高速公路軟基地段處理及工后沉降預測研究

周健

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

軟基地段作為高速公路工程中的重要組成部分，是施工中的重點地段，對施工質(zhì)量要求較高[1]。軟基地段主要由軟土土體組成，如黏土、粉土、松散砂[2]。相對于其他公路地段來說，軟基地段的壓縮量較高，抗壓強度較低，在后續(xù)投入使用過程中該地段沉降量較大[3]。造成這一問題的原因在于軟土土體中有機物質(zhì)含量較高。高速公路與普通公路存在較大的差異，主要體現(xiàn)在車輛行駛的速度較快，一旦高速公路軟基地段處理不當，就可能引發(fā)該地段出現(xiàn)大幅度沉降，造成嚴重的安全事故[4]。

基于此，本文對高速公路軟基地段做出了全方位的分析，并在此基礎(chǔ)上針對其病害特征，提出了一種全新的軟基地段處理方法，為提高高速公路運行的安全性與穩(wěn)定性作出貢獻。

1 高速公路軟基地段處理方法

1.1 置換軟基地段不良土體

本文設(shè)計的高速公路軟基地段處理方法中，首先，結(jié)合高速公路的實際運行狀況與特征，依據(jù)公路設(shè)計圖紙，明確其中的軟基地段位置。其次，在此基礎(chǔ)上檢測軟基地段是否存在病害風險與隱患。一旦軟基地段存在病害隱患，則采用換填墊層法，置換其中土質(zhì)較低的不良土體[5]。

首先，對存在病害隱患的軟基地段進行開挖施工，設(shè)定開挖深度，挖出其中的不良土，并將其去除。基于高速公路工程的實際建設(shè)需求與運行需求，選取工程特性優(yōu)良的復合材料[6]。在復合材料選取中，以材料造價、抗壓縮性能、抗剪強度為主要選取要求，在保證復合材料使用性能的情況下，減少造價成本[7]。

其次，將選取后的復合材料，通過回填的方式回填到軟基地段開挖位置，利用工程機械進行反復碾壓，直至壓實為止[8]。碾壓結(jié)束后，在該地段進行墊層處理。這一步驟的主要目的在于擴散傳遞軟基地段上的應(yīng)力，有效地提高該地段的承載力，完成軟基地段不良土的置換處理。

1.2 設(shè)計反壓護道

基于上述高速公路軟基地段不良土置換處理完畢后，接下來設(shè)計軟基地段反壓護道，全方位地提高高速公路路堤的穩(wěn)定性。

本文設(shè)計的高速公路軟基地段反壓護道結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 高速公路軟基地段反壓護道結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，首先，明確高速公路軟基地段存在病害的路堤位置，結(jié)合高速公路寬度的實際情況，在路堤兩側(cè)分別設(shè)置寬度與高度相同的反壓護道，用于固定路堤。在設(shè)計反壓護道時，綜合考慮高速公路路堤填筑的高度，保證其高度小于1.5～2 倍的極限高度。其次，在此基礎(chǔ)上采用分開填筑的方式，設(shè)計反壓護道的高度為現(xiàn)有高速公路路堤填土高度的1/3。通過設(shè)計軟基地段反壓護道，一方面能夠避免軟基地段出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，另一方面能夠提高軟基地段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.3 工后軟基地段沉降預測

在上述高速公路軟基地段處理結(jié)束后，對該地段進行沉降預測。若預測結(jié)果符合高速公路相關(guān)要求，則完成軟基地段處理；若預測結(jié)果不符合，則需要再次進行軟基地段處理，全面保障軟基地段的穩(wěn)定性與安全性。

本文設(shè)計的沉降預測方法采用雙曲線法原理，根據(jù)高速公路軟基地段填筑高度與填土時間，預測土體沉降值，沉降量的計算公式為：

式（1）中：H0表示高速公路軟基地段初始時刻土體的沉降量；t表示任意沉降監(jiān)測時刻；t0表示高速公路軟基地段初始監(jiān)測時刻；m、n表示不同的軟基地段沉降量待定系數(shù)，根據(jù)高速公路軟基地段現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行設(shè)定。通過計算，獲取軟基地段在任意時刻的沉降量，基于沉降量結(jié)果與軟基地段填筑高度、時間，預測工后軟基地段的沉降情況。根據(jù)公路路基沉降允許值標準，判斷軟基地段處理效果。

2 實例分析

針對當前高速公路軟基地段穩(wěn)定性與牢固性較差的問題，本文設(shè)計了軟基地段處理方法，綜合上述內(nèi)容為本文設(shè)計處理技術(shù)的整體流程。在此基礎(chǔ)上，為了進一步驗證本文提出的方法的可行性與實際應(yīng)用效果，進行如下文所示的實例分析。通過此次實例分析，一方面驗證了本文提出處理方法的有效性；另一方面對工后高速公路軟基地段沉降情況做出合理預測，判定上述設(shè)計方法中是否存在不足。

