高速公路軟土地基上的路基選型

高速公路軟土地基上的路基選型

1路面寬、路堤高、荷載作用與普通公路相比，高速公路具有寬道路、高坡度、多橋、寬曲線半徑等特點。例如，高速公路的最小曲線半徑通常約為800米。高速公路工后沉降和工后沉降差控制允許值小,高速公路的這些特點對路堤地基提出了較高要求。在軟土地基上修建高速公路,這些特點更能反映問題。例如,路面寬、路堤高則表明作用在地基上的荷載大而且作用范圍寬,其結(jié)果是地基中附加應(yīng)力大,而且影響范圍深。特別是荷載作用影響范圍深,不僅使地基可能產(chǎn)生較大的沉降量,而且沉降持續(xù)發(fā)展的時間長。對于深厚軟土地基沉降發(fā)展持續(xù)時間長這一點,設(shè)計人員往往重視不夠。橋涵多,橋涵和路堤基礎(chǔ)形式不一、荷載不一,于是就可能產(chǎn)生沉降差,產(chǎn)生沉降差就可能發(fā)生“橋頭跳車”現(xiàn)象?！皹蝾^跳車”現(xiàn)象輕者影響車輛行車速度,以及行車的舒適度,重者可能導(dǎo)致交通事故。如何保證拓寬路基和地基的穩(wěn)定,如何減小工后沉降,如何預(yù)估工后沉降量以及工后沉降的發(fā)展規(guī)律,如何減小工后沉降差,這些都是在軟土地基上修建高速公路需要解決的問題。先對在軟土地基上修建高速公路可能遇到的地基問題進行分類,再對公路工程中常用地基處理方法進行分類,然后按地基問題采用合理的地基處理方法。2主要基處理問題從拓寬路堤巖土工程本身看,工程建設(shè)中遇到的地基問題主要是地基穩(wěn)定性和變形2大類問題,在軟土地基上修建高速公路所遇到的地基問題基本上也是上述問題。根據(jù)在軟土地基上修建高速公路、特別是拓寬路堤遇到的問題按工程類型將其分為:①一般路堤地基處理;②涵洞與人行通道地基處理;③橋頭引道路堤地基處理;④拓寬地基處理;⑤軟基地基處理設(shè)計;⑥路基填筑與地基處理關(guān)鍵工藝;⑦建設(shè)過程中路基失穩(wěn)地段地基處理。7類工程地基處理問題基本上涵蓋了軟土地基上建設(shè)高速公路遇到的地基處理問題。3軟土地基處理的方法在軟土地基上修建高速公路,往往需要對天然地基進行地基處理以保證路堤路基的穩(wěn)定性,控制工后沉降和工后沉降差以滿足設(shè)計要求。常用的處理方法可以分為:a.減輕路堤荷載。減輕路堤荷載可有效減小作用在地基上的荷載密度。作用在地基上的荷載小,地基穩(wěn)定性就容易滿足,也可有效減少軟土地基的沉降量。減輕路堤荷載,一是盡可能降低路堤設(shè)計標高,二是利用輕質(zhì)材料填筑路堤。前者受使用和設(shè)計標準要求的限制,這里主要指利用輕質(zhì)材料填筑路堤。如采用粉煤灰填料路堤、EPS超輕質(zhì)填料路堤等。b.地基處理。在公路工程軟土地基處理中應(yīng)用的地基處理方法很多,有預(yù)壓法、振密擠密法、置換法、灌入固化物和加筋法。公路常用方法又可分為土質(zhì)改良和復(fù)合地基兩大類。土質(zhì)改良是指對地基土體性質(zhì)進行全面改良,如通過采用排水固結(jié)法、強夯法等進行地基處理,使地基土體抗剪強度提高,壓縮性減小,從而達到提高地基承載力、減小沉降的目的;復(fù)合地基法是指在地基中采用置換、插筋、部分土體改良等方法設(shè)置增強體形成復(fù)合地基以提高地基承載力、減小沉降。如采用水泥土樁復(fù)合地基,低強度樁復(fù)合地基,土工布加筋墊層等。c.樁基礎(chǔ)。通過在地基中設(shè)置樁基礎(chǔ),架設(shè)橋梁跨越軟土地基地段,如橋梁跨越?；蛲ㄟ^采用樁基礎(chǔ)承擔路堤路面荷載等,如樁承堤等。d.工后修補。在滿足地基穩(wěn)定性的前提下,允許建成的道路產(chǎn)生較大的工后沉降和不均勻沉降。通過預(yù)留高和工后對路基路面進行修補,調(diào)整產(chǎn)生的不均勻沉降差,以滿足設(shè)計要求,這也是一種處理對策。