沪宁高速公路建设工程中的软土地基处理分析

2004年短学期实习期间,我们参观了沪宁高速公路南京段扩建工程的施工现场,几位领导亲自为我们介绍了工程中的相关技术,包括软土路基预处理,2004年6月1日起到2006年底通过交通管制进行不封闭施工作业,等。这里主要讲软土路基处理。

在沪宁高速公路建设过程中,我们积累了在江苏省的软土环境下建设高速公路的大量经验,对路基沉降有了一定的研究。在这次沪宁高速公路扩建工程中,我们计划使用无沉降技术处理该工程路基。虽然这具有一定难度,但使用该技术,能有效地减少甚至避免路基沉降在工程结束以后,对路体造成的剪切力破坏,保证路体的稳定性。

正文――解决问题:软基处理的目的主要是使建筑物修建以后能正常使用,对高速公路路堤来讲也就是保证,路堤不会产生局部和整体剪切破坏,满足强度及稳定性要求;公路使用期不致发生较大的沉降和不均匀沉降,以保证路面结构完整和车辆高速平稳行驶。江苏东段沿线软土以淤泥质粘性土为主,含水量为35%~50%,承载力为50~70kPa,软土有一定埋深。极个别地段埋有含水量达200%的有机质土,由于土层很薄,仅0.3~0.8m,且埋深达5~8m,对路堤的稳定和沉降影响很小。关于软土的定义目前尚无一致意见,国内一般把孔隙比大于1的粘性土叫淤泥质土,也划归软土范围。

关于高速公路沉降控制标准,目前采用的方法有固结度法,沉降速率法以及工后沉降量法三种。

所谓固结度法是指路堤修筑后,地基的固结度达80%~90%后再修筑路面,从概念上讲,此时绝大部分的沉降量已发生,残余沉降不会很大,但当总沉降量很大时,即使尚有10%~20%固结度未完成,今后在使用期仍有可观的沉降量发生,这是此法的缺点。

沉降速率法是在路堤修筑以后观测沉降变化过程,当沉降速率小于某一数值(如10mm/月)后再铺设路面,根据观测到的沉降变化过程还可推算出今后尚可能发生的沉降量,此法较为合理,但需建立现场沉降观测资料,施工期限也较难预估。

工后沉降法是以公路在整个运用期可能发生的沉降量大小进行控制,一般认为高速公路运行15~20年后即需进行大修。工后沉降的时间范围有的从铺设路面时开始,也有从铺完路面后算起的。由于铺设路面所增加的荷载,对软土地基有时会产生可观的沉降量,我们认为还是以铺设路面开始算为好,因铺上路面以后所发生的沉降必然影响到路面的质量。

工后沉降的控制标准,目前国内普遍采用的是桥头接坡处不超过10cm,一般路堤不超过30cm,沪宁高速公路江苏段也采用了此标准,我们认为是合理的,这是因为桥墩桥台的基础通常都采用桩基础,本身沉降极小,如桥头填土的沉降过大,则车辆通过时会产生严重跳车,因之要求较严格。至于一般路段,填土高度及地层情况均是渐变的,虽然总沉降量较大,而不均匀沉降仍相对较小,故可适当放宽。

控制工后沉降的根本目的是使道路纵坡和横坡不致因沉降差而造成路面结构的损坏以及高速行驶中的车辆平稳和舒适。至于通道及涵管等人工构筑物衔接处的工后沉降,一般亦按桥头的控制标准。我们认为可根据构筑物地基的不同处理方法可适当放宽,如构筑物基础采用的桩基础,则两侧填土工后沉降限制为10cm,如采用浅层处理,或者堆载预压而后反开挖修建构筑物,因此时构筑物和路堤基本是同步下沉的,则允许沉降可放宽至20~30cm,此时通道的底部高程应适当提高。「1」

沪宁高速公路扩建中,我们通过反复的人工预压,使得地基的固结度达95%以上之后,才按计划开始逐层铺设各种质地的总共数十层基层,并且每层都反复数次压实。如此一来,公路建好后的沉降几乎可以不记,最多也不过一两个厘米,便确保了今后路面结构的完整和车辆的高速平稳行驶。

评价:固结沉降计算方法的建议目前关于固结沉降计算的方法很多,归纳起来,有取实际压力变化范围的e-p′曲线法,采用100~200kPa压力范围的压缩系数法、e-lgp′曲线法和有限元法。

从设计单位获得的土工试验资料来看,各单位提供的土压缩性指标以快速法求得的压缩系数aV1-2(或E1-2)较为丰富,e-p′曲线不足五分之一,e-Lgp′曲线只有20多个断面资料,另外4个标段16个断面的三轴试验成果还是后期补充的。问题的关键是,如何充分利用现有的资料估算沉降量,满足生产的需求。

