1、第21卷第4期合肥工業大學學報(自然科學版V o l.214 1998年8月JOU RNAL O F H EFE IU N I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY A ug.1998合蕪高速公路軟土地基處理錢讓清劉中平劉必勝彭玲劉吉來(安徽大學摘要介紹了合蕪高速公路三期工程約2km軟土地基的特征及物理力學性質,采用袋裝砂井及砂墊層聯合使用的處理方法,技術可行、經濟合理、效果很好,提高了地基強度,保證了工程質量,具有施工周期短、施工速度快等優點。關鍵詞高速公路;軟土地基;袋裝砂井;砂墊層中圖分類號U4160引言隨著交通事業的發展,高等級公路軟土地基加固處理問題顯得尤為重要。

2、它是保證路基穩定、減少沉降變形的必要措施,直接制約著施工工期,關系著整個工程質量和造價。合蕪高速公路是國家交通部和安徽省的重點工程,全長100.766km,建成后,將大大地緩解南北交通運輸的緊張狀況,極大地改善皖中地區的路網結構,提高運輸能力,對安徽省國民經濟的發展具有重要的意義。合蕪高速公路三期工程地處長江河谷平原區,其中約2km的路段位于圩區,地基均為第四紀松散沉積物,厚5080m,其中低及高液限粘土(淤泥層厚度1246m,地面標高為5.06.5m。除了進行詳細勘察、鉆探和試驗外,還進行了現場十字板剪切試驗和靜力觸探試驗,為設計提供了較為真實的計算參數和較為合理的處理意見,對軟土的處理曾考

3、慮多種方案,經過技術經濟比較,采用了袋裝砂井及砂墊層聯合使用的處理方法。1軟土地基特征及物理力學性質合蕪高速公路三期工程(k98+793至k100+766圩區地域南臨長江,因受河流的地質作用的影響,長期的湖相地質作用形成了復雜的第四紀沉積層。1.1低及高液限粘土(淤泥及淤泥質土層此層為近代湖相沉積層,并受河流地區地質作用的影響,顏色為灰色、灰綠及灰褐色,收稿日期:1998202223;修改日期:1998203228具滑感和臭味,富含有機質,飽和至過飽和,一般具有微層理,厚度1246m ,呈軟塑流塑狀態,局部地帶夾薄砂層透鏡體,為高壓縮層。1.2低液限粉土質砂為Q 4早期地層,厚度變化較大,呈可

4、塑硬塑狀態,壓縮性較小。軟土地基上土的物理力學性質列于表1。表1各層土的物理力學指標統計表土類天然含水量w (%孔隙比e 液限w 1 (%塑限w p (%快剪指標固快指標固結系數C u kPa uC cu kPa cu C v (cm 2 s -1壓縮系數a 1-2 (kPa -2低及高液限粘土40980.923.05387118334.7211520.4150.00030.0040.00179低液限粉土質砂18350.61.030501336301710.3240.00130.00340.00036由表1可以看出軟土具有如下特點:天然含水量高、孔隙比大;軟土的凝聚力小,抗剪強度低;固結系數小

5、;滲透性差;壓縮系數大,彈性模量小。通過實驗結果可得如下結論:一是在淤泥層厚、工期緊、填土高(36m 時,如不對路基進行處理,有可能導致路基破壞延誤工期并造成經濟損失。二是采用袋裝砂井及砂墊層的處理方法可在較短的時間內使地基得到較大的固結度,滿足工期的要求。2軟土地基處理方法2.1設計標準及技術要求軟土路基的處理設計目的是為了控制道路在工程竣工后20年使用期間的路中心沉降值,控制因地基的不均勻而產生的不均勻沉降,控制路基與橋臺及其它構造物連接段的差異沉降,從而保證路面設計要求的平整度,路面排水及其它排水設施的功能,保證行車的安全和舒適。軟基處理設計包括沉降計算及穩定性計算,本段路基的設計標準在

