薊汕高速公路天津段軟土路基處理技術研究

蘇　勇，周　寧，王　莉，劉存豪

（1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074；2.中交三公局第二工程有限公司，北京市 100124）

薊汕高速公路天津段軟土路基處理技術研究

蘇勇1，周寧1，王莉1，劉存豪2

（1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074；2.中交三公局第二工程有限公司，北京市 100124）

針對薊汕高速公路天津段軟土路基特點，通過軟基穩定與沉降計算分析，提出不同工點的軟基處理技術方案，并對現澆泡沫輕質土路基進行了研究與應用，有關經驗可供相關專業人員參考。

軟土路基；高壓旋噴樁；現澆泡沫輕質土；高速公路

1　概述

軟土路基處理一直是公路建設中的技術難題，軟土路基強度低、固結慢、變形大，在軟土地基未能很好處理就修筑路堤時，由于強度不足或變形過大將導致地基抗剪強度不夠引起路堤側向整體滑動，邊坡外側土體隆起；人工構造物與路堤銜接處產生差異沉降，引起跳車；路堤的變形將導致路面及構造物的破壞等，給公路的使用及維護帶來很大的困難，故如何妥善的進行軟土路基的處理是工程成敗的關鍵。

薊汕高速公路北起京津高速，南接津晉高速，其與京滬高速、濱保高速、京津高速、津晉高速自然圍合而成中心城區外圍的繞城高速環線，形成中心城區外圍的交通保護殼，承擔組織進出中心城市的功能，緩解外環線的交通壓力；其與津薊高速、津汕高速連通共同構成天津市域“九橫五縱”骨架路網中縱向干路之一，是天津市域范圍內的南北向通道的重要組成路段，形成聯系天津北部地區、海河中游、南部地區的重要通道。

薊汕高速公路（京津高速～港城大道）為薊汕高速公路北段工程，北接京津高速公路、南連港城大道，南北貫穿天津市中心區東部，所經路線涉及北辰區、寧河縣、東麗區，見圖1。

該段路基在修筑的過程中，必然遇到濱海相沉積物，屬于軟弱土路基施工。由于本工程質量要求高、工期緊，怎樣保證工期、質量并節約項目成本是項目設計及施工需解決的主要問題。對于軟土路基的處理方式應該結合實際的情況進行合理選擇，軟土路基的基本處理方式有很多，如何合理選擇并進行組合以達到有效地、經濟地實現軟土路基的處理是一項十分重要的內容。

圖1　工程位置示意圖

2　工程地質條件

路線所經地區屬于天津東部沖積平原、湖積平原，地勢較為平坦，絕大部分地區海拔高度在5 m以下，地下水埋藏較淺，地下水參與了整個成土過程。主要地貌類型有農田、洼地、河道、池塘及溝渠等。場地的地質分層情況如下：

表層為人工填土層，層厚0.20～1.60 m，以黏性土為主，土質不均，結構松散，密實程度差，壓縮性高，工程性質差；在溝渠、河道和水塘處分布著厚度不均的淤泥層，含有大量有機質、腐爛質，工程性質極差；

第二層為第Ⅰ陸相河床～河漫灘相沉積層，層厚1.00～3.30 m，中到高壓縮性黏性土，該層土分布較為穩定，但層厚較薄，工程性質一般；

第三層為第Ⅰ海相淺海相沉積層，層厚7.00～13.00 m，軟～流塑狀的粉質黏土層，且局部夾有淤泥質土層，高孔隙比、高壓縮性，高靈敏度，承載力基本容許值僅有90 kPa，工程力學性質差；

其下為第Ⅱ、Ⅲ陸相層，主要由黏土、粉質黏土、粉細砂組成，這些土層在水平方向上的分布穩定，黏性土多呈可塑～硬塑狀態，中壓縮性，砂性土多密實狀態，中～低壓縮性，工程性質尚好。

