薊汕高速公路天津段軟土路基處理技術(shù)研究

蘇　勇，周　寧，王　莉，劉存豪

（1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津市 300074；2.中交三公局第二工程有限公司，北京市 100124）

薊汕高速公路天津段軟土路基處理技術(shù)研究

蘇勇1，周寧1，王莉1，劉存豪2

（1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津市 300074；2.中交三公局第二工程有限公司，北京市 100124）

針對薊汕高速公路天津段軟土路基特點，通過軟基穩(wěn)定與沉降計算分析，提出不同工點的軟基處理技術(shù)方案，并對現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基進行了研究與應(yīng)用，有關(guān)經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

軟土路基；高壓旋噴樁；現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土；高速公路

1　概述

軟土路基處理一直是公路建設(shè)中的技術(shù)難題，軟土路基強度低、固結(jié)慢、變形大，在軟土地基未能很好處理就修筑路堤時，由于強度不足或變形過大將導(dǎo)致地基抗剪強度不夠引起路堤側(cè)向整體滑動，邊坡外側(cè)土體隆起；人工構(gòu)造物與路堤銜接處產(chǎn)生差異沉降，引起跳車；路堤的變形將導(dǎo)致路面及構(gòu)造物的破壞等，給公路的使用及維護帶來很大的困難，故如何妥善的進行軟土路基的處理是工程成敗的關(guān)鍵。

薊汕高速公路北起京津高速，南接津晉高速，其與京滬高速、濱保高速、京津高速、津晉高速自然圍合而成中心城區(qū)外圍的繞城高速環(huán)線，形成中心城區(qū)外圍的交通保護殼，承擔(dān)組織進出中心城市的功能，緩解外環(huán)線的交通壓力；其與津薊高速、津汕高速連通共同構(gòu)成天津市域“九橫五縱”骨架路網(wǎng)中縱向干路之一，是天津市域范圍內(nèi)的南北向通道的重要組成路段，形成聯(lián)系天津北部地區(qū)、海河中游、南部地區(qū)的重要通道。

薊汕高速公路（京津高速～港城大道）為薊汕高速公路北段工程，北接京津高速公路、南連港城大道，南北貫穿天津市中心區(qū)東部，所經(jīng)路線涉及北辰區(qū)、寧河縣、東麗區(qū)，見圖1。

該段路基在修筑的過程中，必然遇到濱海相沉積物，屬于軟弱土路基施工。由于本工程質(zhì)量要求高、工期緊，怎樣保證工期、質(zhì)量并節(jié)約項目成本是項目設(shè)計及施工需解決的主要問題。對于軟土路基的處理方式應(yīng)該結(jié)合實際的情況進行合理選擇，軟土路基的基本處理方式有很多，如何合理選擇并進行組合以達到有效地、經(jīng)濟地實現(xiàn)軟土路基的處理是一項十分重要的內(nèi)容。

圖1　工程位置示意圖

2　工程地質(zhì)條件

路線所經(jīng)地區(qū)屬于天津東部沖積平原、湖積平原，地勢較為平坦，絕大部分地區(qū)海拔高度在5 m以下，地下水埋藏較淺，地下水參與了整個成土過程。主要地貌類型有農(nóng)田、洼地、河道、池塘及溝渠等。場地的地質(zhì)分層情況如下：

表層為人工填土層，層厚0.20～1.60 m，以黏性土為主，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，密實程度差，壓縮性高，工程性質(zhì)差；在溝渠、河道和水塘處分布著厚度不均的淤泥層，含有大量有機質(zhì)、腐爛質(zhì)，工程性質(zhì)極差；

第二層為第Ⅰ陸相河床～河漫灘相沉積層，層厚1.00～3.30 m，中到高壓縮性黏性土，該層土分布較為穩(wěn)定，但層厚較薄，工程性質(zhì)一般；

第三層為第Ⅰ海相淺海相沉積層，層厚7.00～13.00 m，軟～流塑狀的粉質(zhì)黏土層，且局部夾有淤泥質(zhì)土層，高孔隙比、高壓縮性，高靈敏度，承載力基本容許值僅有90 kPa，工程力學(xué)性質(zhì)差；

其下為第Ⅱ、Ⅲ陸相層，主要由黏土、粉質(zhì)黏土、粉細砂組成，這些土層在水平方向上的分布穩(wěn)定，黏性土多呈可塑～硬塑狀態(tài)，中壓縮性，砂性土多密實狀態(tài)，中～低壓縮性，工程性質(zhì)尚好。