6、長路堤段的工后沉降不大于20c m ,與橋臺及其它構造物連接段的差異沉降不大于10c m 。穩定分析時,施工期穩定性驗算,采用總應力法和高強度法,穩定系數K 1.3;營運期穩定性驗算采用固結有效應力法,穩定系數K 1.25。2.2分析計算2.2.1沉降量計算袋裝砂井及砂墊層聯合使用的處理方法,是根據固結沉降值,袋裝砂井上直接鋪砂墊層。堆載預壓的沉降按固結排水法理論進行驗算,地基固結沉降量采用壓縮曲線按分層總和法計算,軟基總沉降量包括加載瞬時沉降、固結沉降及次固結沉降三部分。總沉降量為S =m S c(194第4期錢讓清等:合蕪高速公路軟土地基處理05合肥工業大學學報(自然科學版1998年第21

7、卷(4式中m沉降系數,根據經驗取m=1.3S c固結沉降量地基土在初始荷載作用下,總是要發生側向變形而產生瞬時沉降。而在孔隙水壓力消散后,在一定荷載作用下,總會發生一定的次固結沉降。但是因為分層總和法采用了中心荷載作用下的地基附加應力,而以中心土柱的壓縮量之和來代替總沉降量。這種附加應力的數值是最大的,由此而計算的沉降量也大于實際固結沉降量。因此可以認為用分層總和法求得的沉降量已考慮了部分瞬時沉降和次固結沉降,同時對于高速公路沉降量的計算來說,最主要是控制工后剩余沉降量的大小,而且瞬時沉降是緊隨填土及時發生并很快完成。所以,在計算工后剩余沉降時,可不考慮瞬時沉降。此外由于在計算中已考慮了經驗系

8、數m,在一定程度上也減少了差值。2.2.2穩定性分析根據條分法計算路堤的穩定性。在軟土地基上用快速施工方法填筑一般斷面路堤時,地基的極限承載力所允許的最大填土高度稱極限填土高度。高于極限填土高度的路堤,施工中填土速度受施工過程中路堤的穩定性指標控制;道路使用過程中也常因地基不穩定而破壞,前者為施工穩定,后者為營運穩定,施工期穩定系數滿足要求時,營運期穩定也滿足要求,故營運期穩定系數可以不驗算。2.3砂井的設置2.3.1砂井間距及其布置袋裝砂井直徑7c m,橫向間距1.3m,縱向間距1.2m,采用三角形排列(對于特殊地段采用粉噴樁直徑500mm,橫向間距1.3m,縱向間距1.2m,平均深度12m

9、。如涵基和橋頭接線工程的處理。2.3.2砂井深度當軟土層薄或其底層為透水層時,砂井應貫穿軟土層,當軟土層較厚時,砂井深度由地基穩定和工后容許沉降計算決定。砂井深度一般為1215m,最大深度16m。2.3.3砂墊層與預拱度的設置在路基底部鋪設一定厚度的砂墊層,其主要作用是組成一連續的排水面,使軟基固結的滲流水得以順利地排至路基以外,砂墊層厚度50c m,沉降量較大時設置3060c m的預拱度,以保證砂墊層的使用質量。砂墊層厚度同時應滿足B=S t-h+0.3(2式中S t預壓沉降量h地下水埋置深度3保證施工穩定的措施3.1加密砂井對沉降較大地段,將袋裝砂井間距調至1.10m以期增加排水效果,確保

10、路堤穩定。3.2控制加載速率及分期加載對于極限填土高度較小,即工程地質條件較差的地段,通過控制加載速率為每天填0.050.20m ,并分期加載,充分考慮軟基的排水固結作用,可解決施工期不穩定問題。軟土地基經過砂井及砂墊層處理,在預壓荷載作用下,經過一定時間,使地基固結度增大,其強度增長可用下式估算C =C 0+PU tg (3式中C t 時刻給定點的抗剪強度C 0原有地基抗剪強度U 假定的固結度軟土固結快剪內摩擦角P 由填土引起的法向應力增量,其值為P =t H0(4式中H 0前一級填土高度分級填土的第一級填土高度,可按軟基的天然承載力施加,其值為H 1=3C o(5用砂井處理=8C r F

