上海高速公路軟基處理技術(shù)淺談

1、上海高速公路軟基處理技術(shù)淺談?wù)?本文以上海建成的幾條高速公路軟基處理及沉降觀測資料為基礎(chǔ)， 分析 指出地基處理不可能消除工后沉降，選擇地基處理 方法 應(yīng)與地基條件、路堤高度相結(jié)合，不同處理方法均需足夠的預(yù)壓，地基沉降 規(guī)律 較符合雙曲線關(guān)系，工后沉降引起橫坡改變，加筋土橋臺是消除“三孔”跳車現(xiàn)象的有效方法。 關(guān)鍵詞： 高速公路 軟土地箕 處理技術(shù) 1上海高速公路軟基處理 發(fā)展 過程概述 上海地區(qū)高路堤軟基處理的主要目的是減少高路堤工后沉降量，路堤穩(wěn)定性是地基處理的重點。 1984年上海第一條高速公路滬嘉高速公路開始修建，至今已有莘松、滬嘉東延伸段、滬寧及滬杭等高速公路相繼建成或處于工程建設(shè)

2、之中。表1列出了各條高速公路的最大路堤高度與局部路段曾使用的地基處理方法。 上海高速公路建設(shè)情況一覽表表 1 工程名稱 長度 (km) 最大高度 (m) 平均高度 (m) 建設(shè)期 地基處理 備注 滬嘉 15.6 4.5 2.7 1984.41988.10 粉煤灰填筑砂井堆載預(yù)壓 多數(shù)欠載，部分試驗路超載 莘松 20.59 7.5 3 1985.101990.12 粉煤灰路堤砂井塑料排水板 等載為主 滬嘉東 延伸段 5 8.9 3 1992.21993.12 粉煤灰路堤不處理超載，粉噴樁 粉噴樁為欠載預(yù)壓 滬寧 (上海段) 26 7.5 4.3 1993.81996.10 粉煤灰路堤粉噴樁，鋼渣

3、樁 粉噴樁主要是欠載 滬杭 (上海段) 26 7.5 4 1996.81998.10 粉煤灰路堤塑料排水板，粉噴樁，鋼渣樁 1984年滬嘉高速公路主要采用袋裝砂井，最大路堤高度控制在4.5m以下，在部分試驗段進(jìn)行了超載預(yù)壓，多數(shù)路段為欠載預(yù)壓，且預(yù)壓時間不足。試驗路還進(jìn)行不同砂井間距的對比，在不同間距砂井處理段之間設(shè)過渡段。有些路堤采用粉煤灰，約減少了路堤自重1/4。1985年莘松高速公路仍采用袋裝砂井處理，同時進(jìn)行了塑料排水板試驗，在堆載方面強(qiáng)調(diào)等載預(yù)壓的技術(shù)措施。新橋立交采用全粉煤灰路堤試驗，地基采用砂井處理，最大路堤高度達(dá)7.5m。1992年滬嘉高速公路東延伸段大規(guī)模采用粉煤灰路堤，地基

4、用粉噴樁處理，最大路堤高度達(dá)8.9m；此外還進(jìn)行了不處理地基條件下的超載預(yù)壓試驗；為解決“三孔”跳車，首次試用加筋土橋臺，以期保證橋臺與路基的同步沉降，減少差異沉降。1993年滬嘉高速公路上海段地基主要采用粉噴樁處理，并對鋼渣樁進(jìn)行了試驗。1996年滬杭高速公路動工修建，在地基處理方面 總結(jié) 以往經(jīng)驗。根據(jù)軟土層厚度分別采用塑料排水板、粉噴樁、鋼渣樁等處理技術(shù)，并進(jìn)一步使用超載預(yù)壓，采取綜合處理，因地制宜的技術(shù)方案。 2上海軟土地基特性 上海的地基主要為沿海軟土層。從高路堤的工程特性來看， 影響 沉降量及工后沉降的主要土層為：褐黃色粉質(zhì)粘土 (俗稱“硬殼層”)，淤泥質(zhì)土，暗綠色粉質(zhì)粘土等。根據(jù)

