高速公路高填方濕陷性黃土路基拓寬不均勻沉降處治技術(shù)

王 健

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津300222）

1 高填方淺層濕陷性黃土段路基拓寬實(shí)地試驗(yàn)

以內(nèi)蒙古赤承高速公路拓寬工程中具有高填方淺層濕陷性黃土路基特征路段K48＋500－K48＋700段為試驗(yàn)段，針對(duì)高填方淺層濕陷性黃土段路基拓寬進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，填方高度為6.5m，拓寬方式為雙側(cè)拓寬.同條件下分別采用砂樁和預(yù)壓兩種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體路基處理方式見表1.

表1 具體路基處理方式

2 砂樁段路基變形理論分析

K48＋500－K48＋600段采用砂樁處理拓寬部分地基，砂樁直徑40cm，自原地面起，樁長(zhǎng)5m，樁間距120cm，梅花形布樁.采用振動(dòng)法施工，施工順序?yàn)閺穆坊鈧?cè)向舊路方向施工.砂樁所使用的砂礫要求級(jí)配良好，最大粒徑不大于10cm.地質(zhì)情況：1～8m為黃土狀粉質(zhì)黏土，黃褐色，稍濕，硬塑，具有大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，2.3～2.7m夾薄層卵石.承載力基本允許值150kPa.

本段設(shè)置了2個(gè)觀測(cè)斷面，分別為K48＋500、K48＋550，其中K48＋550為主觀測(cè)斷面，K48＋500為輔助觀測(cè)斷面.砂樁段樁地基元件平面布置示意圖見圖1.

圖1 K48＋500－K48＋600段儀器試驗(yàn)儀器布置圖

砂樁處理結(jié)束之后，經(jīng)過(guò)監(jiān)理單位靜力觸探監(jiān)測(cè)，砂樁承載力平均達(dá)到240kPa.根據(jù)設(shè)計(jì)，置換率m為0.1008，樁土應(yīng)力比沒(méi)有經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，粘性土取2～4，粉質(zhì)土取1.5～3，根據(jù)本試驗(yàn)段的土質(zhì)，樁土應(yīng)力比取2.則根據(jù)復(fù)合地基承載力計(jì)算公式：fsp，k＝mfp，k＋（1－m）fs，k.式中，fs，p復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，m為置換率，fp，k為樁體單位面積承載力標(biāo)準(zhǔn)值，fs，k為樁間土承載力標(biāo)注值.經(jīng)過(guò)計(jì)算，砂樁處理后復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為159.072kPa.

處理之后復(fù)合地基的壓縮模量的計(jì)算公式為：Esp＝［1＋m（n－1）］Es.式中，Esp復(fù)合地基壓縮模量；Es為樁間土壓縮模量；n為樁土應(yīng)力比；無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，粘性土取2～4，粉質(zhì)土取1.5～3，原地基土強(qiáng)度高取低值，原地基土強(qiáng)度低取高值，根據(jù)本試驗(yàn)段的土質(zhì)，樁土應(yīng)力比取2.計(jì)算得到處理后復(fù)合地基壓縮模量增大了10.08%，則理論計(jì)算，砂樁處理后地基的沉降量會(huì)減小9.16%.

由此可知，對(duì)于原地基土承載力較高的地質(zhì)條件而言，采用砂樁法處理并不能有效的提高地基承載力以及減小地基沉降，在此類地質(zhì)條件中，砂樁更多的作用是提供一個(gè)良好的豎向排水通道，提高固結(jié)速度，針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的氣候條件而言，采用砂樁法還能減小冬季凍脹作用的影響.