11、(n d 2e+2C v 4H 2(6式中C v 豎向固結系數C r 徑向固結系數H 豎向排水距離,當為雙面排水時取H 2F (n =n2n 2-1ln (n -3n 2-14n 2(7式中n 井徑比,n =d e dd 砂井直徑d e 砂井影響直徑;按砂井排列方式不同而異,三角形排列d e =1.051則固結時間為t =-1(1-U 28(8估計達到固結度U 時的固結時間t 。也就是說,軟土地基在預壓荷載H 1作用下,經過(t -t 1 2時間地基固結度達到U ,此時地基強度增量可用下式估算C =H 1U tg (9則第二級填土高度可估為H 2=3C(10以此類推,直至達到設計標高為止。然后

12、根據各級固結時間和各級填土高度繪制分級填筑進度圖,以指導施工。4砂井地基固結度計算軟土地基在預壓荷載作用下,經過一段時間t 所產生的變形量與土層的最終變形量15第4期錢讓清等:合蕪高速公路軟土地基處理之比稱為固結度。其表達式為U t=S tS(11式中S tt時刻所達到的變形量S土層在同一壓力強度作用下的最終沉降量軟土地基經砂井處理后,其固結屬三維固結。其計算表達式為U=1-(1-U v(1-U r=1-82e-24T v e-8T rF(n=1-82e-2C v4H2+8C rF(nd2et=1-82e-t(12式中U v豎向固結度U r徑向固結度T v、T r時間因素地基逐漸加荷后,其固結

13、度計算式如下: U=U1+U2+U3+=H1HU(t-t12+H2HU(t-t2+t32+H3HU(t-t4+t52+ (13式中U1、U2、U3分別為一、二、三級荷載在相應的時段內產生的固結度根據固結度的計算,經過t時間后地基產生的沉降量為S t=U t S(14則工后剩余沉降量為S=S-S t=(1-US(15砂井因“彎曲”和“變徑”引起長度和數量的變化,砂袋長度按砂井設計深度的1.15倍考慮,同時袋內砂的密實度必須達到規范要求。袋裝砂井露出回填土頂面長度一般控制在0.30.5m,保證與水平排水砂墊層組成貫通的排水體系。5軟基加固段觀測與控制由于軟土層的特殊性和復雜性,以及設計理論和資料的

14、局限性,致使設計與實際情況存在不同程度的差別,特別是在施工階段會遇到某些估計不到的因素的影響,而導致路堤失穩,因此加強軟土路基的觀測,對于安全施工、指導施工、驗證設計、取得經驗都具有重要的現實意義。軟基袋裝砂井及砂墊層聯合處理段共設置觀測斷面4個,根據不同的觀測目的設置不同的觀測儀器,各種觀測項目的設置意義及控制標準簡述如下:(1邊樁位移觀測定在填土過程中的側向位移數值及其發展趨勢,從而判斷穩定性,決定填土速率,獲得填土時間位移量之間的關系。經檢測,每天水平位移量和垂直位移量在60100mm,每天的水平位移量和垂直位移量不超過110mm是安全的。(2地面沉降觀測利用沉降板測定地基表面總沉降量及

15、沉降量隨時間和填土高之間的變化情況,控制填土速率,保證路堤的穩定。經實測每天的沉降量一般在812mm,每天的沉降速率控制在15mm以內。若沉降速率大于20mm d時,立即停止填土。因此25合肥工業大學學報(自然科學版1998年第21卷(4第 4 期錢讓清等: 合蕪高速公路軟土地基處理 53 控制表面沉降速率就能控制路基填土穩定。 ( 3 深層觀測包括深層側向位移及深層沉降量。 如果出現突變值, 立即停止填土。 ( 4 孔隙水壓力孔隙水壓力儀可以測定各土層孔隙水壓力的消長, 借以了解地基 固結度和穩定狀況。 同時進行地下水觀測, 計算孔隙水壓力數據。 軟基加固處理完成、 預 壓 3 個月后, 經