工后修補對維持交通影響不大的條件下應(yīng)是一種很好的方法。據(jù)稱,國外某一高速公路通車后第一年修補高達13次,通過持續(xù)幾年修補后滿足質(zhì)量穩(wěn)定要求。是通過高標準的一次處理盡量避免工后修補,還是盡量節(jié)省建設(shè)費用,通過工后修補來保證質(zhì)量,應(yīng)通過綜合分析確定。通常,在某些路段采用工后修補可大量節(jié)省工程投資。e.綜合處理。綜合處理是指綜合應(yīng)用上述各類方法進行處理。如對路堤地基進行地基處理和減輕路堤荷載相結(jié)合;對路堤地基進行初步地基處理與計劃工后修補相結(jié)合;以及多種地基處理技術(shù)的綜合應(yīng)用,如真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓相結(jié)合等。應(yīng)用綜合處理方法往往可帶來較好的經(jīng)濟效益和社會效益。4豎向排水固結(jié)法和深高速公路高路堤、寬路基作用在軟土地基上荷載大而且作用范圍寬,路堤荷載增大了地基中附加應(yīng)力而且影響深度增加。由于地基土抗剪強度低,所以地基承載力小;地基土體壓縮性大,所以在荷載作用下地基沉降大。在軟土地基上作用的荷載大于地基承載力時,地基將會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。在荷載作用下軟土地基常常產(chǎn)生較大的沉降,而且產(chǎn)生沉降持續(xù)時間很長。對軟粘土地基常采用的地基處理方法有:a.排水固結(jié)法。排水固結(jié)法,又稱預(yù)壓法。在軟粘土地基上修建高速公路,由于排水固結(jié)法處理軟土地基具有成本低、效果好等優(yōu)點,一般應(yīng)優(yōu)先考慮。采用排水固結(jié)法處理地基又可分為幾種情況:為加速地基土體在荷載作用下的固結(jié),需在地基中設(shè)置豎向排水通道,與水平砂墊層形成排水體系。豎向排水通道可采用塑料排水板、袋裝砂井和普通砂井形成。塑料排水板、袋裝砂井和普通砂井3類排水通道各有優(yōu)缺點。塑料排水板工業(yè)化生產(chǎn),質(zhì)量較易控制,但品種繁多,產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊,差別很大,采用時應(yīng)對產(chǎn)品型式和產(chǎn)品質(zhì)量進行認真調(diào)查比較分析后確定;普通砂井直徑較大,一般在30cm以上,用砂量較大,普通砂井井阻較小;袋裝砂井現(xiàn)場制作,較麻煩,也需要用砂。塑料排水板和袋裝砂井排水通道斷面小,井阻作用較顯著。各種排水通道都存在有效排水深度問題。設(shè)計人員可根據(jù)工程條件、地基處理深度和技術(shù)、經(jīng)濟比較分析結(jié)果,合理選用豎向排水通道。在公路工程中,排水固結(jié)法施加預(yù)壓荷載又可分為2種情況:路堤荷載預(yù)壓、真空預(yù)壓與路堤堆載預(yù)壓相結(jié)合。根據(jù)施加預(yù)壓荷載的大小又可分為一般堆載預(yù)壓和超載預(yù)壓2種情況。利用路堤荷載作為預(yù)壓荷載是公路工程中軟土地基處理采用排水固結(jié)法處理的一大優(yōu)點。為了減小道路工后沉降往往可以采用超載預(yù)壓。公路工程中超載預(yù)壓有2種方法:一種方法是將路堤填土填至路堤設(shè)計標高以上,然后堆載預(yù)壓至一定的固結(jié)度后再卸去超高部分填土;另一種方法是采用真空預(yù)壓和填土預(yù)壓相結(jié)合,達到超載預(yù)壓的目的。真空預(yù)壓地基不會失穩(wěn),因此采用真空預(yù)壓和填土預(yù)壓相結(jié)合可有效加快填土速度,縮短工期,克服只采用堆載預(yù)壓工期長的缺點。采用排水固結(jié)法處理軟土地基的優(yōu)點是成本低,地基處理質(zhì)量可靠。