另外，本段場地抗震設防烈度為8度，屬于抗震不利地段。

3　軟土路基穩定沉降計算分析[1-9]

3.1路基穩定計算分析

根據現行《公路路基設計規范》規定，路基穩定系數在考慮地震力情況下不小于1.1。穩定計算采用理正軟件“軟土路堤、堤壩”模塊，選取若干特征點位，對邊坡坡率為1∶1.5設計斷面的路堤整體穩定性進行驗算。

穩定滑動面主要集中在⑥1流塑狀粉質粘土層，該層的含水量高，孔隙比大，直接快剪和固結快剪指標均較小，天然地基承載力較低（90 kPa）。

通過穩定計算分析得出：填土高度不大于3.0 m的路堤，其整體穩定性均滿足要求；對于局部填土高度大于3.0 m的路堤應通過路堤加筋來增強其穩定性；路線穿越大型水塘及取土坑位置局部填高甚至大于5.0 m，需結合設置反壓護道等措施來保證路基穩定。

3.2路基沉降計算分析

根據現行《公路路基設計規范》規定，高速公路路面設計使用年限內（15 a）路基工后沉降標準為：橋頭不大于10 cm、涵洞或箱型通道處不大于20 cm、一般路段不大于30 cm。

沉降計算采用理正軟件“軟土路堤、堤壩”模塊，經驗系數法，輸入e-p壓縮曲線。考慮兩級加載，0～1月填筑路堤，1～7月欠載預壓，7～9月鋪筑路面，施工期9個月。

通過沉降計算分析得出：對于一般路段的路基，當路基填土高度小于5.0～6.0 m時，工后沉降基本上滿足規范要求（不大于30 cm），因此本次設計一般路段最大填土高度控制在6.0 m以下（主要在大型水塘處），橋頭填土高度應控制在5.0～5.5 m，橋頭需進行深層復合地基處理方可滿足工后沉降要求。故本次深層地基處理集中在橋頭兩側，一般路段基本上不需深層地基處理，但對于填土高度較高的路段，應采取措施控制不均勻沉降。

3.3堆載預壓的選擇

為了減小路基的工后沉降，路基填筑完成后設置6個月預壓期，對于是否設置超載土進行預壓，進行了相關計算分析，并得出結論：超載預壓和欠載預壓的工后沉降量相比，一般路基段可以減少2～5 cm，橋頭路基段可以減少1～4 cm。考慮本項目土源緊張，外購土單價較高，綜合考慮后確定一般路基段采用欠載預壓，橋頭路基段采用超載預壓。

4　橋頭深層路基處理樁型的選擇

根據勘察報告，淺層特殊性土主要為：①2素填土、⑥1粉質黏土（局部夾有淤泥質土層），粉質黏土層的底板埋深一般不大于14 m。這些土層的工程性質較差，地基承載力較低，含水量較高、孔隙比較大、壓縮變形較大，是影響路基穩定、工后沉降與不均勻沉降的控制性土層。根據本地成熟的經驗作法并結合工期，針對本工程土層性質，適宜的深層復合地基處理方法主要有：高壓旋噴樁、水泥攪拌樁、PC管樁。

水泥攪拌樁施工最簡單、技術普及、造價不高，因而在高速公路路基處理中得到了廣泛的應用，但受其工藝的影響，樁體強度離散性比較大，樁長不宜超過12 m，在地下水具有腐蝕性的場地其成樁質量較差，因此本次設計從慎重角度考慮不采用水泥攪拌樁；而本工程沿線分布的軟弱粘性土土層提供的樁周摩阻力較小，不太適宜采用剛性樁（PC管樁），采用高壓旋噴樁處理的復合地基效果要優于PC管樁，并且基于本工程沿線村鎮較多，施工作業應盡量減少噪音擾民；并且沿線多處穿越高壓電力線，作業空間受限較多，因此本次設計優先推薦采用高壓旋噴樁進行深層復合地基處理。