5、該三類土層的分布及厚度，上海的地基土主要分兩大類：一類地基“硬殼層”厚度一般在23m左右，淤泥質(zhì)土厚度達(dá)10m以上，暗綠色土層埋藏較深或缺失，該類地基采用砂井等豎向排水固結(jié)法或粉噴樁法無法打穿淤泥質(zhì)土層，地基土的壓縮變形量大；另一類地基“硬殼層”一般或較厚，淤泥質(zhì)土層不厚，暗綠色土層埋深淺，該類地基可采用打穿軟土層的處理工藝，地基土的變形量較小。根據(jù)上海幾條高速公路的地質(zhì)資料繪制而成，可以看出上海地基土的厚度存在較大的差異。表2 為三類土的主 ,要物理力學(xué)指標(biāo)。 上海地基土主要土層物理力學(xué)指標(biāo)表 2 符 號 土名 孔隙比 e 天然含 水量% 塑性 指數(shù)lp 液性 指數(shù)lL 壓縮 系數(shù) 壓縮 模

6、量KPa 天然 密度 抗剪強(qiáng)度 (固快) 容許 承載力kPa CkPa 褐黃 色硬殼層 0.91.06 26.538 716 0.61.1 0.140.33 46 18.5 2027 1122 100110 灰色 淤泥質(zhì)粉粘土 0.961.3 40.649 1415 1.51.67 0.620.88 2.53.1 1717.6 1517 13 6080 灰色 淤泥質(zhì)粘土 1.21.45 4060 11 1.89 0.68 2.52.9 17.5 1517 13 6080 暗綠 色粉粘土 23.5 24.1 12.7 0.44 0.22 6.57.4 19.72.0 16 53 185 3高路堤

7、軟基處理總體評述 3.1軟基處理不能完全消除工后沉降 在 目前 有限的施工期內(nèi)，堆載時間不可能很長，要通過地基處理來完全消除工后沉降是不現(xiàn)實的，工后修補不可避免。 高路堤軟基處理不能完全消除工后沉降包括兩層含義：一是工后沉降不可能為零；一是工后沉降不能滿足地基處理設(shè)計的控制標(biāo)準(zhǔn)。上海地區(qū)高速公路工后沉降控制指標(biāo)為：路橋連接段高路堤控制工后沉降為 10cm，結(jié)構(gòu)物之間的高路堤段控制工后沉降為30cm。根據(jù)上海滬嘉、莘松及滬嘉東延伸段幾條高速公路建成通車后3.58年內(nèi)高路堤的沉降觀測資料，工后沉降量基本都超過10cm，最大的工后沉降超過50cm，砂井打穿軟土層，工后沉降滿足10cm。表3列出部分路

8、段的工后沉降觀測結(jié)果。 上海高速公路段工后沉降量表 3 滬嘉 莘松 滬嘉東延伸段 位置 1+030 1+486 1+541 4+465 新橋 立交 通波 塘橋 六磊 塘橋 廟塘 橋 0+400 0+550 0+938 1+190 時 間范圍 88.1096.12 88.1096.12 88.1096.12 88.1096.12 90.1293.6 90.1293.6 90.1293.6 90.1293.6 93.1294.10 93.1294.10 93.1294.10 93.1294.10 路 堤高m 3.37 3.22 3.22 3.67 7.56 4.3 4.2 3 8.6 6.2 4.

9、1 4.5 沉 降cm 4 8.6 16.6 28 24 14 19 16 22 17 3 5 地 基處理 砂井 超載打穿 天然 粉煤灰等載 天然 粉煤灰等載 砂井 填浜未打穿 粉煤 灰砂井未打穿 粉煤灰 粉噴樁未打穿 粉煤灰 粉噴樁未打穿 粉煤灰 超載 粉煤灰 超載 從上海高速公路建成以來歷年不斷修補的事實來看，滬嘉自通車第一年就進(jìn)行橋頭沉降處理，連續(xù) 4 年以上，每年進(jìn)行修補；莘松自通車后第二年也開始橋頭沉降處理，到1993年，部分橋頭已進(jìn)行過二次處理，1993年6月以后，開始對幾座沉降較大的橋接坡進(jìn)行罩面處理；滬嘉東延伸段工程通車不到一年的時間內(nèi)就對祁連山高架路堤接坡進(jìn)行了修補，通車三年

