高速公路软土地基处治技术发展分析

李　锋

摘要:高速公路往往由于线路的要求,在山区多采用隧道或大开挖形式,而在河网及低洼地带则常修建桥梁及填筑高路堤。例如,正在建设的中山至江门高速公路就是地处河网及低洼地带,全线长约26km,其中一半为桥梁,主要是跨江大桥和跨河涌中桥,以及经过村镇的高架桥、立交桥和预留跨线桥等;另一半则是建在耕地、蕉林和鱼塘上的路堤,软土厚度为数m至40m不等。值得注意的是,建在软基上的路堤,若软基处理没做好,则可能在施工时出现失稳或在竣工后发生过大沉降。本文简要介绍高速公路软土地基处治技术的发展情况,并对一些软土地基处治新技术的研究方向提出若干建议。

关建词:高速公路;高路堤;处治

1 引言

我国沿海,除山东部分地段外,大部分的海岸线为淤泥质海岸。因此,沿海特别是大江、大河河口附近多为河相、海相或泻湖相沉积层,在地质上属第四纪全新世Q4土层,多属于饱和的正常压密粘土。土的类别多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土等土层。这些软土一般具有高含水量、大孔隙率、低密度、低强度、高压缩性、低透水性等特点。在此类地基上做工程,如果软基处理不好或施工程序不当都会给工程质量带来不利的影响,甚至造成工程失败。可见,在软基上修筑高等级公路,如果软基处理不好则会严重影响整个工程的质量;如果不对软基进行处理,则会对路堤施工、公路使用及维护带来一系列问题,一定要三思而后行。

2 高速公路发展概况

上世纪30年代,美国及德国开始兴建高速公路,到50年代世界各国大力发展高速公路。目前在英、美等发达国家的客货运输中,铁路运输所占比重不断下降,而公路运输所占比重大大增加,从而形成以公路运输为中心的局面。但是,国外筑路时一般采用挖方、填方和堆载预压等常规方法,例如,美国地广人稀,一些高速公路的路堤主要是填方,往往不对地基专门处理,而是在数年甚至于十几年后,待路堤沉降稳定时再修建路基和路面,从而大大降低造价。此外,由于发达国家资金充裕,而建桥技术相对说来较为成熟,对环境不利影响更小,故国外高速公路经过河网及低洼地带时一般选用旱桥,从而避免软基及高路堤所带来的问题。

改革开放之前,我国公路建设标准普遍较低,甚至国道及省道一般都是沿着等高线建设,路堤高度往往低于软基极限填土高度,故很少碰到软基处理之类的问题。从1980年代末开始,我国新建了一批高等级公路(含高速公路及一级公路),带来了较好的社会效益和经济效益。我国的高速公路一般分段建设,每段建设工期约为2年,有些甚至不到1年。由于线路、纵坡和防洪等方面的要求,故高速公路路面标高较高(远大于软基的极限填土高度)。对于软土地基,如果资金充裕则可象国外那样选用旱桥,否则应对软基进行处理后填筑高路堤。现在在高速公路上所采用的软基处理技术主要是从水运、铁路和水利等行业引进的,而且为了在软基上取得筑路经验一般先进行试验段工程。

上世纪90年代初南京水利科学研究院在沪宁高速公路昆山段选定1.6km路段进行软基处理加固试验。试验采用不处理、浅层排水、塑料排水板、粉喷桩四种处理类型共13种方案,对勘探、室内试验、现场监测、理论计算、现场观测资料反馈分析等进行了系统研究。但是,该试验路段的软土层普遍较薄,各土层的物理力学性质较好,研究成果对沿海地区大量深厚软土层的处理缺少指导意义。近几年来,一些建在软基上的高速公路在开工前也进行了试验段工程,取得大量有益的试验成果,但对在深厚软基上填筑高路堤技术缺系统研究,特别是快速填筑路堤技术和工后沉降控制技术等方面的成果鲜见报道。

