高速公路加寬軟土路基處理方式分析

齊明芹　楊　明

(1.山東同舟工程咨詢有限公司，山東 煙臺　264003；　2.煙臺市萊山區(qū)濱海路街道辦事處建設(shè)監(jiān)督管理辦公室，山東 煙臺　264003)

0　引言

我國高速公路建設(shè)從20世紀(jì)80年代開始興建，發(fā)展十分迅速。截至2015年年末，我國公路總里程達(dá)到457萬km，高速公路總里程突破12萬km[1]，公路和高速公路總里程均達(dá)到世界前列。但受保守思想的影響和當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件的制約，高速公路修建時(shí)，大多采用雙向四車道，六車道及八車道的高速公路很少見。伴隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及生活水平的不斷提高，交通量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求已超出許多路段的承受能力，道路運(yùn)輸能力亟需提高。該現(xiàn)狀解決的方式有兩種：一是加密路網(wǎng)，在原路附近新建高速公路；二是拓寬原路，將車道數(shù)量在原路線上增加。對比兩種方式，前者需要新占用較大空間并耗費(fèi)大量資金，而且易混淆路網(wǎng)；后者方便施工，占用少量的土地，整體費(fèi)用低。綜合各方面效益來看，高速公路改擴(kuò)建將成為改善道路交通狀況的主要方式。而在高速公路改擴(kuò)建工程中，最常見也是最難處理的情況便是軟土路基處理。軟土路基處理過程中怎樣解決新老路堤結(jié)合部的變形、道路銜接等技術(shù)問題，都將影響道路改擴(kuò)建后的使用。

1　軟基的概念及特點(diǎn)

1.1　軟基的概念

軟基主要由松散的土壤組成，含有較多的細(xì)顆粒，如粉質(zhì)粘土和粘土顆粒，或松散的沙、泥炭和較大的有機(jī)質(zhì)。由他們的組成成分決定軟基的特性：高壓縮性、低強(qiáng)度、小滲透性和力學(xué)性能差等。雜填土、沖填土以及淤泥和淤泥質(zhì)土等是最為常見的軟基。

1.2　特點(diǎn)

1)孔隙比大、含水量高[2]。軟基土的孔隙比(e)在1～2之間，天然含水量(w)在50%～70%之間，飽和度一般大于95%，液限在35%～60%之間，塑性指數(shù)在13～30之間。天然重度在15 N/m3～19 N/m3之間。

2)壓縮性高。常見軟基中淤泥和淤泥質(zhì)土的壓縮系數(shù)一般在0.005～0.02之間，壓縮性較高，結(jié)構(gòu)物建在這種類型的地基上會產(chǎn)生較大的沉降，尤其沉降不均勻時(shí)，會對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生較大的破壞。

3)透水性差。軟土含水量大，但由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，軟土路基的透水性卻很小，通常來說，軟土的滲透系數(shù)k<1 mm/d。正是由于軟土路基的透水性如此小，當(dāng)土體受荷載作用后，往往呈現(xiàn)很高的孔隙水壓力，從而影響地基的壓實(shí)。

4)抗剪強(qiáng)度低。軟土通常呈軟塑或流塑狀態(tài)，在外部荷載作用下，抗剪性能極差，就我國的情況來說，軟土的無側(cè)限抗剪強(qiáng)度小于30 kN/m2(換算為0.3 kg/cm2)。在不排水條件下剪切時(shí)，內(nèi)摩擦角幾乎等于零，這種情況下，凝聚力C(軟土C<30 kN/m2)決定抗剪強(qiáng)度；固結(jié)快剪時(shí)，十字板剪切強(qiáng)度35 kPa，內(nèi)摩擦角在5°左右，因此抗剪強(qiáng)度低。通過上面的論述，可以看出，如何將軟基土中的水排出是提高強(qiáng)度的關(guān)鍵。軟土在有排水路徑的前提下，軟土將隨著外部荷載的增加，而慢慢固結(jié)；反之，若軟土沒有良好的排水路徑，軟土的強(qiáng)度可能隨著外部荷載的增大而衰減。所以在軟基土上盡可能的將建筑物的重量降低，通常將建筑物設(shè)計(jì)成“輕型薄壁”型。