10、內(nèi)先后對其它兩座橋接坡進(jìn)行了罩面處理。通車5年后，路堤沉降基本穩(wěn)定。 這說明，采用地基處理后不可能消除工后沉降，工后修補不可避免。 3.2選擇軟基處理方法應(yīng)與路堤高度、地基條件相結(jié)合 十多年來，上海先后進(jìn)行過袋裝砂井、塑料排水板、粉噴樁、鋼渣樁及超載預(yù)壓等地基處理方法的實際工程 應(yīng)用 ，從減少工后沉降的實踐來看，各種軟基處理方法在不同的路堤高度，不同的地基條件下，減少工后沉降的實際作用差異較大，具體表現(xiàn)為： (1)同一種方法在某一路堤高度范圍內(nèi)效果較佳； (2)路堤高度不同，處理方法的效果相比較存在差異； (3)地基條件不同，不同處理方法的效果也存在差異。 莘松、滬嘉及滬嘉東延伸段路堤工后沉降

11、高度的散點關(guān)系。莘松高速公路自松江立交至新橋立交范圍內(nèi)路堤高度多大于 3m，最大路堤高度達(dá)7.65m，多數(shù)橋接坡采用砂井處理，工后沉降基本與路堤高度成比例：滬嘉高速公路自祁連山路至南翔段路堤高度在24m之間，部分路段橋接坡采用砂井處理，從總體上看，工后沉降與路堤高度成比例增加，個別情況路堤接近4m而工后沉降小于10cm，路堤高度只有2m而工后沉降大于10cm；滬嘉東延伸段為粉噴樁加固地基，在路堤高度大于4m的情況下，工后沉降與高度成比例，且都大于10cm。這說明不同地基處理方法的技術(shù)效果與路堤高度有關(guān)，還可以看出，當(dāng)路堤高度達(dá)到45m以上時，選用砂井與選用粉噴樁的處理效果相差不多。 滬嘉與莘松

12、的地質(zhì)條件也有較大差別。滬嘉在近祁連山及桃浦路段，軟土層厚度在 10m左右，14m深可見暗綠色土層，該路段砂井打穿軟土層，因而工后沉降較小，3.3m高度土路堤在工后2年內(nèi)沉降小于5cm；莘松高速公路近松江段軟土層厚度達(dá)1520m，采用砂井處理的路段一般經(jīng)過一年半的等載預(yù)壓，不少3m以下路段工后一年半的沉降達(dá)10cm；滬嘉東延伸段軟土層厚度1015m，暗綠色土層缺失，粉噴樁處理工后沉降超過10cm。這表明，在地基條件較好時，可選用砂井或粉噴樁等打穿軟土層的處理方法，而軟土層厚度大時，可采用較 經(jīng)濟(jì) 的砂井、預(yù)壓處理方法。 3.3軟基處理需要足夠的預(yù)壓荷載和預(yù)壓期 眾所周知，天然地基與砂井需要一定

13、的預(yù)壓荷載和預(yù)壓期。對粉噴樁、鋼渣樁這一類柔性樁是否也需要預(yù)壓荷載與預(yù)壓期尚需論證。根據(jù)滬嘉東延伸段與滬寧高速公路的 應(yīng)用 結(jié)果，粉噴樁處理地基仍需要一定的預(yù)壓期。 預(yù)壓荷載分超載、等載與欠載三種類型。超載預(yù)壓是減少工后沉降的有效 方法 ，對于天然地基及砂井處理地基，應(yīng)盡可能采用超載或等載預(yù)壓形式。在滬嘉高速公路修建時，不少路段因工期緊，預(yù)壓荷載達(dá)不到等載要求，因而工后沉降較大，即使某些 2.5m以下高度路堤也不例外；莘松高速公路普遍采用等載預(yù)壓，預(yù)壓期保持1年以上，因而工后的沉降量相對滬嘉而言要小，個別路段因預(yù)壓期不夠，工后沉降較大；滬嘉東延伸段工程對44.5m高度粉煤灰路堤采用超載預(yù)壓，預(yù)