另外，本段場地抗震設(shè)防烈度為8度，屬于抗震不利地段。

3　軟土路基穩(wěn)定沉降計算分析[1-9]

3.1路基穩(wěn)定計算分析

根據(jù)現(xiàn)行《公路路基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，路基穩(wěn)定系數(shù)在考慮地震力情況下不小于1.1。穩(wěn)定計算采用理正軟件“軟土路堤、堤壩”模塊，選取若干特征點位，對邊坡坡率為1∶1.5設(shè)計斷面的路堤整體穩(wěn)定性進行驗算。

穩(wěn)定滑動面主要集中在⑥1流塑狀粉質(zhì)粘土層，該層的含水量高，孔隙比大，直接快剪和固結(jié)快剪指標(biāo)均較小，天然地基承載力較低（90 kPa）。

通過穩(wěn)定計算分析得出：填土高度不大于3.0 m的路堤，其整體穩(wěn)定性均滿足要求；對于局部填土高度大于3.0 m的路堤應(yīng)通過路堤加筋來增強其穩(wěn)定性；路線穿越大型水塘及取土坑位置局部填高甚至大于5.0 m，需結(jié)合設(shè)置反壓護道等措施來保證路基穩(wěn)定。

3.2路基沉降計算分析

根據(jù)現(xiàn)行《公路路基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，高速公路路面設(shè)計使用年限內(nèi)（15 a）路基工后沉降標(biāo)準(zhǔn)為：橋頭不大于10 cm、涵洞或箱型通道處不大于20 cm、一般路段不大于30 cm。

沉降計算采用理正軟件“軟土路堤、堤壩”模塊，經(jīng)驗系數(shù)法，輸入e-p壓縮曲線?？紤]兩級加載，0～1月填筑路堤，1～7月欠載預(yù)壓，7～9月鋪筑路面，施工期9個月。

通過沉降計算分析得出：對于一般路段的路基，當(dāng)路基填土高度小于5.0～6.0 m時，工后沉降基本上滿足規(guī)范要求（不大于30 cm），因此本次設(shè)計一般路段最大填土高度控制在6.0 m以下（主要在大型水塘處），橋頭填土高度應(yīng)控制在5.0～5.5 m，橋頭需進行深層復(fù)合地基處理方可滿足工后沉降要求。故本次深層地基處理集中在橋頭兩側(cè)，一般路段基本上不需深層地基處理，但對于填土高度較高的路段，應(yīng)采取措施控制不均勻沉降。

3.3堆載預(yù)壓的選擇

為了減小路基的工后沉降，路基填筑完成后設(shè)置6個月預(yù)壓期，對于是否設(shè)置超載土進行預(yù)壓，進行了相關(guān)計算分析，并得出結(jié)論：超載預(yù)壓和欠載預(yù)壓的工后沉降量相比，一般路基段可以減少2～5 cm，橋頭路基段可以減少1～4 cm?？紤]本項目土源緊張，外購?fù)羻蝺r較高，綜合考慮后確定一般路基段采用欠載預(yù)壓，橋頭路基段采用超載預(yù)壓。

4　橋頭深層路基處理樁型的選擇

根據(jù)勘察報告，淺層特殊性土主要為：①2素填土、⑥1粉質(zhì)黏土（局部夾有淤泥質(zhì)土層），粉質(zhì)黏土層的底板埋深一般不大于14 m。這些土層的工程性質(zhì)較差，地基承載力較低，含水量較高、孔隙比較大、壓縮變形較大，是影響路基穩(wěn)定、工后沉降與不均勻沉降的控制性土層。根據(jù)本地成熟的經(jīng)驗作法并結(jié)合工期，針對本工程土層性質(zhì)，適宜的深層復(fù)合地基處理方法主要有：高壓旋噴樁、水泥攪拌樁、PC管樁。

水泥攪拌樁施工最簡單、技術(shù)普及、造價不高，因而在高速公路路基處理中得到了廣泛的應(yīng)用，但受其工藝的影響，樁體強度離散性比較大，樁長不宜超過12 m，在地下水具有腐蝕性的場地其成樁質(zhì)量較差，因此本次設(shè)計從慎重角度考慮不采用水泥攪拌樁；而本工程沿線分布的軟弱粘性土土層提供的樁周摩阻力較小，不太適宜采用剛性樁（PC管樁），采用高壓旋噴樁處理的復(fù)合地基效果要優(yōu)于PC管樁，并且基于本工程沿線村鎮(zhèn)較多，施工作業(yè)應(yīng)盡量減少噪音擾民；并且沿線多處穿越高壓電力線，作業(yè)空間受限較多，因此本次設(shè)計優(yōu)先推薦采用高壓旋噴樁進行深層復(fù)合地基處理。