3 进一步研究的问题

应围绕深厚软基上高路堤的主要问题,即施工期路堤的稳定问题和竣工后的工后沉降问题开展研究工作。高速公路常用的软土地基处治技术包括垫层及浅层处理、反压护道、土工合成材料、排水固结法、复合地基等。在高速公路施工时可选择若干试验段进行地基加固技术研究,如采用堆载预压法、真空联合堆载预压法、复合地基法(含粉喷桩和CFG桩等)等先进方法对深厚软基进行综合处治。

高速公路的工期一般为2～3年,在选择软基处理方案时往往首选造价较低且施工方便的排水固结法。由于沿海软土的物理力学性质变异较大,而高速公路建设跨越的地域较广,故应通过试验工程来确定软基加固设计的参数。对于浅层软基可以只铺设水平排水体,而对于深厚软基则应打设竖向排水体(塑料排水板、袋装砂井和砂桩等)。为降低造价可通过采用不同竖向排水体间距进行试验,以便得到满足工期、路堤稳定和工后沉降等要求时的合理间距。对于超过20m的深厚软基,加固深度20m一般可解决路基稳定问题,但应考虑足够的加固深度以满足路面工后沉降的要求。

在京珠高速公路某匝道路堤填筑施工时,其中一块堆载预压区由于填土较快曾发生大面积滑坡,而附近采用真空联合堆载预压施工的路堤虽然填土更高,却稳稳当当,各项监测数据并无异常。可见,真空预压技术用于软土地基上路堤填筑施工有着明显的优越性:

(1)真空荷载可一次快速施加到位,且有利于地基的稳定;

(2)沉降主要由地基固结排水所产生,加固后表层软土的强度大幅提高,特别适用于路堤这类条形荷载;

(3)真空联合堆载后可形成超载预压,以真空荷载作为超载可减少弃土量,并获得更大地基承载力和较小工后沉降;

(4)真空联合堆载预压可大大加快路堤筑速度,缩短预压时间。考虑到高速公路征地范围较紧凑,如果要在深厚软基上填筑7m以上的路堤时,我认为仍可采用真空联合堆载预压方案,路堤按一次放坡连续堆载进行施工,但应通过监测确保路堤稳定及满足工后沉降的要求。

建在软土地基上的桥头过渡段的路基处理,迄今仍是设计者最费脑筋的地方。显然,作为桥梁基础的桩基是刚性基础,而采用排水固结法的路基为柔性地基,所以过渡段的路基宜采用半刚性半柔性的复合地基法进行处理。当软土厚度小于15m时,采用粉喷桩等复合地基加固技术进行处理一般可获得较为满意的效果;对于更深厚的软土地基,前述格形搅拌桩联合加筋土工合成材料方案在技术上是可行的,但造价偏高。建议加强CFG桩等低标号素混凝土桩所形成的复合地基的试验研究,特别应研究桩与地基的荷载分配形式,并探讨这类桩联合排水固结法处理地基的可能性。

结语

考虑到高速公路的特点,例如,桥涵与路堤的连接问题,纵向及横向不均匀沉降的控制,填筑材料的选取,沿线工后沉降的一致性,超载数值及卸载时间的考虑,等等。因此,以下问题仍进一步研究:沿海地区软土的极限填土高度一般为2m左右。而填土高度往往达到7m以上,针对不同的软基加固方法,研究控制填土速率等技术指标,使路堤按预定工期稳定地达到设计标高;高速公路对地基变形量的要求是很高的,一般要求在使用期内路堤的工后沉降量不超过30cm,路桥搭接处的工后沉降低于10cm。通过研究各种软基加固方法的适用范围并探索新的有效措施来满足设计要求;针对桥头过渡段和中桥及涵洞段研究特殊软基处理方法,以解决这些部位技术要求高但工期紧的问题;通过研究路堤的沉降规律来指导填土施工,特别是确定超载及卸载方法,保持全 线较为一致的工后沉降,减少二次弃土量,以利上部路基和路面的施工。

参考文献

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作者简介:李锋(1974-)男、河南鹿邑人,主要从事路桥施工技术研究。