杭嘉湖平原软土地区某高速公路软基处理评价

时间：2024-12-27

管红辉，古海东，任超，谢家冲，周高云

（1.浙江大学建筑工程学院，杭州 310058；2.浙江省交通规划设计研究院，杭州 310011；3.浙江公路水运工程咨询公司，杭州 310006）

0 引言

软土具有承载力弱，含水量高、压缩性大等特点，在这类地区上修建的公路往往由于工后沉降造成行车舒适性下降。如杭甬高速公路一期工程，采用塑板-堆载预压法处理软基，投入运营10年后，地基沉降仍以1～5mm/月的速率发展［1］；沪嘉高速公路通车4～5个月后桥头错台达7～8cm［2］。因此，有必要对已通车运营的高速公路进行软基处理效果评价，为类似工程减少工后沉降和桥头跳车现象提供理论指导和经验积累。

目前对高速公路软基处理评价大多数为基于行车舒适性与现场路面调研情况的定性评价，或者基于少数断面的短期工后沉降进行定量评价，而利用长期沉降进行软基处理效果评价的研究较少。如吴昌胜等［3］通过实地调研高速路面车辙、裂缝、跳车等情况来对沪苏浙高速进行软基处理评价；雍金兵等［4］利用某高速公路4个断面的近半年沉降数据分析了桥头路段不同软基处理的加固效果。

文中对依托项目主线路段的软土层分布情况、物理力学指标、厚度等进行了调研，并对主线路段软基处理情况进行了分析；最后通过预压期和工后沉降数据进行双曲线拟合并预测工后15年沉降，再结合现有规范中工后15年沉降允许值，对依托项目软基处理开展定量评价。

1 工程及地质概况

工程位于杭嘉湖平原软土地区，采用8车道高速公路标准，路基宽42m，工程于2013年7月建成通车，监测单位对整个项目施工期和通车后2年的缺陷责任期进行了沉降观测。

工程项目地处冲湖积平原，地形平坦，河渠密布，地层表部主要为②1’层软塑～可塑状粉质粘土（地表硬壳层），厚1.1～6.2m。其下卧软土层：②2层流塑状淤泥质粉质粘土、②2’层软塑状粉质粘土。依据地勘资料，调研整理了全线9个合同的软土层分布情况及物理力学指标，如表1所示。发现第6合同只有②2软土层，其余合同均存在②2和②2’软土层；且②2和②2’软土层沿深度分布不均匀，②2软土层厚1.0～26.3m，②2’软土层厚0.5～20.5m。主线路段沿线软土层具有含水量高、孔隙比大、压缩性高等特点，工程地质性质较差，易造成地基过量沉降、不均匀沉降、地基失稳等问题出现。

表1 各合同主要软土层物理力学指标统计（平均值）

对工程主线路段软土厚度进行整理统计，如图1所示，全线分布浅-中厚层软土，软土厚度范围为0～30m，其中软土厚度0～10m占了47.5%，软土厚度10～20m占了43.9%；全线只有8.6%路线软土层厚度为20～30m。

图1 主线路段软土厚度占比

2 软基处理分析

2.1 软基处理原则

工程软基处理对于不同路段及地质情况采取不同的软基处理方法，主要有塑料排水板、预应力管桩、水泥搅拌桩、塑料套管桩、等超载预压等方法，具体原则：①一般路段普遍采用塑料排水板+等载预压进行软基处理；②箱涵路段一般采用塑料排水板+超载预压、水泥搅拌桩或塑料套管桩处理，具体根据沉降及稳定情况确定；对于填土高、软土深厚的路段采用预应力管桩处理；③填土高度较小的桥头路段采用塑料排水板+超载预压处理，填土高度较大时采用水泥搅拌桩、塑料套管桩或预应力管桩处理。

其中，塑料排水板处理的路段预压期为12个月，水泥搅拌桩预压期为6个月，预应力管桩和塑料套管桩预压期为3个月。预压期为路堤填筑到预压施工高度后，预压至施工路面的时间。

2.2 软基处理方式占比

塑料排水板主要被用于一般路段和箱涵路段，桥头路段主要使用预应力管桩、水泥搅拌桩和塑料套管桩处理。其中，塑料排水板处理约13.40km软土，占全线软土处理长度的73.3%；预应力管桩处理约1.65km软土，占全线软土处理长度的9.1%；水泥搅拌桩处理约1.35km软土，占全线软土处理长度的7.4%；塑料套管桩处理约1.17km软土，占全线软土处理长度的6.4%；等超载预压处理长度约为0.70km，占软基处理总长度的3.8%，如图2所示。

图2 主线路段软土处理工程量比例

3 沉降预测方法介绍

沉降量与时间的关系预测主要有理论计算、数值计算和沉降推算三类。其中，理论计算和数值计算常因计算条件与工程实际差别较大或参数选取不够准确，且计算量太繁琐［5，6］，导致沉降预测结果与路基土层的实际变形规律常常不相符合。