14、壓時間為9個月，工后一年半的沉降量小于5cm，張涇河橋與桃浦河橋兩側(cè)橋接坡路堤由于預(yù)壓時間短，工后沉降達(dá)10cm。對于粉噴樁處理軟基，較普遍的觀點是沉降能很快穩(wěn)定，預(yù)壓荷載不強(qiáng)調(diào)等載或超載。然而在滬嘉東延伸段工程中，粉噴樁段路堤荷載采用欠載預(yù)壓，預(yù)壓時間僅4個月，4.2m高粉煤灰路堤工后一年半沉降達(dá)15cm?？梢?，無論是砂井處理或者粉噴樁處理，保持等載是必要的。 預(yù)壓期的確定比較復(fù)雜，一方面要考慮工后沉降技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面又要現(xiàn)實地考慮工期太長，確定施工期沉降穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)非常必要。從高速公路建設(shè)的實際情況看，滬嘉高速公路建設(shè)期 3.54年，路堤預(yù)壓期3個月到2.5年；莘松高速公路建設(shè)期5年多，路

15、堤預(yù)壓期為一般在14個月；滬嘉東延伸段工程建設(shè)期2年，路堤預(yù)壓期49個月；滬寧高速公路工程建設(shè)期3.5年，路堤預(yù)壓期69個月，究竟預(yù)壓多少時間較為合理呢?下面就等載預(yù)壓作一簡要 分析 。 當(dāng)?shù)鼗幚矸绞竭x定之后，地基的沉降 規(guī)律 就基本確定。比如，當(dāng)砂井的間距、長度、直徑、地基土類型選定后，地基固結(jié)規(guī)律就已確定，固結(jié)度僅與時間有關(guān)。表 4中列出滬嘉、莘松等部分路段不同預(yù)壓時間的固結(jié)度、沉降速率及工后沉降，可以看出，當(dāng)預(yù)壓時間達(dá)6個月時，沉降速率為0.351.61mm/d，工后沉降為17.862cm；當(dāng)預(yù)壓時間達(dá)12個月時，沉降速率為0.20.53mm/d，工后沉降為1329.3cm；當(dāng)預(yù)壓時間

16、達(dá)18個月時，沉降速率為0.110.32mm/d，工后沉降為8.522cm。要使工后沉降達(dá)到10cm的控制標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)壓期需要2年以上，在路堤大于6m或地質(zhì)條件差的路段預(yù)壓時間需2.53年。從沉降過程看，當(dāng)路堤超過臨界高度時，沉降速率逐漸增大，滿載預(yù)壓一段時間后，沉降速率逐漸減小，沉降曲線上一般存在一個拐點，拐點之前，增加單位預(yù)壓時間減少的工后沉降量很大，拐點之后沉降速率逐漸變小，增加單位預(yù)壓時間減少的工后沉降量逐漸減小，因此預(yù)壓時間至少應(yīng)超過拐點。拐點實際上是沉降速率變化最大的位置，部分路段拐點時間見表4。達(dá)到拐點的時間一般要413個月，地質(zhì)條件好，達(dá)到拐點時間短，反之則長。 不同預(yù)壓時間的沉降

17、速率及工后沉降量 表4 滬嘉 莘松 滬寧 位 置 1+030 1+541 1+330 1+360 19+735 20+520 19+600 路 堤高m 3.37 3.22 4 4 4.2 7.4 6.7 沉降 速率 工后 沉降 沉降 速率 工后 沉降 沉降 速率 工后 沉降 沉降 速率 工后 沉降 沉降 速率 工后 沉降 沉降 速率 工后 沉降 沉降 速率 工后 沉降 6個月 0.61 18.4 0.44 17.8 1.8 51 1.61 62 0.35 19.3 0.81 55.4 0.5 33 12個月 0.29 13.3 0.20 13 0.5 25 0.53 29.3 0.2 15.3

18、 0.35 29 0.35 24 18個月 0.14 8.3 0.11 8.5 0.3 18.6 0.3 22.2 0.18 13.2 0.20 19.4 0.32 19 拐 點 6 9 13 13 5 4 5 地 基處理 砂井超 載打穿 天然 粉煤灰 等載砂 井未打穿 等載砂井 未打穿 欠載粉煤 灰粉噴樁5m未穿表層11m硬土 欠載粉煤 灰粉噴樁0m未穿表層10m硬土 天然地基 注： 沉降速率單位，mm/d。工后沉降單位，cm。拐點為滿載后月份。 由此來看，要使工后沉降量滿足或接近 10cm的標(biāo)準(zhǔn)，等載預(yù)壓1.5年是完全必要的，在地基條件較差或路堤高度較低(小于3m)時，預(yù)壓時間可減少為1年