3 預(yù)壓路基沉降變形特性分析

K48＋600－K48＋700段采用超載預(yù)壓處理拓寬部分地基.地質(zhì)情況：1～9m為黃土狀粉質(zhì)黏土，黃褐色，稍濕，硬塑，具有大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育.9m以下為卵石，灰黃色，稍濕，密實(shí)，一般粒徑40～80mm，最大粒徑130～150mm，填充物為砂類土，母巖成分為花崗巖.承載力基本允許值150kPa.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，拓寬路基填筑完成之后，在拓寬路基及新老路基結(jié)合部進(jìn)行超載預(yù)壓，預(yù)壓高度3.5m，預(yù)壓時(shí)間大于90d.本段設(shè)置了2個(gè)觀測(cè)斷面，分別為K48＋600、K48＋650，其中K48＋650為主觀測(cè)斷面，K48＋600為輔助觀測(cè)斷面.加固方案見表2.試驗(yàn)元件平面布置示意圖見圖2.

圖2 預(yù)壓施工圖（單位：cm）

表2 加固方案

3.1 沉降變形分析

預(yù)壓段地基分層沉降隨荷載和時(shí)間變化曲線和預(yù)壓段地基分層沉降隨深度變化曲線分別見圖3、圖4、圖5、圖6；圖7、圖8、圖9、圖10.K48＋600不同時(shí)間新老路肩沉降量對(duì)比曲線見圖11，不同時(shí)間沉降板沉降隨填土層數(shù)變化曲線見圖12.

從不同時(shí)間沉降量隨填土層數(shù)變化曲線可以看出，隨荷載、時(shí)間的增加，沉降也逐漸增加.地基沉降量不大，這說(shuō)明地基條件適合用作高速公路拓寬.填筑之初地基沉降速率較快，并且在路基填筑完成后短時(shí)間內(nèi)依然保持較大的速率增長(zhǎng)，填筑期間的增長(zhǎng)主要由拓寬路基和荷載所引起的，而路基填筑完成后短時(shí)間內(nèi)沉降量的快速增長(zhǎng)是由于拓寬路基及新老路基結(jié)合部上進(jìn)行超載預(yù)壓處理，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，沉降速率降低，沉降趨于穩(wěn)定.

從不同時(shí)間沉降隨深度變化曲線可以看出，沉降分布比較均勻，基本呈線性增長(zhǎng).填筑初期單日沉降量大于10mm，這是由于淺層軟弱土受荷載作用迅速固結(jié)沉降所致，隨著淺層軟弱圖固結(jié)沉降的完成，隨后填筑期間的日沉降量均小于5mm.填筑完成后的月沉降量小于1mm.

從不同時(shí)間新老路肩沉降對(duì)比曲線可以看出，新老路肩處路基差異沉降很小，原因有兩個(gè)：

（1）拓寬面對(duì)應(yīng)路基位置為老路邊坡，老路經(jīng)過(guò)多年的使用，固結(jié)沉降基本完成，即使在新增荷載，沉降值依然不大；

（2）老路邊坡經(jīng)過(guò)開挖后再重新鋪筑拓寬部分的路基，相對(duì)來(lái)說(shuō)，拓寬路面對(duì)應(yīng)處路基所增加的荷載較小，所產(chǎn)生的附加沉降也較小.

從不同時(shí)間沉降板沉降隨填土層數(shù)變化曲線可以看出，主副兩個(gè)斷面的沉降板沉降值基本相同，變化規(guī)律也基本相同，均是隨著填土高度的增加而增加，在填筑完成后逐漸趨于穩(wěn)定.其所反映出的結(jié)果與分層沉降儀相同.

經(jīng)過(guò)超載預(yù)壓后的新老路基在施工期間的沉降已趨于穩(wěn)定，預(yù)計(jì)工后沉降較小，新老路肩處路基差異沉降很小，鑒于此，鋪筑面層及通車之后，新老路基結(jié)合部產(chǎn)生拉裂的可能性很小，小于設(shè)計(jì)之初的預(yù)估計(jì)值，針對(duì)此種淺層軟弱路基，超載預(yù)壓的效果是顯著且有效的.