其缺點是施工工期長,在填土過程中需要嚴格控制填土速率。地基固結(jié)沉降大,需增加路堤填土用料。另外,當豎向排水通道設(shè)置深度淺,或豎向排水通道井阻嚴重,或預(yù)壓時間短未達到要求的固結(jié)度,采用排水固結(jié)法處理地基時工后沉降較大,此時,地基工后次固結(jié)沉降也大。b.深層攪拌法。通過深層攪拌法形成水泥土樁復(fù)合地基也是路堤軟土地基處理的常用方法。深層攪拌法分噴漿深層攪拌法和噴粉深層攪拌法2種施工工藝。噴粉深層攪拌法又稱為粉噴法。一般認為噴漿法比噴粉法容易使水泥土攪拌均勻,噴漿法可能的加固深度比噴粉法加固深度深。噴粉深層攪拌法對含水量特別高的土層也有一定的優(yōu)越性,但含水量較小的土層因水化作用不充分,采用噴粉法效果也差。采用深層攪拌法加固路堤地基需要注意的問題:路堤荷載下復(fù)合地基性狀同剛性基礎(chǔ)下復(fù)合地基性狀是不同的。與剛性基礎(chǔ)下復(fù)合地基相比,其復(fù)合地基承載力小而且相應(yīng)的沉降量大。因此設(shè)計計算時應(yīng)與剛性基礎(chǔ)下復(fù)合地基設(shè)計計算采用不同的參數(shù)。采用水泥土樁復(fù)合地基時在復(fù)合地基和路堤間應(yīng)鋪設(shè)剛度較好的墊層,如加筋碎石墊層,灰土墊層等,以改善復(fù)合地基性狀。未設(shè)墊層的水泥土樁復(fù)合地基應(yīng)慎用。采用深層攪拌法加固路堤地基加固區(qū)應(yīng)覆蓋主要軟弱土層,否則工后沉降較大。因為均質(zhì)地基中的復(fù)合地基沉降量主要來自加固區(qū)下臥層土體的壓縮,為減少復(fù)合地基沉降量應(yīng)盡量減少軟弱下臥層的厚度。采用深層攪拌法形成水泥土樁復(fù)合地基處理路堤軟土地基,當水泥土樁設(shè)計強度達到后,填筑路堤速率不受路基影響,施工工期較短,道路施工階段地基沉降量小。道路工后沉降大小受地基軟弱土層厚度和處理深度兩者關(guān)系影響;若地基中存在的軟弱土層已基本上得到加固,則工后沉降較小;若復(fù)合地基加固區(qū)下臥軟土較厚則可能產(chǎn)生較大的工后沉降,但工后沉降持續(xù)時間較長,沉降速率較小。與采用排水固結(jié)法處理相比,采用深層攪拌法處理工期短,但地基處理費用較高。c.低強度樁復(fù)合地基。低強度樁復(fù)合地基主要指采用沉管灌注法施工形成的,樁身強度較低的一類混凝土樁復(fù)合地基。與深層攪拌樁復(fù)合地基相比,低強度樁復(fù)合地基有2個優(yōu)點:一是低強度樁復(fù)合地基加固深度可以較深,二是低強度樁比攪拌樁施工質(zhì)量相對容易控制。低強度混凝土樁復(fù)合地基和水泥土樁復(fù)合地基的經(jīng)濟指標應(yīng)對具體工程通過具體分析才能給出比較意見。低強度樁復(fù)合地基比水泥土樁復(fù)合地基成本低和水泥土樁復(fù)合地基比低強度樁復(fù)合地基成本低均有報道,前者稍多一些。低強度混凝土樁復(fù)合地基中樁體強度比水泥土樁樁體強度高,因此低強度樁復(fù)合地基置換率一般較小。采用低強度樁復(fù)合地基加固路堤地基時,在復(fù)合地基和路堤間設(shè)置剛度較大的墊層更有必要,應(yīng)予以重視。d.土工合成材料加筋墊層。采用土工布碎石墊層、土工格柵碎石墊層等加固路堤地基可有效增加地基穩(wěn)定性,但減小沉降效用不明顯。當軟弱土層較薄時,設(shè)置土工合成材料加筋墊層形成的應(yīng)力擴散作用可使地基中附加應(yīng)力減小,沉降可適當減小。當軟弱土層較厚時,土工合成材料加筋墊層的應(yīng)力擴散作用可使淺層土體中附加應(yīng)力減小,但使路堤荷載作用影響深度加深。因此,設(shè)置土工合成材料加筋墊層對減小總沉降效果不明顯,工程實測資料和數(shù)值分析都能說明上述性狀。土工合成材料加筋墊層在高速公路道路軟土地基處理中很少單獨使用,多與其他方法綜合使用。