高速公路软土地基处理方法比较分析
摘要：文章结合工程实际，对漳诏高速公路沿线不同地基处理方法进行了分析和总结，提出软土地基不同处理方法的适用范围，对类似公路工程提供参考。
关键词：高速公路软土地基，沉降量，固结度
近十几年来,高速公路在我国得到长足发展，公路里程总量已位居世界首位。而已建的和在建的高速公路有相当一部分是建在软土地基上,尤其东南部沿海一带大部分是建立在软弱地基上。通常，高速公路软土地基的处理方法主要有强夯法、换土垫层法、排水固结法、复合地基法和加筋及超轻质材料法等。不同方法的采用须根据工程实际及地质条件。本文主要介绍强夯法、砂垫预压和粉喷桩在软基处理工程中实际应用，以供同行参考。
1工程概况
漳诏高速公路位于福建省南部沿海地区,设计车速120km/h,双向六车道高速公路标准,路基宽度34m。沿线地质情况大致有三种类型:中等偏高～高压缩性软弱土,弱～中等膨胀性膨胀土以及轻微～中等液化土。其中软弱土广泛分布,厚度变化较大,尤其是2层软土,近地表地层土质结构一般较疏松,为主要的不良地质条件,其软弱土处理效果直接影响到全线高速公路的建设质量。依据高速公路施工设计方案,对软土地区,采用了高能级强夯法、碎石垫层加预压、粉喷桩等几种处理方案。
2软土地基处理方法分析
高能级强夯一般是指单击夯击能大于6000kN•m的强夯。与常规强夯法相比,高能级强夯的有效加固深度可达10～30m,可加固处理大厚度非饱和土、大厚度湿陷性黄土、碎石、砂土、粘性土、吹填土等各类地基,可进一步提高地基土强度和均匀性,降低压缩性,消除湿陷性,改善其抵抗振(震)动液化的能力等。
碎石垫层加预压方案本身不能减小总沉降量,主要是加快土体固结速度,但工期较长；
粉喷桩是通过一定工艺使固化剂和原位软土地基混合在一起形成复合地基的一种深层处理方法,由于它有效地吸收土中水分,提高承载力显著、施工简便等。砂或碎石垫层设置在预压处理段的路基基底,厚度30cm；当软土层较厚(>3m),路堤高度较高(>3.5m)时,考虑粉喷桩处理,构造物段的路基也大多采用粉喷桩处理。粉喷桩的桩径为50cm,设计的桩长均穿透软土层并深入持力层50cm,桩位在平面图上呈正三角形(梅花形)布置,桩间距为1.0m～1.8m。针对不同的地质条件和设计条件,采用不同的地基处理方法,据统计不处理的剖面占了近一半(47.1%),主要集中在O标(占总数的84.8%)；粉喷桩处理的剖面有四分之一(26.2%),主要集中在06标和P标段、Q标段(占总数的87.9%)；砂垫预压处理的剖面占总数的14.8%,加上碎石垫层和其他处理方法,合起来预压处理的剖面也近四分之一。
3实测沉降量评价处理效果
在软土地基处理方法的选择上,需考虑多种因素的影响。如:填土高度、软土厚度及埋深、填土速率等诸多方面。考虑到沿线碎石垫层处理方法观测剖面较少,主要采用了粉喷桩和预压法,软土较薄区域则不处理。因此,对这几种处理方法的处理效果进行比较如下表：
3、影响沉降量的因素分析
3．1填土高度的影响
一般来说,荷载越大,即填土高度越高,附加应力就越大,引起的变形显然就越大。同时,随着填土高度的增加,其附加应力影响的深度越大,计算得到的沉降量越变大。实际观测到的沉降数据也表现出这种规律,在此对沿线实测沉降量随填土高度的变化情况根据软土层厚度的不同进行了比较,如图1、图2所示。
从图1、图2中可以看出:
(1)当软土厚度较小时。实测沉降量表现出:不处理>砂垫预压>粉喷桩处理;当软土厚度较大时,由于不处理方法的不适用,实测数据较少,实测沉降量仍表现出:砂垫预压>粉喷桩处理。
(2)不处理时。在软土厚度<3m的情况下,沉降量随填土高度的增加而增加,这个规律比较明显,而当软土厚度较大(39m)时,沉降量随填土高度的增加而增大的规律不明显,这一方面是由于沉降量受多种因素的影响,除填土高度和软土厚度外,还有软土的性质、软土层的埋深、加荷速度等因素;另一方面,考虑到工期的影响,沉降变形限制了不处理方法的适用性,填土高度往往都不高(主要集中在2m～4m),所以实际工程中缺少这方面的观测数据,其与填土高度的规律也就表现得不那么明显。
