高速公路軟基地段處理及工后沉降預(yù)測(cè)研究

周健

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

軟基地段作為高速公路工程中的重要組成部分，是施工中的重點(diǎn)地段，對(duì)施工質(zhì)量要求較高[1]。軟基地段主要由軟土土體組成，如黏土、粉土、松散砂[2]。相對(duì)于其他公路地段來(lái)說(shuō)，軟基地段的壓縮量較高，抗壓強(qiáng)度較低，在后續(xù)投入使用過(guò)程中該地段沉降量較大[3]。造成這一問(wèn)題的原因在于軟土土體中有機(jī)物質(zhì)含量較高。高速公路與普通公路存在較大的差異，主要體現(xiàn)在車輛行駛的速度較快，一旦高速公路軟基地段處理不當(dāng)，就可能引發(fā)該地段出現(xiàn)大幅度沉降，造成嚴(yán)重的安全事故[4]。

基于此，本文對(duì)高速公路軟基地段做出了全方位的分析，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)其病害特征，提出了一種全新的軟基地段處理方法，為提高高速公路運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性作出貢獻(xiàn)。

1 高速公路軟基地段處理方法

1.1 置換軟基地段不良土體

本文設(shè)計(jì)的高速公路軟基地段處理方法中，首先，結(jié)合高速公路的實(shí)際運(yùn)行狀況與特征，依據(jù)公路設(shè)計(jì)圖紙，明確其中的軟基地段位置。其次，在此基礎(chǔ)上檢測(cè)軟基地段是否存在病害風(fēng)險(xiǎn)與隱患。一旦軟基地段存在病害隱患，則采用換填墊層法，置換其中土質(zhì)較低的不良土體[5]。

首先，對(duì)存在病害隱患的軟基地段進(jìn)行開(kāi)挖施工，設(shè)定開(kāi)挖深度，挖出其中的不良土，并將其去除。基于高速公路工程的實(shí)際建設(shè)需求與運(yùn)行需求，選取工程特性優(yōu)良的復(fù)合材料[6]。在復(fù)合材料選取中，以材料造價(jià)、抗壓縮性能、抗剪強(qiáng)度為主要選取要求，在保證復(fù)合材料使用性能的情況下，減少造價(jià)成本[7]。

其次，將選取后的復(fù)合材料，通過(guò)回填的方式回填到軟基地段開(kāi)挖位置，利用工程機(jī)械進(jìn)行反復(fù)碾壓，直至壓實(shí)為止[8]。碾壓結(jié)束后，在該地段進(jìn)行墊層處理。這一步驟的主要目的在于擴(kuò)散傳遞軟基地段上的應(yīng)力，有效地提高該地段的承載力，完成軟基地段不良土的置換處理。

1.2 設(shè)計(jì)反壓護(hù)道

基于上述高速公路軟基地段不良土置換處理完畢后，接下來(lái)設(shè)計(jì)軟基地段反壓護(hù)道，全方位地提高高速公路路堤的穩(wěn)定性。

本文設(shè)計(jì)的高速公路軟基地段反壓護(hù)道結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 高速公路軟基地段反壓護(hù)道結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，首先，明確高速公路軟基地段存在病害的路堤位置，結(jié)合高速公路寬度的實(shí)際情況，在路堤兩側(cè)分別設(shè)置寬度與高度相同的反壓護(hù)道，用于固定路堤。在設(shè)計(jì)反壓護(hù)道時(shí)，綜合考慮高速公路路堤填筑的高度，保證其高度小于1.5～2 倍的極限高度。其次，在此基礎(chǔ)上采用分開(kāi)填筑的方式，設(shè)計(jì)反壓護(hù)道的高度為現(xiàn)有高速公路路堤填土高度的1/3。通過(guò)設(shè)計(jì)軟基地段反壓護(hù)道，一方面能夠避免軟基地段出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，另一方面能夠提高軟基地段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.3 工后軟基地段沉降預(yù)測(cè)

在上述高速公路軟基地段處理結(jié)束后，對(duì)該地段進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)。若預(yù)測(cè)結(jié)果符合高速公路相關(guān)要求，則完成軟基地段處理；若預(yù)測(cè)結(jié)果不符合，則需要再次進(jìn)行軟基地段處理，全面保障軟基地段的穩(wěn)定性與安全性。

本文設(shè)計(jì)的沉降預(yù)測(cè)方法采用雙曲線法原理，根據(jù)高速公路軟基地段填筑高度與填土?xí)r間，預(yù)測(cè)土體沉降值，沉降量的計(jì)算公式為：

式（1）中：H0表示高速公路軟基地段初始時(shí)刻土體的沉降量；t表示任意沉降監(jiān)測(cè)時(shí)刻；t0表示高速公路軟基地段初始監(jiān)測(cè)時(shí)刻；m、n表示不同的軟基地段沉降量待定系數(shù)，根據(jù)高速公路軟基地段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。通過(guò)計(jì)算，獲取軟基地段在任意時(shí)刻的沉降量，基于沉降量結(jié)果與軟基地段填筑高度、時(shí)間，預(yù)測(cè)工后軟基地段的沉降情況。根據(jù)公路路基沉降允許值標(biāo)準(zhǔn)，判斷軟基地段處理效果。

2 實(shí)例分析

針對(duì)當(dāng)前高速公路軟基地段穩(wěn)定性與牢固性較差的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了軟基地段處理方法，綜合上述內(nèi)容為本文設(shè)計(jì)處理技術(shù)的整體流程。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的方法的可行性與實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行如下文所示的實(shí)例分析。通過(guò)此次實(shí)例分析，一方面驗(yàn)證了本文提出處理方法的有效性；另一方面對(duì)工后高速公路軟基地段沉降情況做出合理預(yù)測(cè)，判定上述設(shè)計(jì)方法中是否存在不足。