5　不同工點軟基處理設(shè)計方案

針對橋頭路基、原高速兩側(cè)幫寬路基、大型水塘及取土坑高填方路基等特殊工點，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，結(jié)合路基穩(wěn)定及沉降計算分析結(jié)論，采取施打高壓旋噴樁、路堤加筋、設(shè)置反壓護道、填土預(yù)壓等有針對性的路基處置方案，提高地基承載力，保證路基穩(wěn)定及控制工后沉降。

5.1橋頭路基設(shè)計方案

橋頭兩側(cè)地基采用高壓旋噴樁處理。根據(jù)不同的地質(zhì)條件和填土高度，處理范圍控制在50～60 m。根據(jù)工后沉降差變化設(shè)置漸變段，漸變段分3個處理區(qū)過渡，高壓旋噴樁樁長12～16 m，直徑0.6 m，采用正三角形布置，間距1.6～2.0 m。通過樁長與樁間距的調(diào)整，確保橋頭與一般路基間沉降值的均勻過渡。靠近橋頭20 m范圍內(nèi)為路基過渡段，填料采用8%石灰土，其余段采用素土或戧灰處理，以實現(xiàn)“由剛到柔，逐級過渡”，控制不均勻沉降，減少橋頭跳車的不利影響，見表1及圖2。

表1　高壓旋噴樁單樁承載力特征值

圖2　橋頭路基處理圖

5.2幫寬路基設(shè)計方案

原高速兩側(cè)路基幫寬段，為保證施工質(zhì)量，減小新舊路基的沉降差，在幫寬路基下部采用高壓旋噴樁方式處理地基，旋噴樁自邊坡開蹬的底部臺階橫向外偏移0.5 m處開始布置，并采用8%石灰土填筑路基，邊坡分層開蹬，路基較高處外側(cè)設(shè)置反壓護道，見圖3。

圖3　幫寬路基處理圖

5.3大型水塘及取土坑等高填方路基設(shè)計方案

路線多處穿越大型水塘及取土坑，深度3～6m，采用打壩抽水清淤換填的辦法進行處理，清淤后于塘底鋪設(shè)一層鋼塑格柵，其上填筑100 cm厚山皮土，然后進行路基填筑，路基填料采用5%石灰土，分層壓實填至一般路基處理底部，每層厚度不大于20 cm，并根據(jù)不同填土高度在灰土層底部設(shè)置1～3層鋼塑格柵以增加路基穩(wěn)定性。為保證路基穩(wěn)定及縱向邊溝的貫通，在路基臨水側(cè)設(shè)置反壓護道，同時在反壓護道平臺上設(shè)置矩形邊溝，反壓護道平臺高度距離水面不小于1 m且利于邊溝縱向的連接，平臺寬度依據(jù)不同填土高度由穩(wěn)定計算來確定，取值為4～8 m，見圖4。

圖4　水塘（取土坑）段路基處理圖

5.4現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土是近年來新興的一種建筑材料，它是用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料。在土建工程中也被稱為泡沫混凝土、氣泡混合輕質(zhì)土等。

5.4.1現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的主要特點

（1）輕質(zhì)性：普通混凝土容重25 kN/m3，灰土容重18～20 kN/m3，粉煤灰12～16 kN/m3?，F(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土含有大量獨立封閉的氣泡，比較其他材料較輕，其容重為3～15 kN/m3范圍可調(diào)。

（2）容重和強度可調(diào)節(jié)性：通過調(diào)整現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土中氣泡的含有率，可控制現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土干密度在300～1 800 kg/m3之間可調(diào)，控制強度在0.3～20 MPa范圍內(nèi)可調(diào)（工程中常用0.3～1.5 MPa范圍）。

（3）填充自密實性：在泡沫輕質(zhì)土施工過程中，泡沫輕質(zhì)土在固化前處于液體，具有高流動性，僅嚴格按照設(shè)計分層厚度進行施工即可。利用其自流平特性，用于空洞及狹小空間填充，可避免常規(guī)填料填充不到位不飽滿的缺陷。采空洞、巖溶區(qū)、建筑基坑、隧道垮塌形成的空洞及地下管線周邊空隙，均可采用現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土進行回填。澆筑過程中無需振搗，且嚴禁振搗。