(3)砂垫预压处理时。软土层厚度<3m和3m～9m两种情况下,沉降量随填土高度的增加而增大这个规律都比较明显,同时,软土层厚度越大,其沉降量也越加。这一现象充分反映出天然地基时,填土高度越高,软土层厚度越大,其所占的沉降变形比例也越大。而砂垫预压这一处理方法只是将这一过程的沉降变形提前表现出来。
(4)粉喷桩处理时。在上述两种情况下其沉降量与填土高度的关系都不是很明显,因为它构成的是复合地基,改善了软土层性质,提高了土层承载力,从而有效控制了土层变形。
(5)实测沉降量比较。砂垫预压与粉喷桩的处理效果可以明显看出,砂垫预压的沉降量要比粉喷桩大,粉喷桩处理效果优于砂垫预压。并且可以知道两者适用的填土高度范围粉喷桩为3m～7m,砂垫预压为2.5m～5.5m。
3、2软土层厚度的影响
对于软土地区来说,软土层作为主要的压缩层,软土层厚度对沉降量的大小有较大影响。一般来说,软土层越厚,沉降量越大。沿线软土层厚度平均在2m～4m,其中一段软土层更厚达6m～8m,为沿线软土带状分布厚度最高地区。具体软土层厚对沉降影响的分析见图3和图4。
图3和图4显示,对于不同的处理方法,沉降量都随软土层厚度的增加而增加。比较斜率,可看出:砂垫预压>不处理>粉喷桩,即砂垫层受软土层厚度的影响最为明显,不处理情况多在软土层较薄且填土高度较低时采用,故规律相对不明显,而粉喷桩处理时,填高为1.7m～4m时,软土厚度对沉降量影响不大,当填高达4m～6.7m,软土层厚度对沉降量的影响加大。说明以控制沉降变形为目的,砂垫预压处理方法适用于填土高度较小(一般在4m以下),软土厚度较薄(一般在4m以下)的前提条件。
3、3软土埋深的影响
软土的埋深对沉降量也有影响。通常软土埋藏越深,即硬壳层越厚,沉降量越小。这是因为硬壳层与下卧的软土共同分担上部的填土荷载,形成一定的板体效应，沿线硬壳层厚度较薄,多分布在0～3m,绝大部分在2m左右,局部地区有软土直接裸露地表,而相对来说,软土层厚度的变化范围更大(0～9m)。为了更好的说明硬壳层对下卧软土的应力分担作用,在这里通过硬壳层厚度与软土层厚度的比值来考虑软土埋深对沉降量的影响。不同填土高度下,硬壳层厚度与软土层厚度的比值对实测沉降量的影响可参见图5和图6。
图5和图6显示,总体上,不论填土高度的大小,硬壳层厚度与软土层厚度的比值越大,沉降量越小。说明沉降量随硬壳层厚度的增加而减小,随软土层的厚度增加而增大;而且这一现象在粉喷桩及不处理情况下的规律没有砂垫预压明显。说明砂垫预压处理时,硬壳层与软土层共同承担上部荷载的现象表现得尤其显著,也即天然地基上采用砂垫预压处理时,要注重对软土层上部硬壳层天然结构的保护,以便更好地发挥硬壳层的板体作用,减小沉降变形的发生。
4工后沉降和固结度评价
众所周知,地基处理效果如何可从路堤施工过程中实测的沉降量直接反映出来。然而,实测沉降量受多种因素的影响,而且地基处理效果的评价因子也不是唯一的,对工程质量的控制更着眼于其交付使用后的情况。而在实际工程上引入了固结度和工后沉降两个概念。
该高速公路沿线共有不处理、砂垫预压、碎石垫层和粉喷桩处理等几种不同的处理软基的方法,其各标段的处理效果可从实测沉降量上有所反映,同时,进行了大量的最终沉降量推求和施工期末固结度的计算,考虑到软土的厚度以及埋深的影响,在此用硬壳层厚度与软土层厚度的比值来作为分析因素,得到软土地区的固结度分布规律,见图7.
可以看到施工末期固结情况良好,固结度变化范围在0.5～1,其中大部分点集中在0.7～1范围内。三种不同处理方法的固结度关系总体为粉喷桩>砂垫预压>不处理,其中平均固结度粉喷桩0.83,砂垫预压0.79,不处理0.74。故由固结度来分析,得出的结论是粉喷桩处理效果良好,砂垫预压其次。
参考文献
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