5)靈敏度高。一般而言，軟土在結(jié)構(gòu)未被破壞時(shí)(未經(jīng)擾動前)，具有一定的抗剪強(qiáng)度。例如海相沉積類型軟土，在擾動后，抗剪強(qiáng)度明顯下降。這種受到擾動后的軟土，強(qiáng)度降低的程度用靈敏度來衡量，靈敏度是指在含水量不變的前提下，軟土原狀土與重塑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值。通常情況下，軟土靈敏度一般在3～4之間，在特殊情況下，也有高的情況。因此，在軟基土上施工時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的措施盡量避免對地基的擾動。

2　軟基在高速公路加寬工程中主要病害

一般而言，不均勻沉降和失穩(wěn)是高速公路改擴(kuò)建工程中最常見的破壞形式，具體的破壞種類有路面破壞、路基破壞[3]。

2.1　路面的破壞

根據(jù)路面的成分不同，路面破壞形式有水泥混凝土路面破壞、瀝青混凝土路面破壞。其中，瀝青混凝土路面破壞主要有道路橫坡度改變、開裂、縱向碎裂等。水泥混凝土路面破壞主要有錯(cuò)臺、開裂、斷裂等。路基破壞與路面破壞是伴隨發(fā)生的，路面的破壞也是路基的破壞引起的，路面破壞是路基的穩(wěn)定性差的外在表現(xiàn)。在進(jìn)行路基施工時(shí)，如何處理路基的開挖與填筑、壓實(shí)、新老路基性能差異產(chǎn)生的變形等，都會影響路面的使用。

2.2　路基的破壞

高速公路改擴(kuò)建施工工程中，因?yàn)椴痪鶆虺两?，舊路基與新路基的銜接處產(chǎn)生裂縫是最常見的，這種現(xiàn)象在軟基土中更為普遍。當(dāng)路面破壞后，如不采取相應(yīng)的措施來處理的話，受雨水侵蝕，破壞會持續(xù)加大，路基就會受到?jīng)_刷，穩(wěn)定性降低，最終造成路面坍塌。

3　軟基處理方法

為保證在軟基上建造的結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定，工程師想出多種方法來處理軟基土，根據(jù)不同的地質(zhì)情況，常見的、使用頻率最高的方法是排水固結(jié)法和加固土樁法。

3.1　排水固結(jié)法

綜合考慮[4]，排水固結(jié)法是公路軟基常見的處理方法。在軟基中通過水平砂墊層，及豎向排水體組成的排水系統(tǒng)，改變軟基的排水條件，軟基的排水距離縮短，最終將軟基中的水加速排出，實(shí)現(xiàn)固結(jié)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：操作簡便、施工簡單，造價(jià)低，效果好。主要用于等級較低、工期不緊，處理路段較短的公路工程。

3.2　加固土樁法

該方法的原理是通過采取一系列的措施來改良軟基土，采用專用施工機(jī)械通過回轉(zhuǎn)、翻松、噴粉和攪拌將固化材料(常見的固化材料是水泥、石灰)和軟土進(jìn)行混合攪拌，將一定范圍內(nèi)的軟土改良，形成的加固土樁，如粉噴樁和旋噴樁等。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：影響深度大、施工速度較快，加固效果較好；缺點(diǎn)是：造價(jià)高。鑒于它的優(yōu)缺點(diǎn)，該方法主要用于等級較高，工期較緊的道路工程。具體加固處理步驟為：1)施工準(zhǔn)備工作。如粉噴樁的樁位設(shè)計(jì)圖，施工場地地質(zhì)報(bào)告、原地面的高程數(shù)據(jù)表，土工試驗(yàn)報(bào)告和室內(nèi)配比的試驗(yàn)報(bào)告，確定停灰面高程、加固深度和測量資料等。2)機(jī)械準(zhǔn)備工作。施工準(zhǔn)備工作做完后，進(jìn)行平整場地和障礙清除工作，然后進(jìn)行機(jī)械準(zhǔn)備工作，如施工機(jī)械的進(jìn)場、組裝及試運(yùn)轉(zhuǎn)等。3)試樁工作。施工及機(jī)械準(zhǔn)備工作完成后，正式施工前，必須進(jìn)行試樁，試樁參數(shù)要根據(jù)設(shè)計(jì)要求的配比及試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)來確定。通常試樁都是5根，施工的參數(shù)(如鉆進(jìn)速度、粉噴量等)都是根據(jù)試樁的情況來調(diào)整、確定。試樁的結(jié)果直接決定工藝的加固效果，試樁是一項(xiàng)非常重要的程序，一定認(rèn)真對待。