2.1 工程概況

選取某地區(qū)M 高速公路工程為此次研究的依托。

M 高速公路工程項目位于平原軟土地區(qū)，所在區(qū)域地形相對平坦。該高速公路采用8 車道的公路標準，公路路基寬度為45m。M 高速公路工程于2012 年9 月建成通車，相關(guān)工作人員定期對高速公路各個地段的質(zhì)量與安全性作出檢測，保證高速公路各個地段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性。在最近一次質(zhì)量檢測中，工作人員發(fā)現(xiàn)M 高速公路部分軟基地段的穩(wěn)定性大幅度下降，出現(xiàn)了不同程度的病害問題，降低了軟基地段結(jié)構(gòu)的承載能力與抗壓強度，存在一定的安全風險與隱患。由于M 高速公路工程軟基地段規(guī)模較大，傳統(tǒng)處理方法無法對各個地段作出精確處理。基于此，將上述本文提出的處理方法應(yīng)用到M 高速公路工程軟基地段處理中，并對工后軟基地段的沉降作出預測，進而驗證本文提出方法的可行性。施工現(xiàn)場如圖2 所示。

圖2 施工現(xiàn)場

M 高速公路軟基地段的地層表面由可塑狀粉質(zhì)黏土、流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、軟塑狀粉質(zhì)黏土共同組成。經(jīng)過本文整理與統(tǒng)計，獲取到該高速公路軟基地段軟土厚度占比情況，如圖3 所示。

圖3 M 高速公路軟基地段軟土厚度占比

如圖3 所示，根據(jù)軟度厚度占比情況，對軟基地段失穩(wěn)與不均勻沉降作出分析與預測。

2.2 結(jié)果分析

按照上述本文設(shè)計的軟基地段處理方法與流程，對M 高速公路存在失穩(wěn)與不均勻沉降問題的軟基地段進行處理。處理后，在軟基地段布設(shè)沉降監(jiān)測儀器。為了提高沉降監(jiān)測結(jié)果的精度與準確率，本文采用型號為ZH-7847 的電感式智能沉降計，其量程超過400mm，敏感度為0.1mm。當軟基地段土體發(fā)生位移變化時，該監(jiān)測儀器通過電磁感應(yīng)原理得到土體位移變化，自動監(jiān)測與遠程傳輸性能較強。沿高速公路軟基地段縱向進行打孔，設(shè)置打孔間距為1m，分別在孔內(nèi)布設(shè)6 組沉降監(jiān)測點，對其進行標號處理，分別標號為GHJCD-01、GHJCD-02、GHJCD-03、GHJCD-04、GHJCD-05、GHJCD-06。為了更加直觀地驗證本文提出的軟基地段處理方法的優(yōu)勢，采用對比分析的方法，將上述本文提出的處理方法與文獻[1]提出的基于樁板結(jié)構(gòu)的軟基地段處理方法、文獻[8]提出的軟基地段高填方路基處理方法進行對比。

三種方法的高速公路軟基地段沉降量預測精度比較結(jié)果，如表1 所示。

表1 沉降量預測精度比較結(jié)果（%）

分析表1 中的結(jié)果可知，不同監(jiān)測點的沉降量預測精度的變化均不同，其中本文方法的沉降量預測精度最大值為98.7%，最小值為95.8%，平均值為97.4%；文獻[1]方法的沉降量預測精度最大值為88.4%，最小值為84.7%，平均值為86.4%；文獻[8]方法的沉降量預測精度最大值為79.4%，最小值為75.4%，平均值為77.6%。與實驗對比方法相比，本文方法的高速公路軟基地段沉降量預測精度更高，預測結(jié)果更為精準。

設(shè)定沉降監(jiān)測周期為180 天，采用有限元分析軟件，測定6 組軟基地段沉降監(jiān)測點土體沉降量變化，如表2 所示。

表2 三種處理方法工后軟基土體沉降量對比

根據(jù)表2 的工后軟基土體沉降量監(jiān)測結(jié)果可知，在三種軟基地段處理方法中，本文提出的處理方法應(yīng)用后其各個軟基地段沉降監(jiān)測點的土體沉降量均小于另外兩種處理方法。在180 天的監(jiān)測周期內(nèi)，高速公路軟基地段土體沉降量均小于等于3.0mm。由此可見，本文提出的處理方法，能夠有效地提高高速公路軟基地段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與牢固性，改善其存在的病害問題，軟基地段土體沉降變化較小，不會對公路產(chǎn)生不利影響，處理方法的可行性較高。

3 結(jié)語

由于軟土的承載能力較弱、壓縮性較大，在高速公路軟基地段中存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與牢固性較差的缺陷。傳統(tǒng)軟基地段處理方法在實際應(yīng)用過程中仍然存在一定的不足，為了改善這一問題，對傳統(tǒng)軟基地段處理方法作出了優(yōu)化改進，提出了一種全新的處理技術(shù)。通過本文的研究，對于有效提高高速公路軟基地段的承載能力與抗壓強度，優(yōu)化軟基地段的穩(wěn)定性，工后沉降概率大幅度下降，對保證行車舒適性、安全性均具有重要研究意義。