圖3 K48＋600新路肩沉降－填土－時(shí)間曲線

圖4 K48＋600新路肩不同時(shí)間沉降隨深度變化曲線

圖5 K48＋600老路肩沉降－填土－時(shí)間曲線

圖6 K48＋600老路肩不同時(shí)間沉降隨深度變化曲線

圖7 K48＋650新路肩沉降－填土－時(shí)間曲線

圖8 K48＋650新路肩不同時(shí)間沉降隨深度變化曲線

圖9 K48＋650老路肩沉降－填土－時(shí)間曲線

圖10 K48＋650老路肩不同時(shí)間沉降隨深度變化曲線

圖11 K48＋600不同時(shí)間新老路肩沉降量對(duì)比曲線

圖12 不同時(shí)間沉降板沉降隨填土層數(shù)變化曲線

3.2 地基水平位移分析

填土期間所測(cè)得的深層側(cè)向位移曲線在往復(fù)擺動(dòng)，并沒(méi)有一致的發(fā)展趨勢(shì)，這是新老路基沉降調(diào)整的結(jié)果.地基總體上地基側(cè)向位移量很小，最大側(cè)向位移不超過(guò)10mm.從測(cè)點(diǎn)的水平位移變化可以看出，深層土體的水平位移較小，淺層水平位移較大，故發(fā)生拓寬路基失穩(wěn)的可能性不大.填筑初期地基水平位移較小，超載預(yù)壓完成后地基表層水平位移向外傾斜，這符合地基沉降變形特性；地基水平位移的發(fā)展成線性，這一結(jié)果與不同時(shí)間沉降隨深度變化曲線對(duì)應(yīng).

從目前所收集到的數(shù)據(jù)整理分析可以看出，該段地基整體沉降不大，新老路基差異沉降較小，日沉降量以及月沉降量均在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)沉降逐漸趨于穩(wěn)定，因?yàn)槌d預(yù)壓部分荷載較面層及通車荷載大，故綜合考慮鋪筑面層及通車后出現(xiàn)路面及路基損壞的可能性不大.地基側(cè)向位移較小，符合地基沉降變形特性，綜合考慮拓寬路基發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性不大.從目前數(shù)據(jù)來(lái)看，預(yù)壓法處理高填方淺層濕陷性黃土地基拓寬工程是可靠可行的.

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)K48＋500－K48＋700高填方段淺層濕陷性黃土，試驗(yàn)采用了兩種不同的方法進(jìn)行處理，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果后得到以下結(jié)論：

（1）砂樁法處理該類地基沉降及地基水平位移明顯小于預(yù)壓法，說(shuō)明砂樁能夠有效的增強(qiáng)地基的抗剪切強(qiáng)度，抑制側(cè)向位移.

（2）兩種方法處理的效果都很好，K48＋500－K48＋600盡管采用砂樁法進(jìn)行處理，但實(shí)際沉降量以及沉降速率與未采用砂樁法進(jìn)行處理的K48＋600－K48＋700段相差在10mm以內(nèi)，考慮到K48＋600－K48＋700段還加入了預(yù)壓處理，可以說(shuō)砂樁法在減小地基沉降量上并沒(méi)有起到很明顯的效果.從理論計(jì)算及實(shí)際監(jiān)測(cè)分析都可以看出，當(dāng)原地基承載能力較高的情況下，采用砂樁法處理地級(jí)并不能有效降低路基的沉降量.

（3）預(yù)壓法能夠盡量減小工后沉降，但值得注意的是，砂樁擠密發(fā)較于預(yù)壓法更為節(jié)省施工時(shí)間，拓寬工程通常都對(duì)工期有著嚴(yán)格的要求，相較來(lái)說(shuō)，砂樁法更為符合當(dāng)前高速公路拓寬工程的工程需要.這樣處理拓寬路基后，路基發(fā)生因差異沉降及失穩(wěn)而產(chǎn)生破壞的可能性較小.

（4）砂樁法在處理該類地基所收到的效果小于K55＋300－400段，考慮的主要原因是路基處理完畢之后并沒(méi)有很好的防凍措施，使得表層處理部分受到凍脹影響，從而影響砂樁的處理效果，故而對(duì)于拓寬路基，應(yīng)當(dāng)在路基加固完畢之后迅速填土，防止路基遭受環(huán)境影響.對(duì)于冬脹區(qū)域應(yīng)當(dāng)在冬季做好防凍保護(hù).

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