率大于控制值與施工進度有較大關系，因為很多斷面都是近期由于工期限制快速填筑到設計標高，導致沉降速率過大，說明堆載預壓處理方法效果良好。

K17 + 950 處共堆載410 d，實測累計總沉降量為21.03 cm，最后一期沉降速率為－0.34 mm/d，最后一月總沉降量為14.15 mm，高于連續兩個月月沉降量小于±5 mm的穩定標準。剩余沉降量為34.27 cm，高于工后沉降小于30 cm 的控制標準。從沉降數據來看，該斷面的沉降穩定均尚需一段時間。

K17 +950 斷面按實測加載曲線計算土體固結，410 d 時的豎向沉降云圖如圖1 所示，圖中路堤范圍以外的地基土體有輕微隆起現象，可能是由于路堤作用引起的側向擠壓作用，而采用該軟件計算得到的最終沉降量為53.9 cm 略大于分層總和法計算得到的53.3 cm，因此在軟土的沉降計算中有必要考慮地基土體的側向變形引起的沉降，否則可能使得計算結果偏小。圖中最大沉降發生在路基中心線下，計算累計沉降量為23.85 cm，略大于實際值21.03 cm，誤差為5.39%，說明本次的計算參數取值較為合理，計算結果比較準確。

模擬沉降曲線與實測沉降曲線對比如圖2 所示，從圖中可以看出，flac3D 的模擬結果與實測值曲線吻合較好，進一步說明該軟件可以較好地計算軟件基的固結沉降。從沉降發展曲線可知，該斷面處初期沉降發展較快，在荷載施加一段時間后沉降趨于穩定，但有新的加載時沉降又會較快發展，這是軟基沉降的最為顯著的特征，而目前的沉降速率14.15 mm/月較大也是由于該斷面近期填土至設計標高的緣故，目前其它堆載較高的斷面也普遍存在類似情況。

因此，結合目前的沉降速率、剩余沉降量和沉降發展曲線，在路面施工時機即預壓堆載卸載時機的選擇上，可以考慮分段施工，即沉降速率和剩余沉降均達到控制標準的路段可以優先進行路面施工，然后可考慮沉降速率雖不滿足要求但剩余沉降滿足要求的路段，最后是沉降速率和剩余沉降均不滿足控制標準的路段，以使其沉降有較為充分的發展，最終達到控制工后沉降的目的。

4 結 語

采用現場試驗、理論分析與數值模擬相結合的研究路線，以在建京臺高速公路廊坊段為工程依托，對堆載預壓處理的高速公路軟土地基卸載時機進行研究，主要結論如下。

(1)在軟土路基上修筑高速公路時，由于軟土的低強度、大變形量等特點，必須根據地質情況和道路設計荷載，對地基進行有效處理和加固，從應用效果來看，堆載預壓法是一種較為有效的處理方法。

(2)目前關于軟土路基的沉降理論計算和預測方法較多，均有各自優缺點，選擇分層總和法和有限差分軟件FLAC3D，通過計算結果與實測數據的比較，證明計算結果較為準確，用來計算沉降是切實可行的。

(3)高速公路路堤堆載達到設計標高時，關于路面施工時機即堆載卸載時機的選擇，可考慮分段施工，優先進行沉降速率和工后沉降都達到控制標準和路段，然后根據施工進度考慮沉降速率不滿足要求路段，最后是沉降速率和剩余沉降均不滿足控制標準的路段，以使其沉降有較為充分的發展，最終達到控制工后沉降的目的，保證工程質量。

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