为估计常规计算方法适用性,表1列出了用压力为100~200kPa所对应的压缩系数aV1-2降量进行比较。可知aV1-2法算得到的沉降量一般大于e-Lgp′法。这是因为aV1-2法没有考虑应力历史的影响的原故。两者的差异,可以用MS1表示超固结影响系数,一般在0.70~0.93之间。MS1系数小至0.45的情况,是由于先期固结压力高,堤身低,软土层分布又接近于上层的原故;也有MS1大于1.0的情况,是由于所估算断面处的先期固结压力较小,堤身高,软土分布在下层属正常固结土。压缩变形采用Cc计算的原故。

基于沪宁高速公路建设期间的数据,利用软基处理汇总程序包用于汇总地基钻孔资料,原设计方案和变更设计方案的成果,程序包分为两个处理模块,第一个模块用于按图示比例生成地质钻孔图和设计方案汇总表;第二个模块用于生成地质钻孔简图以及地基土层的各种参数表。两个模块可以分开运行,也可连接运行。本程序包全部采用autolisp语言编成,由于工作在autoCAD环境下使得图表和图形比较容易地合为一体;同时也简化了设计方案中复杂数据形式的处理。

分析:如果在沪宁高速公路扩建工程能够打破以往的常规,使得路基沉降在建设工期内大体上完成的话,这对于工程建成后的保养是大有好处的。但是,在开始时技术上却仍然是很有难度的。

而要实现这个目标,首先,南京一带的软土地层还算比较结实,沪宁高速公路各段观测到的沉降量在7~40cm左右,不像苏北地区有的地段甚至经不起压实处理;其次这在技术上,国内已经积累了大量经验,经过相关的专家,学者的长期考证,认为这是可以通过技术攻关最终达到的。

解决方案:

1.锯齿状接触部分逐层接合;

2.特别的技术处理外四车道地基;

3.与外部新建四车道一起重新铺设内部四车道面层。

4.通过交通管制进行不封闭施工作业。

具体措施:

1.扩建工程在双向四车道外两边,各新建两车道,以形成双向八车道的高速公路,其路基宽42.5米。新建部分与原有部分通过锯齿状接触部分逐层接合,以便使公路的新旧两部分尽可能稳固地接合。锯齿状接触部分的工程是在公路从内向外数第二车道下展开的。待到路基建好以后,与公路内两车道一起,重新铺设面层,以保证路面外观的和谐。

2.使用特别的技术处理外四车道地基(如图所示):外四车道地基光是基层就被细分为十多层,为了保证“无沉降”目标的顺利达成,每一层都经过多次碾压,反复夯实,如图1中所示,多台压路机同时作业;压实之后,用塑料薄膜掩盖保存,以免雨淋后导致土质基层再次变松,然后进行其他路段的作业。

3.考虑到内层的四车道已经使用了数年,不论是从理论上还是从实际观测上讲,都不会再有明显的下沉发生。另外,八车道高速公路建好后,内部的超车道使用频率将是很少的,只有在超车瞬间时汽车才在该道上行驶,其他平稳行驶时间都集中在外面的行车道上,这也保证了内层四车道不会再有明显的下沉发生。

在外车道上,我们使用了特别的技术处理,也已经大体上保证其不会在建好之后发生可以察觉的下沉,以确保路堤不会产生局部和整体剪切破坏,满足强度及稳定性要求,保证路面结构完整和车辆高速平稳行驶。

4.考虑到沪宁高速公路是东南沿海的黄金通道,如果因为扩建施工而要封闭作业一年半载,将带来巨大的经济损失。所以决定,2004年6月1日起到2006年底通过交通管制进行不封闭施工作业。施工期间,双向四车道的一半边将继续保持运行状态,单向的两车道将改为双向两车道运行。我们参观时,是西东向的正在施工,原东西向的仍正在通车。

结论:

(1)软基处理是高等级公路建设中的一个关键环节,地基处理的成败直接关系到高速公路的使用性能,应当引起我们的高度重视,从地质勘察、设计到沉降观测都应合理安排,尤其是施工中的沉降观测对施工组织、工期起着重大作用。

(2)桥头跳车是影响高速公路使用质量的关键,应慎而又慎,最可靠安全的办法就是采取措施使总沉降在"工前"基本完成,在所有的处理方案中,只有固结排水加等载或超载预压方案最为经济合理,但需要时间。复合地基可在短时间内提高承载力,减少总沉降,但费用较高,对于桥头软基一般还需要(等载或超载)预压才能满足沉降要求。选择何种处理措施应视地质情况、构造物特点及填土高度等不同而不同。

(3)利用路堤堆载预压是最经济的处理方案,它对沪宁高速公路路基软土性质并不很差,又普遍存在粉砂夹层的中低路堤的路段来说,它的加固效果实在,消除工后沉降作用明显。当工后沉降仍不满足要求时,还可采用等或超载预压的办法使之满足工程设计要求。

(4)砂垫层在高速公路中仅起排水固结界面的作用,砂垫层的砂料可用其他具有一定透水性材料替代,为防泥污染,对结合土工织物的砂垫层的厚度,可由50cm减薄至30cm