（4）固化后的自立性：現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土采用水泥為固化劑，故在水泥終凝后形成超固結(jié)狀態(tài)，固化后具有自立的特性，對其他結(jié)構(gòu)物不產(chǎn)生側(cè)壓力。

（5）保溫隔熱性：現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土屬于A級不燃材料，且保溫效果好；現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的導(dǎo)熱系數(shù)小，其隔熱性能明顯，且導(dǎo)熱系數(shù)隨容重的增加而減小。

（6）耐久性：現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土屬于水泥類材料，使用壽命與水泥混凝土相同，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境適當(dāng)參入外加劑，抵抗外界環(huán)境腐蝕，同樣具備較好的耐久性。

（7）環(huán)保性：2015年3月全國“兩會”會議上環(huán)境保護已做重點明確要求，建筑領(lǐng)域的環(huán)境保護措施將更加嚴格，新型環(huán)保產(chǎn)品將替代傳統(tǒng)材料登場使用。

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土施工設(shè)備采用全封閉式攪拌設(shè)備，施工現(xiàn)場無揚塵，對土壤、水、空氣等自然環(huán)境均無污染。應(yīng)用于山區(qū)陡峭路段的路基填筑過程中，可避免高填高挖等對環(huán)境的破壞，對保護自然生態(tài)環(huán)境保護意義重大。

（8）施工便捷性：現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的制作點與施工現(xiàn)場澆筑點可分離，采用直徑10 cm的軟管泵送，澆筑點占地面積小，可在狹小空間內(nèi)施工，施工便捷高效。

5.4.2現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土在工程中的主要應(yīng)用

（1）橋頭輕質(zhì)路基：替代軟土地區(qū)橋頭深層路基處理和石灰土填筑路基，可避免橋臺背壓實困難，減輕橋頭跳車，縮短工期，降低造價。

（2）舊路加寬路基填筑：施工作業(yè)面小，不需施工便道，幾乎不需額外征地，減少了新舊路基之間的差異沉降，并可取消深層路基處理，節(jié)省造價。

（3）橋梁減跨：因為輕質(zhì)土具有自立性和輕質(zhì)性，可用高路基替代橋跨，大幅節(jié)省造價。

（4）大跨度結(jié)構(gòu)工程覆土減荷：因輕質(zhì)性，在增加厚度的同時可以減輕施加到結(jié)構(gòu)上的荷載，在地鐵等工程中應(yīng)用廣泛。

（5）狹小空間的回填：巖溶區(qū)、采空區(qū)、管道回填等部位，因輕質(zhì)土重量輕、不需壓實、作業(yè)面小、施工快速，可替代傳統(tǒng)材料填充狹小隱藏空間。

（6）山區(qū)陡峭路段路基填筑：降低荷重，減少路基自身的滑動力距，提高路基的抗滑穩(wěn)定性；可垂直填筑，支護簡便，可優(yōu)化半填半挖路基選線，避免高填帶來的穩(wěn)定性問題及大量占用土地資源的弊端，以及高挖帶來的高邊坡支護代價及對環(huán)境的破壞問題。

5.4.3現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土在工程中有著廣闊的應(yīng)用前景，在本高速項目中，選取一處橋頭點位嘗試運用該工藝。

本工程中，規(guī)劃主干路一分離式立體交叉橋跨越大片水塘，橋臺離水塘最近處只有10 m，且離趙溫莊很近，最近處只有30多米，橋頭下存在較厚的軟弱粘性土，針對該橋頭點位，我們分別采用兩種路基方案進行詳細技術(shù)經(jīng)濟比較：

方案一：橋頭高壓旋噴樁進行軟基處理，石灰土或素土填筑路基橋頭處理范圍控制在50 m。根據(jù)工后沉降差變化設(shè)置漸變段，漸變段分3個處理區(qū)過渡，通過樁長與樁間距的調(diào)整，確保橋頭與一般路基間沉降值的均勻過渡。靠近橋頭20 m范圍內(nèi)為路基過渡段，填料采用8%石灰土，其余段采用素土或戧灰處理。因臨近大型水塘，橋臺前錐坡下增設(shè)三排樁，見圖5。