19、，而地基條件較差或路堤高度較高(大于6m)時，預(yù)壓時間應(yīng)增加到2年以上。按沉降速率達(dá)到0.10.2mm/d作為路堤穩(wěn)定和施工面層的依據(jù)是符合地基沉降規(guī)律的。在等載預(yù)壓條件下，工后沉降達(dá)到10cm的控制標(biāo)準(zhǔn)也是可能的。爭取合理的工期，予以合理的施工組織，確保必要的預(yù)壓期，是降低工后沉降最 經(jīng)濟(jì) 的措施， 3.4橋頭接坡軟基處理長度應(yīng)與路堤高度、地基條件及工后沉降相結(jié)合 橋接坡軟基處理長度取多少，沒有一個明確的選擇標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)路段以處理 50m作為標(biāo)準(zhǔn)。從 理論 上講，軟基的縱向處理長度首先應(yīng)保證減少工后沉降的需要，其次要確保道路縱向線形的流暢。從實際情況來看，橋接坡路堤預(yù)壓期普遍較短，工后縱向沉降

20、造成橋接坡段路面產(chǎn)生一個凹槽段，其縱向長度一般在3050m，在路堤高度大于5m時， 影響 長度可達(dá)80m，盡管產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因較多，但凹槽段的長度與形狀變化不大，產(chǎn)生最大沉降處一般距離橋臺1015m，在搭板的端部存在較大的折點。從工后加罩改善路面線形的實踐來看，工后沉降較小的橋接坡罩面長度在2030m左右，工后沉降在1020cm范圍內(nèi)的橋接坡罩面長度5060cm左右，工后沉降超過20cm的橋接坡罩面長度在80100m不等。由此看來，橋頭接坡段軟基處理的長度也應(yīng)按路堤高度、地基條件及工后沉降等因素綜合考慮，一般路段路堤高度在5m以下時取50m還是較為合理的。 橋頭接坡段軟基處理是否有必要設(shè)置長

21、度漸變或間距漸變的過渡形式，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件來定。對于軟土較厚的地基，工后沉降較大，有無過渡段不會反應(yīng)在路面線形的變化，而對于處理深度能打穿軟土層，工后沉降較小的情況，有必要設(shè)過渡段。事實上當(dāng)路堤達(dá)到一定高度后整體剛度較大，地基條件變化反應(yīng)到路面上也是平滑過渡的。 3.5路面橫坡應(yīng)增大0.51%作為預(yù)留坡度 不處理地基及砂井處理地基，路堤斷面沉降呈現(xiàn)鍋底狀，而粉噴樁處理后，斷面沉降變得較為平緩。根據(jù)滬嘉、莘松等高速公路觀測成果，路面橫坡改變隨著時間與沉降的增大而增大。橫坡與沉降成曲線關(guān)系，沉降小于 100cm時，曲線斜率較大，超過100cm時，曲線斜率變小。當(dāng)路堤高度大于6m或當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差，路

22、堤總沉降為120160cm，若工后沉降為30cm時，通車后橫坡變化約0.5%，而路堤高度在45m左右時，總沉降量一般為70100cm，若工后沉降為30cm，通車后橫坡變化約0.7%，而路堤高度在45m時，總沉降量一般為70100cm，若工后沉降為30cm，通車后橫坡變化約0.7%，滬嘉高速公路工后8年的路面橫坡變化一般在0.3%，少數(shù)路段達(dá)0.5%?？梢?，在施工時對路面橫坡增大0.51%，工后沉降引起橫坡變化后，仍能滿足設(shè)計要求。 3.6關(guān)于地基沉降規(guī)律及最終沉降推算 地基總沉降的推算方法有雙曲線法、指數(shù)曲線法、對數(shù)曲線法等，曾有不少文章探討過上海地區(qū)最終沉降量采用何種方法較為合理，從推算的結(jié)