5　不同工點軟基處理設計方案

針對橋頭路基、原高速兩側幫寬路基、大型水塘及取土坑高填方路基等特殊工點，通過技術經濟比較，結合路基穩定及沉降計算分析結論，采取施打高壓旋噴樁、路堤加筋、設置反壓護道、填土預壓等有針對性的路基處置方案，提高地基承載力，保證路基穩定及控制工后沉降。

5.1橋頭路基設計方案

橋頭兩側地基采用高壓旋噴樁處理。根據不同的地質條件和填土高度，處理范圍控制在50～60 m。根據工后沉降差變化設置漸變段，漸變段分3個處理區過渡，高壓旋噴樁樁長12～16 m，直徑0.6 m，采用正三角形布置，間距1.6～2.0 m。通過樁長與樁間距的調整，確保橋頭與一般路基間沉降值的均勻過渡。靠近橋頭20 m范圍內為路基過渡段，填料采用8%石灰土，其余段采用素土或戧灰處理，以實現“由剛到柔，逐級過渡”，控制不均勻沉降，減少橋頭跳車的不利影響，見表1及圖2。

表1　高壓旋噴樁單樁承載力特征值

圖2　橋頭路基處理圖

5.2幫寬路基設計方案

原高速兩側路基幫寬段，為保證施工質量，減小新舊路基的沉降差，在幫寬路基下部采用高壓旋噴樁方式處理地基，旋噴樁自邊坡開蹬的底部臺階橫向外偏移0.5 m處開始布置，并采用8%石灰土填筑路基，邊坡分層開蹬，路基較高處外側設置反壓護道，見圖3。

圖3　幫寬路基處理圖

5.3大型水塘及取土坑等高填方路基設計方案

路線多處穿越大型水塘及取土坑，深度3～6m，采用打壩抽水清淤換填的辦法進行處理，清淤后于塘底鋪設一層鋼塑格柵，其上填筑100 cm厚山皮土，然后進行路基填筑，路基填料采用5%石灰土，分層壓實填至一般路基處理底部，每層厚度不大于20 cm，并根據不同填土高度在灰土層底部設置1～3層鋼塑格柵以增加路基穩定性。為保證路基穩定及縱向邊溝的貫通，在路基臨水側設置反壓護道，同時在反壓護道平臺上設置矩形邊溝，反壓護道平臺高度距離水面不小于1 m且利于邊溝縱向的連接，平臺寬度依據不同填土高度由穩定計算來確定，取值為4～8 m，見圖4。

圖4　水塘（取土坑）段路基處理圖

5.4現澆泡沫輕質土路基

現澆泡沫輕質土是近年來新興的一種建筑材料，它是用物理方法將發泡劑水溶液制備成泡沫，與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經物理化學作用硬化形成的一種輕質材料。在土建工程中也被稱為泡沫混凝土、氣泡混合輕質土等。

5.4.1現澆泡沫輕質土的主要特點

（1）輕質性：普通混凝土容重25 kN/m3，灰土容重18～20 kN/m3，粉煤灰12～16 kN/m3。現澆泡沫輕質土含有大量獨立封閉的氣泡，比較其他材料較輕，其容重為3～15 kN/m3范圍可調。

（2）容重和強度可調節性：通過調整現澆泡沫輕質土中氣泡的含有率，可控制現澆泡沫輕質土干密度在300～1 800 kg/m3之間可調，控制強度在0.3～20 MPa范圍內可調（工程中常用0.3～1.5 MPa范圍）。

（3）填充自密實性：在泡沫輕質土施工過程中，泡沫輕質土在固化前處于液體，具有高流動性，僅嚴格按照設計分層厚度進行施工即可。利用其自流平特性，用于空洞及狹小空間填充，可避免常規填料填充不到位不飽滿的缺陷。采空洞、巖溶區、建筑基坑、隧道垮塌形成的空洞及地下管線周邊空隙，均可采用現澆泡沫輕質土進行回填。澆筑過程中無需振搗，且嚴禁振搗。

