高速公路改擴建施工中軟土地基處理措施

陳義兵 盛偉

摘 要：本文以來安至六合高速公路滁州北樞紐范圍內寧洛高速雙側拼寬段為依托，解決高速公路在軟土地區拓寬項目中出現的各種病害，圍繞軟基沉降理論值的計算及多種處治措施，包括換采用土墊層法、輕質填料法、預應力混凝土灌樁法、鋪土工格柵法、水泥攪拌樁等的具體特點和各自的適用范圍展開了分析。結合某高速公路拓寬的實例項目展開研究，檢測其新老路基間在采用水泥攪拌樁做出相應處治前后，出現的不均勻沉降情況，并對其處治效果做出客觀評價。

關鍵詞：高速公路;路基拓寬;軟土地基;處治措施

軟土地基的成分較為特殊，其土層主要有松土、有機質、大空隙泥炭以及沙子等。故而其強度通常較小，提供不了多大的承載能力，含水量通常較高，滲透性也不強。這樣一來其上方公路可能會出現路基不穩定，大幅度沉降之類問題。而且軟土地基處的公路，其路面更加容易開裂，橫向坡度不大。應用銜接技術可以對高速公路的改擴建工程質量加以改善，故而需要對其銜接技術的應用實施有效控制，以便于大幅度提升高速公路項目的質量。

1 軟基路基的拓寬與沉降計算

1.1 軟基處治目的

（1）加寬后的路基會使軟基上部的荷載量相應增加，這樣一來土體中的附加應力也會隨之增加，土層中必然會在豎向產生一個較大的壓縮量。而之前的路基在之前已經徹底固結，只會出現極小的沉降變形，因此新老路基間必然會形成沉降差，使地基承載力變小、導致路堤邊坡出現失穩現象，路面出現裂縫等病害。（2）公路加寬工程中新老路基結合部位采用的施工技術通常比較復雜，因此質控難度比較大，軟基處理時應防止與路堤填筑產生相互干擾。（3）路基拓寬后出現的沉降變形基本上來自軟基上的沉降與路堤發生的壓縮，故應該從削弱軟基變形程度，以及減小路堤填料壓縮量，這兩個方面予以解決。

1.2 軟基沉降

在針對高速公路項目的改擴建工程展開施工時，其軟基變形可分為主固結沉降（Sc）、瞬時沉降（Sd）和次固結沉降（Ss）三個不同階段。對沉降變形進行計算的時候，需要利用分層總和法，瞬時沉降指的是在加載那一瞬間，因孔隙水壓力排不出去，土骨架承受不住有效應力而產生的，只出現變形而體積不會被壓縮，該沉降量取決于加載速率;軟基沉降主要是主固結沉降，當固結時間逐漸增加時，土層內超靜孔隙水壓會在荷載作用下逐漸消散，孔隙體積隨之不斷收縮，土骨架逐漸承受更大的應力，從而使土體出現沉降，該沉降量正比于壓縮時間;次固結沉降在主固結沉降大致完成后出現，作用在土骨架上的有效應力不再發生變化后，土體變形量會在土體蠕變作用下加大。

2 高速公路拓寬工程中的軟基處理

2.1 淺層軟基處理

2.1.1 換土墊層法

換填法用于對淺層軟基進行處理，其原理是挖除地面以下3 m內的軟土層，以水穩性強、強度比較大的碎石、砂、粉煤灰等進行換填處理，并按要求夯實，以強化地基的承載性能，消除地基及其下臥層當中的沉降現象。

2.1.2 土工格柵

在拓寬高速公路時，在軟基上鋪設土工格柵，可在削弱地基沉降變形程度的同時，強化拓寬后路基的整體穩定性，消除新老路基間出現的差異性沉降。因土工格柵具有凹凸不平的粗糙表面，能與土顆粒充分結合，二者之間的摩擦力和咬合力比較大，不易相互脫離。故而土工格柵的使用會讓軟基中產生加筋土，使軟土路基的抗剪、抗壓性能得以強化、減小其可壓縮性。當土顆粒受到外力作用時，因土工格柵的壓縮彈性模量與土體不同，二者在外力作用下出現的抵抗變形程度也有差異，因此就會出現相對位移。這樣一來，土顆粒接觸土工格柵的部位就會出現摩擦力與咬合力，土體的抗剪、抗壓性能因此而得以強化，土體的變形性能也隨之改善。而且，土顆粒相對土工格柵發生位移時，會使纖維由于受拉而產生界面應力，從而阻礙土工格柵發生相對滑動。土工格柵具有相當不錯的抗拉性能，可以分擔不少原本作用于土體上的外部荷載，故而土體的荷載也會因此而削弱。