2.1 工程概況

選取某地區(qū)M 高速公路工程為此次研究的依托。

M 高速公路工程項(xiàng)目位于平原軟土地區(qū)，所在區(qū)域地形相對(duì)平坦。該高速公路采用8 車道的公路標(biāo)準(zhǔn)，公路路基寬度為45m。M 高速公路工程于2012 年9 月建成通車，相關(guān)工作人員定期對(duì)高速公路各個(gè)地段的質(zhì)量與安全性作出檢測(cè)，保證高速公路各個(gè)地段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性。在最近一次質(zhì)量檢測(cè)中，工作人員發(fā)現(xiàn)M 高速公路部分軟基地段的穩(wěn)定性大幅度下降，出現(xiàn)了不同程度的病害問(wèn)題，降低了軟基地段結(jié)構(gòu)的承載能力與抗壓強(qiáng)度，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)與隱患。由于M 高速公路工程軟基地段規(guī)模較大，傳統(tǒng)處理方法無(wú)法對(duì)各個(gè)地段作出精確處理。基于此，將上述本文提出的處理方法應(yīng)用到M 高速公路工程軟基地段處理中，并對(duì)工后軟基地段的沉降作出預(yù)測(cè)，進(jìn)而驗(yàn)證本文提出方法的可行性。施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)

M 高速公路軟基地段的地層表面由可塑狀粉質(zhì)黏土、流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、軟塑狀粉質(zhì)黏土共同組成。經(jīng)過(guò)本文整理與統(tǒng)計(jì)，獲取到該高速公路軟基地段軟土厚度占比情況，如圖3 所示。

圖3 M 高速公路軟基地段軟土厚度占比

如圖3 所示，根據(jù)軟度厚度占比情況，對(duì)軟基地段失穩(wěn)與不均勻沉降作出分析與預(yù)測(cè)。

2.2 結(jié)果分析

按照上述本文設(shè)計(jì)的軟基地段處理方法與流程，對(duì)M 高速公路存在失穩(wěn)與不均勻沉降問(wèn)題的軟基地段進(jìn)行處理。處理后，在軟基地段布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)儀器。為了提高沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度與準(zhǔn)確率，本文采用型號(hào)為ZH-7847 的電感式智能沉降計(jì)，其量程超過(guò)400mm，敏感度為0.1mm。當(dāng)軟基地段土體發(fā)生位移變化時(shí)，該監(jiān)測(cè)儀器通過(guò)電磁感應(yīng)原理得到土體位移變化，自動(dòng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程傳輸性能較強(qiáng)。沿高速公路軟基地段縱向進(jìn)行打孔，設(shè)置打孔間距為1m，分別在孔內(nèi)布設(shè)6 組沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)號(hào)處理，分別標(biāo)號(hào)為GHJCD-01、GHJCD-02、GHJCD-03、GHJCD-04、GHJCD-05、GHJCD-06。為了更加直觀地驗(yàn)證本文提出的軟基地段處理方法的優(yōu)勢(shì)，采用對(duì)比分析的方法，將上述本文提出的處理方法與文獻(xiàn)[1]提出的基于樁板結(jié)構(gòu)的軟基地段處理方法、文獻(xiàn)[8]提出的軟基地段高填方路基處理方法進(jìn)行對(duì)比。

三種方法的高速公路軟基地段沉降量預(yù)測(cè)精度比較結(jié)果，如表1 所示。

表1 沉降量預(yù)測(cè)精度比較結(jié)果（%）

分析表1 中的結(jié)果可知，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量預(yù)測(cè)精度的變化均不同，其中本文方法的沉降量預(yù)測(cè)精度最大值為98.7%，最小值為95.8%，平均值為97.4%；文獻(xiàn)[1]方法的沉降量預(yù)測(cè)精度最大值為88.4%，最小值為84.7%，平均值為86.4%；文獻(xiàn)[8]方法的沉降量預(yù)測(cè)精度最大值為79.4%，最小值為75.4%，平均值為77.6%。與實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法相比，本文方法的高速公路軟基地段沉降量預(yù)測(cè)精度更高，預(yù)測(cè)結(jié)果更為精準(zhǔn)。

設(shè)定沉降監(jiān)測(cè)周期為180 天，采用有限元分析軟件，測(cè)定6 組軟基地段沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)土體沉降量變化，如表2 所示。

表2 三種處理方法工后軟基土體沉降量對(duì)比

根據(jù)表2 的工后軟基土體沉降量監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在三種軟基地段處理方法中，本文提出的處理方法應(yīng)用后其各個(gè)軟基地段沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土體沉降量均小于另外兩種處理方法。在180 天的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，高速公路軟基地段土體沉降量均小于等于3.0mm。由此可見(jiàn)，本文提出的處理方法，能夠有效地提高高速公路軟基地段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與牢固性，改善其存在的病害問(wèn)題，軟基地段土體沉降變化較小，不會(huì)對(duì)公路產(chǎn)生不利影響，處理方法的可行性較高。

3 結(jié)語(yǔ)

由于軟土的承載能力較弱、壓縮性較大，在高速公路軟基地段中存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與牢固性較差的缺陷。傳統(tǒng)軟基地段處理方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍然存在一定的不足，為了改善這一問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)軟基地段處理方法作出了優(yōu)化改進(jìn)，提出了一種全新的處理技術(shù)。通過(guò)本文的研究，對(duì)于有效提高高速公路軟基地段的承載能力與抗壓強(qiáng)度，優(yōu)化軟基地段的穩(wěn)定性，工后沉降概率大幅度下降，對(duì)保證行車舒適性、安全性均具有重要研究意義。