3.3　其他常見方法

除以上2種方法外，對軟基處理的處理方法技術(shù)，還有以下幾種，這些方法多是根據(jù)軟基特性搭配使用，確保處理效果達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。有開挖換填、反壓護(hù)道、拋石擠淤、預(yù)壓法、豎向排水固結(jié)法、水平增強(qiáng)體法等。其中基底開挖換填法、反壓護(hù)道法及拋石擠淤法主要適用于淺層軟弱地基，而其他幾種處理方法適用于相對比較深的軟弱地基。各種方法的原理如下。

3.3.1開挖換填法

開挖換填法是指先挖除軟弱地基，然后用優(yōu)質(zhì)路基填筑材料換填。常見的換填材料有碎石土(石料含量在80%以上)、石灰改良土及中粗砂。施工過程中要注意盡量避免雨天施工，并注意滲水處理。通常用在工程量較小的、公路等級標(biāo)準(zhǔn)低的路段。

3.3.2反壓護(hù)道法

反壓護(hù)道法是指在路堤兩側(cè)填筑護(hù)道防止軟基產(chǎn)生剪切、滑移，確保路基穩(wěn)定。護(hù)道的規(guī)模根據(jù)道路的寬度、高度及軟土的實(shí)際特性確定，通常來說護(hù)道的高度不超過路堤的一半。

3.3.3拋石擠淤法

拋石擠淤法是指通過向軟弱地基投放片、塊石，將底部的淤泥擠出軟弱地基(也可理解為變相改變軟基土的性質(zhì))，從而提高路基的性質(zhì)。該方法較簡單，通用于常年積水或不易排水的軟土。在施工中，片、塊石的投放順序往往影響處理效果，應(yīng)特別注意，正確的順序?yàn)橄韧斗怕返讨胁浚缓笸斗怕返虄蓚?cè)。

3.3.4預(yù)壓法

常見的預(yù)壓方法有堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓，堆載預(yù)壓還有超載預(yù)壓和等載預(yù)壓兩種方式。其原理通過采取一定的措施在軟基土表面或內(nèi)部加載，排出軟基土中的水，提高地基強(qiáng)度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：費(fèi)用較低；缺點(diǎn)是：處理周期長、處理效果不能保證，使用范圍小、有一定的局限性(根據(jù)軟基土的排水能力確定)。

3.3.5豎向排水法

豎向排水法是指在軟弱地基中加入豎向排水體。通過豎向排水體，改善排水方式、縮短水分排出距離，進(jìn)而將水分加速排出，加快地基固結(jié)的速度。一般而言，該方法要根據(jù)軟土的特性與預(yù)壓法、水平固結(jié)法配合使用，提高加固效果和速率。常用的豎向排水體有塑料排水板、砂井、袋裝砂井及碎石樁。由于該方法往往與其他方法配合使用，所以該方法優(yōu)缺點(diǎn)和預(yù)壓法的相同。具有一定的使用局限性，費(fèi)用較低。

3.3.6水平增強(qiáng)體法

水平增強(qiáng)體法是指在軟基的表層或內(nèi)部鋪設(shè)土工聚合物，進(jìn)行軟弱地基處治的一種方法。常用的土工聚合物有：土工格柵等。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以避免發(fā)生路基的整體滑坡，這是該方法所特有的。

4　結(jié)語

在公路路基拓寬施工過程中，路基的整體穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度等都必須符合規(guī)范要求。特別是對要求路基的整體穩(wěn)定性，沉降量不符合使用要求的軟弱路基，一定要進(jìn)行處理。綜上所述，軟弱地基的處理方法多種多樣，實(shí)際使用過程中，一定要根據(jù)工程的實(shí)際情況，有針對性地選擇經(jīng)濟(jì)、適用的合理處理方法。

參考文獻(xiàn):

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[3]高景偉，姬懷卿.陜蒙高速公路軟基處理方案優(yōu)選方法[J].公路交通科技，2006，23(12):62-63.

[4]劉潤芬.高路堤軟基處理方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，1996.