23、果看，對數(shù)曲線法最大，雙曲線法次之，指數(shù)曲線法最小。從滬嘉高速公路工后沉降觀測資料來看，沉降與時間不完全呈單對數(shù)關(guān)系，在單對數(shù)圖中曲線尾部略微逐漸變平，說明用單對數(shù)曲線預(yù)測工后沉降略微偏大，可用雙曲線推算；日本的觀測資料表明沉降與時間呈單對數(shù)關(guān)系，杭甬高速公路沉降曲線不完全呈單對數(shù)關(guān)系，但與對數(shù)曲線較為接近。從地質(zhì)條件來看，日本的條件最差，杭甬的條件次之，滬嘉的條件相對較好，這說明地質(zhì)條件越差，曲線越接近對數(shù)曲線。實際上，對數(shù)關(guān)系反映了地基的流變特性，這是軟粘土固有的工程特性。 3.7關(guān)于砂井與粉噴樁布樁間距的設(shè)計 間距設(shè)計是砂井與粉噴樁地基處理設(shè)計 內(nèi)容 之一。砂井間距受地基固結(jié)度控制，根據(jù)

24、滬嘉和莘松的試驗結(jié)果，砂井間距大于 4.5m后排水固結(jié)的作用已不明顯，滬嘉的經(jīng)驗是，間距為3m與1.5m的布置方式能達(dá)到大致相等的固結(jié)效果，并且布樁間距越密，總沉降量也越大，同不處理地基相比較，砂井處理后可增加10%左右的沉降量，從沉降過程看，增加的該部分沉降是在施工預(yù)壓期內(nèi)產(chǎn)生的，并不對工后沉降產(chǎn)生影響。因此上海地區(qū)可視具體地質(zhì)條件，選用1.53.m布樁間距。粉噴樁布樁間距受面積置換率控制，從樁長范圍內(nèi)復(fù)合體的模量來看，樁間距越小，模量越高，該范圍內(nèi)壓縮量越小，但從路堤總沉降量來看，樁間距從1.41.6m之間變化，相應(yīng)的面積置換率從0.10.05m之間，總體沉降變化不大，只是樁長范圍內(nèi)與樁端

25、以下壓縮量的相對比例發(fā)生了改變，樁距為1.4m時，樁長范圍內(nèi)壓縮量占總沉降量的10%，而樁距為1.6m時，樁長范圍內(nèi)壓縮量占總沉降量的40%，從粉噴樁處理后總沉降量減少方面來看，基本能減少2030%，樁間距變化并不產(chǎn)生總沉降較大的改變，粉噴樁間距通常采用1.5m尚有潛力可挖。 3.8關(guān)于路堤臨界高度 上海天然地基在低路堤 (小于2.5m)作用下總沉降量不大，且沉降可很快穩(wěn)定。根據(jù)莘松的經(jīng)驗，當(dāng)填土在1.8m高時，經(jīng)15個月預(yù)壓，沉降穩(wěn)定在10cm以內(nèi)，填土高度在22.3m時，在兩年時間內(nèi)沉降穩(wěn)定在1520cm，曲線較平緩，因此莘松提出2.3m作為最佳填土高度，在此高度范圍內(nèi)無需地基處理。滬嘉的沉降資料表明，路堤高度在1.5m以下時，工后沉降僅34cm，路堤高度在1.92.7m時。工后沉降為811cm，大都滿足或者接近工后10cm的控制標(biāo)準(zhǔn)，對路堤高度達(dá)到3m的橋接坡(如馬陸壙橋)工后沉降為14.1cm，略超過10cm。從地質(zhì)條件來看，滬嘉比莘松好，不處理地基的臨界高度也略有變化，一般2.5m作為一個平均的臨界路堤高度還是比較恰當(dāng)?shù)摹?粉噴樁處理后地基也存在 “臨界路堤高度”。對存在這一高度的原因不少學(xué)者作過分析 研究 ，筆者認(rèn)為地基的超固結(jié)特性應(yīng)是主要原因。地表以下510m范圍內(nèi)的土處于超固結(jié)狀態(tài)，并且天然地基臨界高度荷載