沉降推算选取合适的数学预测模型，结合现场实测沉降数据来预测沉降量与时间的关系，常用方法有双曲线法、指数曲线法、泊松曲线法等。双曲线法是目前最常用的沉降变形预测计算方法，最早由尼齐波·罗维齐（1955）提出，相对其他沉降推算方法，具有方法简单、对监测数据适应能力强、推算结果比其他方法更接近实测沉降等优点［7，8］。以及对于大部分软基路堤，软粘土压缩曲线符合双曲线模型［9，10］。单浩等学者在论文中采用双曲线对各路段的工后沉降监测数据进行拟合，预测了通车15年的工后沉降［11］。

于是，文中采用双曲线法进行沉降预测，用双曲线拟合施工期和缺陷责任期的沉降数据，再通过外延来对后期沉降量进行预测。双曲线基本方程式（1）所示：

式中，St为t时刻的沉降量；S0为预压期任意t0时刻的沉降量；α、β为待定系数。为了确定计算参数α、β将式（1）改为：

如图3所示，可得（t-t0）/（St-S0）和（t-t0）的直线关系图，由直线的截距和斜率可得到待定参数α和β。再将α、β代入式（1），即可预测工后15年沉降值。

图3 双曲线沉降预测

4 软基处理效果评价

工程只对施工期和2年缺陷责任期进行了沉降观测，无法直接评判实际沉降是否满足规范给出的工后15年沉降容许值。因此利用目前的施工期和缺陷责任期沉降数据，进行工后15年沉降预测，与规范工后沉降允许值比对，从而进行软基处理效果的定量评价，如表2所示。我国《公路路基设计规范》［12］中对高速公路路基工后沉降允许值作出了规定，一般路段：300mm；箱涵路段：200mm；桥头路段：100mm。

表2 不同路段工后沉降合格率统计

4.1 一般路段评价

在一般路段共有256个监测断面，工后15年沉降超出规范允许值的只有1个断面，总合格率为99.6%，该高速公路一般路段的软基处理效果整体上达到预期目标。应用最普遍的软基处理方式是塑料排水板，其他3种软基处理方式使用较少，主要被应用在软土深厚且填高较大区域，且均未超出规范允许值。研究结果表明，即使在软土深厚和填高较大的一般路段，预应力管桩、水泥搅拌桩和塑料套管桩也能满足软基处理效果要求。

对塑料排水板处理断面的工后15年沉降进行分析，以15mm为组距，共18组，绘制直方图，如图4所示；近90%的断面工后15年沉降小于200mm，仅有一个断面超过规范允许值，合格率达到99.6%，表明一般路段的塑料排水板处理效果整体上较优。综合考虑施工成本及处理效果，除部分软土深厚且填高较大路段，建议优先采用塑料排水板进行处理。

图4 工后沉降直方分布图-塑料排水板

4.2 箱涵路段

在箱涵路段，相较于一般路段，工后沉降规范允许值下降了100mm，合格率也随之下降。共有80个监测断面，其中有6个断面工后沉降超出规范允许值，总合格率为92.5%。塑料排水板仍然是应用最普遍的软基处理方式，处理效果较好，合格率接近90%，相比于一般路段下降了10%；其他3种处理方式相较于一般路段，应用频率有所上升，依然没有出现超过规范允许值的断面，合格率为100%。综上所述，箱涵路段软基处理情况与一般路段相近，在无特殊情况下仍建议优先采用塑料排水板进行软基处理。

4.3 桥头路段

在桥头路段，塑料排水板应用最少，只有5个桥头断面，且合格率最低，仅为40.0%；同时从图4可以看出，塑料排水板处理的近80%断面工后15年沉降大于100mm，很难控制工后沉降满足桥头路段的规范要求，因此应避免使用塑料排水板。预应力管桩在桥头路段应用的最多，共有34个断面，且在桥头段处理效果较好，合格率达到85.3%；其次是水泥搅拌桩，共有22个断面，但在桥头路段处理效果较差，合格率仅为50.0%，可能是水泥搅拌桩施工质量较难控制造成的；塑料套管桩在桥头段处理效果较差，合格率仅为42.9%，与塑料套管桩施工质量较难控制，垂直度要求高，容易偏压有很大关系。

塑料排水板、塑料套管桩、水泥搅拌桩和预应力管桩4种软基处理方式在桥头路段的合格率呈依次递增趋势。在进行桥头路段的软基处理方式的选择时，软土比较深厚的路段或者比较重要的桥头路段，应优先考虑预应力管桩；而在软土厚度较小、土质较好的桥头路段可以考虑水泥搅拌桩和塑料套管桩的使用，但要重视施工质量的控制。

同时，针对使用水泥搅拌桩和预应力管桩进行处理的桥头路段的部分断面进行整理统计，如表3所示。可以发现填土高度较大，即使水泥搅拌桩打穿软土的情况下，水泥搅拌桩的处理效果并不理想。桥头路段的K16+722和K23+570断面都存在临空面和软土层无硬壳层情况，且这两个断面的工后15年沉降均超出了规范允许值；说明出现临空面和无硬壳层的情况，预应力管桩的沉降往往难以控制，需要考虑对桩顶增加约束。

表3 桥头路段软基处理概况