圖5　橋頭路基深層處理設(shè)計圖（方案一）

方案二：橋頭現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土填筑路基

橋頭50 m范圍內(nèi)，清表厚度0.3 m，回填0.5 m厚度級配碎石，其上分層填筑泡沫輕質(zhì)土至路面結(jié)構(gòu)底部。

泡沫輕質(zhì)土施工濕密度級別D600,強度等級F0.8。在距離輕質(zhì)土路基頂面、底面60 cm及中間位置各鋪設(shè)一層金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)采用Φ4 mm不銹鋼絲網(wǎng),網(wǎng)眼規(guī)格10 mm×10 mm。輕質(zhì)土頂面由石灰土找坡。

本工程泡沫輕質(zhì)土表干容重為3.8 kN/m3，遠低于石灰土容重，填土減荷效果明顯，在不進行深層路基處理的情況下，經(jīng)計算，工后沉降控制效果顯著見圖6。

圖6　橋頭現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基設(shè)計圖（方案二）

方案比選見表2。

表2　方案比選表

綜上，從各方面來講，方案二現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基相對方案一傳統(tǒng)的加固土樁深層處理工藝均存在一定的優(yōu)勢，該橋頭軟基點位推薦采用方案二，該工藝值得在同類項目中進行推廣應(yīng)用。

6　高填方路基填筑沉降觀測

對于橋頭、大型水塘等高填方路基，應(yīng)通過監(jiān)控路堤的地表沉降及路側(cè)水平位移來控制填筑速率，保證路基填筑時的穩(wěn)定。地表沉降觀測采用沉降板，路側(cè)水平位移通過邊樁來觀測。

施工期間應(yīng)嚴格按要求同步進行沉降和側(cè)向水平位移的跟蹤觀測，每填筑一次觀測一次；如果兩次填筑間隔時間較長，每3 d至少觀測一次。預(yù)壓期內(nèi)前兩個月必須每周觀測一次，以后每兩周觀測一次。

當(dāng)路基穩(wěn)定出現(xiàn)異常情況可能失穩(wěn)時必須立即停止加載并采取果斷措施，待路堤恢復(fù)穩(wěn)定后方可繼續(xù)填筑。判斷路基可能失穩(wěn)的條件：沉降速率不小于1.0 cm/24 h或水平位移不小于0.5 cm/24 h。

圖7為津蘆南線立交主線橋北側(cè)橋頭位置在填筑期間（2015年3月1日～2015年3月21日）及預(yù)壓期（2015年3月21日～2015年9月21日）按設(shè)計要求進行沉降跟蹤觀測，得到沉降曲線。津蘆南線立交主線橋北側(cè)橋頭位置填土高度為5 m（路基填土高度4.2 m，路面結(jié)構(gòu)厚度0.8 m）。

沉降觀測數(shù)據(jù)表明在路基填筑施工期間，路中累計沉降量為49.2 mm，右側(cè)路肩累計沉降量48.5 mm，左側(cè)路肩累計沉降量47.6 mm。預(yù)壓期結(jié)束時路基累計沉降量100～110 mm，與沉降計算基本吻合。

圖7　橋頭填土沉降觀測曲線

7　結(jié)語

道路軟土地基處理方案有很多種，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)條件、材料供應(yīng)、具體點位、工期要求、綜合造價和環(huán)境保護等因素，按照因地制宜、就地取材、分期修建、綜合處治的原則進行充分論證，在保證質(zhì)量的前提下積極采用綜合效益更優(yōu)的新材料新技術(shù)，使得設(shè)計成果和施工方案達到最優(yōu)。

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武深高速嘉通南段（赤壁至通城段）建成通車

武深高速（G4E）嘉通南段（赤壁至通城段）近日建成通車。該段高速將京港澳高速與杭瑞高速有效連接，在湖北最南邊形成環(huán)線。

武深高速縱貫湖北、湖南和廣東三省，連接武漢城市圈、長株潭城市群和珠三角經(jīng)濟圈，是京港澳高速以東的另一條南北大通道。武深高速嘉通段由中交投資與中交二航局、中交二公院等共同投資，采取“BOT+EPC”模式建設(shè)，項目全長91.4 km，設(shè)計概算89.49億元。

武深高速全線貫通后，將極大緩解京港澳高速的壓力，同時將武漢至深圳高速公路里程縮短180 km。

U416.1

B

1009-7716（2016）03-0033-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.010

2015-11-23

蘇勇（1981-），男，山東臨沂人，高級工程師，從事公路與城市道路工程設(shè)計工作。