（4）固化后的自立性：現澆泡沫輕質土采用水泥為固化劑，故在水泥終凝后形成超固結狀態，固化后具有自立的特性，對其他結構物不產生側壓力。

（5）保溫隔熱性：現澆泡沫輕質土屬于A級不燃材料，且保溫效果好；現澆泡沫輕質土的導熱系數小，其隔熱性能明顯，且導熱系數隨容重的增加而減小。

（6）耐久性：現澆泡沫輕質土屬于水泥類材料，使用壽命與水泥混凝土相同，可根據當地地理環境適當參入外加劑，抵抗外界環境腐蝕，同樣具備較好的耐久性。

（7）環保性：2015年3月全國“兩會”會議上環境保護已做重點明確要求，建筑領域的環境保護措施將更加嚴格，新型環保產品將替代傳統材料登場使用。

現澆泡沫輕質土施工設備采用全封閉式攪拌設備，施工現場無揚塵，對土壤、水、空氣等自然環境均無污染。應用于山區陡峭路段的路基填筑過程中，可避免高填高挖等對環境的破壞，對保護自然生態環境保護意義重大。

（8）施工便捷性：現澆泡沫輕質土的制作點與施工現場澆筑點可分離，采用直徑10 cm的軟管泵送，澆筑點占地面積小，可在狹小空間內施工，施工便捷高效。

5.4.2現澆泡沫輕質土在工程中的主要應用

（1）橋頭輕質路基：替代軟土地區橋頭深層路基處理和石灰土填筑路基，可避免橋臺背壓實困難，減輕橋頭跳車，縮短工期，降低造價。

（2）舊路加寬路基填筑：施工作業面小，不需施工便道，幾乎不需額外征地，減少了新舊路基之間的差異沉降，并可取消深層路基處理，節省造價。

（3）橋梁減跨：因為輕質土具有自立性和輕質性，可用高路基替代橋跨，大幅節省造價。

（4）大跨度結構工程覆土減荷：因輕質性，在增加厚度的同時可以減輕施加到結構上的荷載，在地鐵等工程中應用廣泛。

（5）狹小空間的回填：巖溶區、采空區、管道回填等部位，因輕質土重量輕、不需壓實、作業面小、施工快速，可替代傳統材料填充狹小隱藏空間。

（6）山區陡峭路段路基填筑：降低荷重，減少路基自身的滑動力距，提高路基的抗滑穩定性；可垂直填筑，支護簡便，可優化半填半挖路基選線，避免高填帶來的穩定性問題及大量占用土地資源的弊端，以及高挖帶來的高邊坡支護代價及對環境的破壞問題。

5.4.3現澆泡沫輕質土的應用

現澆泡沫輕質土在工程中有著廣闊的應用前景，在本高速項目中，選取一處橋頭點位嘗試運用該工藝。

本工程中，規劃主干路一分離式立體交叉橋跨越大片水塘，橋臺離水塘最近處只有10 m，且離趙溫莊很近，最近處只有30多米，橋頭下存在較厚的軟弱粘性土，針對該橋頭點位，我們分別采用兩種路基方案進行詳細技術經濟比較：

方案一：橋頭高壓旋噴樁進行軟基處理，石灰土或素土填筑路基橋頭處理范圍控制在50 m。根據工后沉降差變化設置漸變段，漸變段分3個處理區過渡，通過樁長與樁間距的調整，確保橋頭與一般路基間沉降值的均勻過渡。靠近橋頭20 m范圍內為路基過渡段，填料采用8%石灰土，其余段采用素土或戧灰處理。因臨近大型水塘，橋臺前錐坡下增設三排樁，見圖5。