16、檢測和計算, 孔隙水壓力消散 91. 6% , 砂井區平均固結度達到 90. 8% , 縮 短了固結時間。 加載超壓后沉降量小于 5 mm 月。 總之, 進行必要的觀測工作, 不僅對于施工具有指導作用, 而且可以了解地基的固結 沉降機理, 使今后的設計工作更加完善。 6軟土地基處理方法的評價 軟基處理方法是多樣的, 各種方法都有一定的適用范圍, 因此在設計過程中必須對各 種方法進行綜合評價, 根據地質、 土質條件, 加固程度及加固處理, 施工期限及工程造價等 進行分析研究, 從而選定合理的加固方法。 由于各種方法都有其優點和局限性, 因此對于復雜的軟土地基上的路基設計, 僅采用 單一的方法往往

17、很難達到預期目的, 所以合蕪高速公路三期工程 k98+ 793 至 k100+ 766 軟基設計采用袋裝砂井與砂墊層聯合使用的處理方法運用固結理論, 即有效應力的增加 而使孔隙水壓力增加, 土體釋水壓密, 孔隙水壓消散的過程, 繼而土體強度得以增加。 經過 施工實踐的初步檢驗, 袋裝砂井及砂墊層聯合使用的處理方法與其它處理方法相比, 具有 施工設備簡單, 施工速度快, 價格便宜等優點, 提高了工效和工程質量。 砂井深度的設計是一個值得探討的問題。 原設計砂井深度一般都貫穿整個軟土層, 這 對厚層軟土段來說, 顯然不大合理。 因為附加應力隨深度的增加而減小, 至一定深度后, 砂 井作用效果也會降

18、低。 所以, 適當減小砂井深度、 降低工程造價成為可能。 通過進一步計 算, 在滿足技術要求的前提下, 對部分軟基段的砂井深度進行了適當調整, 減小砂井深度 后, 其固結度及剩余沉降量均能達到技術要求。 7結束語 高速公路建設正處于發展階段, 在內陸湖相沉積區修建高速公路面臨軟基處理問題。 軟土地基的復雜性與現有測試工作的準確性及固結理論完備性之間的差距給設計工作帶 來了不少困難, 需要不斷探索, 逐步完善。合蕪高速公路三期工程約 2 km 軟基處理設計, 技術可行, 經濟合理, 效果很好。 通過設計和施工實踐, 進行軟土地基設計必須注意以下幾 方面的問題: ( 1 加強勘測工作, 提高土工測

19、試水平。 地質資料的準確性直接關系著設計質量。 ( 2 慎重選取各種軟基加固方法, 綜合考慮各種影響因素, 利用多法結合, 盡可能在 技術可行的情況下, 做到經濟合理。 ( 3 砂井深度是影響加固效果及處理費用的重要因素。 砂井深度主要取決于地質條 件, 而路堤高度也是決定砂井深度的一個因素。 砂井深度應與路基填土高度成正比, 因為 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 54 合肥工業大學學報 ( 自然科學版 1998 年第 21 卷 ( 4 荷載大, 其影響深度也大。 ( 4 砂井間距是

20、根據軟土的固結系數、 工程工期及路基的填土高度而確定的。 ( 5 砂井直徑與間距二者是關聯的, 應正確地選用這對相關量。 砂井處理效果, 是利 用剩余沉降量來控制的。 參 考 文 獻 1日本道路協會編. 軟土地處理指南 蔡恩捷譯. 北京: 人民交通出版社, 1989 . 2楊少華. 滬杭高速公路浙境段路基路面設計. 華東公路, 1995 (4 3J TJ 051- 93 公路土工試驗規程. 北京: 人民交通出版社, 1993 4J TJ 017- 96 公路軟土地基路堤設計與施工技術規范. 北京: 人民交通出版社, 1997 TR EA TM EN T O F SO F T SO I BA S

21、E L I H EF E I- W U HU EX PR ESS H IGHW A Y N Q ian R ang qing L iu Z hongp ing L iu B isheng P eng L ing L iu J ila i (A nhu i U n iversity and described fo r the th ird stage p ro ject of H efei- W uhu exp ress h ighw ay w h ich is abou t 2 km long, and the sand w ell w ith sand bag s together w ith sand cu sh ion is taken . conom ica lly rea sonab l