2.1.3 輕質填料

輕質材料通常質量較小，公路加寬處以輕質材料予以填筑處理，可減小施加在軟基上的荷載，從而削弱土體中產生的附加應力，減小沉降變形程度。路堤所用的輕質填料中，比較常用的有適用于老路沉降尚未結束且對環境不是很敏感路段的石灰與粉煤灰組成的二灰，以及適用于沉降快，對路基震動要求特殊地段的泡沫混凝土。而且，應該采用開挖高0.5 m～1.0 m、坡比1：1～1：2臺階的方式，在輕質材料的填筑路段與其他路基間設置過渡段，以使道路保持整體穩定。

2.2 深層軟基處理

2.2.1 預應力混凝土管樁

預應力混凝土管樁是一種剛性樁，通常用于處理軟基上荷載比較大，要求嚴格控制變形量的高路堤路段，或者是橋頭與路堤之間的過渡段，其處治深度在12 m～20 m之間。布置時最好設計為正方形，如果場地允許，沉樁時最好采用靜壓法。

2.2.2 水泥攪拌樁

水泥攪拌樁通常適用于老路沉降已經結束，且拼寬比較大的軟土路段，或者是橋頭，其處治深度通常在8 m～20 m之間。結合《公路路基設計規范》（JTGD30-2015）要求，在處治高速公路改擴建工程中的軟土路基時，水泥攪拌樁的樁徑應該取在350 mm～500 mm之間，最好布設成梅花形，并在樁頂鋪厚度為20 cm的碎石層。

3 軟基處治效果的評價

來安至六合高速公路滁州北樞紐范圍內寧洛高速拼寬段采用的改造方式為雙側加寬，該實例工程沿線具有較為復雜的地質條件，有多處淤泥質土、淤泥等軟土存在，且地下水位較低。本文研究對象的軟土厚約8 m，選擇以水泥攪拌樁加以處治，以有限元軟件FLAC3D5.0分析處治前后的不均勻沉降情況。

3.1 建立計算模型

FLAC3D軟件需要基于摩爾-庫倫準則對軟土路基沉降展開計算，其參數較為簡單，實例工程中路基填料18 kN/m3和軟土層的容重21 kN/m3、黏聚力24 kPa、內摩擦角26°、泊松比0.28、彈性模量0.3。水泥攪拌樁樁徑1 m，樁間距

2.4 m，樁長有10 m三種。抗彎剛度設定為6×104 kPa/m2，軸向剛度設定為2.8×106 kN/m。計算模型的3 824個單元網格尺寸取1 m，劃分為三角形，節點2 678個。模型底部采用不透水邊界，路堤頂部、邊坡坡面設置為自由邊界，地基土需要設置水平約束。

3.2 沉降分析

監測點1#設置在老路路基中心;2#設置在新舊位置結合處;3#設置在加寬路基邊緣。結合計算結果來看：原有路基中心沉降量最顯著，加寬路基外緣的沉降最輕微。因軟基的承載能力在處置后有大幅度提升，在采用水泥攪拌樁進行處治前后，軟基中1#、2#、3#監測點產生的沉降量全部大幅降低，處治前路基沉降量最大時達到為15.3 cm，處治后最大不過6.4 cm，沉降變形消除了58.2%。足以證明在高速公路項目的拓寬過程中，采用水泥攪拌樁進行軟基處理的可行性。

4 結語

本文結合高速公路項目實際拓寬工程，分析軟土路基處治的可用措施與處治效果，得結論如下：（1）路基加寬會使軟基上部荷載加大，促使土中形成附加應力，并產生明顯沉降變形，從而使新老路基間出現沉降不均現象;（2）處治路基加寬的軟基時，淺層處治措施有換土墊層法、土工格柵法、輕質填料法等;深層處治措施有水泥攪拌樁法與預應力混凝土管樁法等;（3）采用水泥攪拌樁對軟土路基進行處理后，其承載力明顯提升。沉降量顯著削弱。

參考文獻：

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