圖5　橋頭路基深層處理設計圖（方案一）

方案二：橋頭現澆泡沫輕質土填筑路基

橋頭50 m范圍內，清表厚度0.3 m，回填0.5 m厚度級配碎石，其上分層填筑泡沫輕質土至路面結構底部。

泡沫輕質土施工濕密度級別D600,強度等級F0.8。在距離輕質土路基頂面、底面60 cm及中間位置各鋪設一層金屬網，金屬網采用Φ4 mm不銹鋼絲網,網眼規格10 mm×10 mm。輕質土頂面由石灰土找坡。

本工程泡沫輕質土表干容重為3.8 kN/m3，遠低于石灰土容重，填土減荷效果明顯，在不進行深層路基處理的情況下，經計算，工后沉降控制效果顯著見圖6。

圖6　橋頭現澆泡沫輕質土路基設計圖（方案二）

方案比選見表2。

表2　方案比選表

綜上，從各方面來講，方案二現澆泡沫輕質土路基相對方案一傳統的加固土樁深層處理工藝均存在一定的優勢，該橋頭軟基點位推薦采用方案二，該工藝值得在同類項目中進行推廣應用。

6　高填方路基填筑沉降觀測

對于橋頭、大型水塘等高填方路基，應通過監控路堤的地表沉降及路側水平位移來控制填筑速率，保證路基填筑時的穩定。地表沉降觀測采用沉降板，路側水平位移通過邊樁來觀測。

施工期間應嚴格按要求同步進行沉降和側向水平位移的跟蹤觀測，每填筑一次觀測一次；如果兩次填筑間隔時間較長，每3 d至少觀測一次。預壓期內前兩個月必須每周觀測一次，以后每兩周觀測一次。

當路基穩定出現異常情況可能失穩時必須立即停止加載并采取果斷措施，待路堤恢復穩定后方可繼續填筑。判斷路基可能失穩的條件：沉降速率不小于1.0 cm/24 h或水平位移不小于0.5 cm/24 h。

圖7為津蘆南線立交主線橋北側橋頭位置在填筑期間（2015年3月1日～2015年3月21日）及預壓期（2015年3月21日～2015年9月21日）按設計要求進行沉降跟蹤觀測，得到沉降曲線。津蘆南線立交主線橋北側橋頭位置填土高度為5 m（路基填土高度4.2 m，路面結構厚度0.8 m）。

沉降觀測數據表明在路基填筑施工期間，路中累計沉降量為49.2 mm，右側路肩累計沉降量48.5 mm，左側路肩累計沉降量47.6 mm。預壓期結束時路基累計沉降量100～110 mm，與沉降計算基本吻合。

圖7　橋頭填土沉降觀測曲線

7　結語

道路軟土地基處理方案有很多種，應結合當地工程地質條件、材料供應、具體點位、工期要求、綜合造價和環境保護等因素，按照因地制宜、就地取材、分期修建、綜合處治的原則進行充分論證，在保證質量的前提下積極采用綜合效益更優的新材料新技術，使得設計成果和施工方案達到最優。

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武深高速嘉通南段（赤壁至通城段）建成通車

武深高速（G4E）嘉通南段（赤壁至通城段）近日建成通車。該段高速將京港澳高速與杭瑞高速有效連接，在湖北最南邊形成環線。

武深高速縱貫湖北、湖南和廣東三省，連接武漢城市圈、長株潭城市群和珠三角經濟圈，是京港澳高速以東的另一條南北大通道。武深高速嘉通段由中交投資與中交二航局、中交二公院等共同投資，采取“BOT+EPC”模式建設，項目全長91.4 km，設計概算89.49億元。

武深高速全線貫通后，將極大緩解京港澳高速的壓力，同時將武漢至深圳高速公路里程縮短180 km。

U416.1

B

1009-7716（2016）03-0033-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.010

2015-11-23

蘇勇（1981-），男，山東臨沂人，高級工程師，從事公路與城市道路工程設計工作。