如與復(fù)合地基法、排水固結(jié)法一起使用。在路堤和復(fù)合地基之間設(shè)土工合成材料加筋墊層可增大樁土應(yīng)力比,提高復(fù)合地基承載力,減小沉降,具有很好的效果。在地基處理采用排水固結(jié)法時,在路堤和地基之間設(shè)土工合成材料加筋墊層,在設(shè)計時應(yīng)重視加筋墊層和排水固結(jié)兩者之間的相互影響問題。圖1表示排水固結(jié)法和加筋墊層聯(lián)合處理地基的情況,不能將兩者單獨使用時的加固效果簡單疊加。加筋墊層的存在使地基土體中附加應(yīng)力減小,附加應(yīng)力減小造成排水固結(jié)完成后地基中有效應(yīng)力值比沒有加筋墊層情況下小。有效應(yīng)力值小,則地基土體抗剪強度小,導(dǎo)致地基承載力小。因此可以得出加筋墊層的存在減弱了排水固結(jié)加固地基的效用。另外,當加筋墊層中土工合成材料不能承受因地基排水固結(jié)產(chǎn)生的較大沉降造成在筋材中產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象而導(dǎo)致斷裂時,地基將產(chǎn)生失穩(wěn)。采用加筋墊層加排水固結(jié)處理路堤軟基造成地基失穩(wěn)已有數(shù)例報道,應(yīng)引起工程技術(shù)人員重視,加筋墊層和排水固結(jié)法聯(lián)合處理路堤軟土地基應(yīng)慎用。5橋臺樁基加固中的問題軟土地基地區(qū)往往河流分布密度大,為了保證河道通航高度,道路用橋的設(shè)計高度一般較高。因此,高速公路橋頭引道路堤高度相應(yīng)也較高。軟土地基上橋臺往往采用樁基礎(chǔ)而且一般采用端承樁,橋臺沉降量很小。引道路堤填方高,作用在地基上荷載大,作用在橋臺上的土壓力也大。高速公路橋頭引道路堤地基沉降量大,路堤填方本身壓縮量也大。因此,如何保證橋頭引道路堤地基的穩(wěn)定性和如何減少橋臺和引道路堤工后沉降差,是設(shè)計需要解決的重要問題。橋頭引道路堤地基處理常采用下述方法。a.排水固結(jié)法。處理方法同前述一般線路路堤地基排水固結(jié)法。在采用排水固結(jié)法加固橋頭引道路堤地基時還有幾個問題是與一般線路路堤地基加固時不同的,設(shè)計人員應(yīng)予以注意。一是地基排水固結(jié)沉降對橋臺樁基產(chǎn)生的負摩阻問題;二是地基排水固結(jié)處理工后固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降值合理控制問題;三是引道地基堆載預(yù)壓加固與橋臺施工銜接處相互配合問題。b.復(fù)合地基處理。通常可采用水泥土樁復(fù)合地基或低強度樁復(fù)合地基處理橋頭引道路堤。當軟土層較薄時,采用上述兩種形式均可取得較好的效果。當軟土層較厚時,采用低強度樁復(fù)合地基具有優(yōu)越性。除采用水泥土樁和低強度混凝土樁復(fù)合地基外,還有采用預(yù)應(yīng)力薄壁管樁復(fù)合地基和大直徑薄壁筒樁復(fù)合地基。后兩者樁體質(zhì)量好,但成本高。低強度混凝土樁除采用圓形斷面外,還有采用異形樁,如X形樁、Y形樁等。上述異形樁與圓形樁相比,可提高比表面積,增加可能產(chǎn)生側(cè)阻力的樁身表面積。但應(yīng)指出,與圓形樁樁側(cè)阻力沿樁周均勻分布不同,異形樁樁側(cè)阻力沿樁周分布是不等的,在異形樁的凹面處樁側(cè)阻力強度可能很小。異形樁增加了可能產(chǎn)生側(cè)阻力的樁身表面積,但改變了側(cè)阻力的強度。異形樁的側(cè)阻力是否比等截面的圓形樁大,只有通過載荷試驗比較分析確定。而且試驗比較分析結(jié)論還與工程地質(zhì)條件有關(guān),不能盲目套用。采用圓形樁樁側(cè)阻力強度計算異形樁側(cè)阻力是不對的,偏于不安全,這一點應(yīng)引起重視。而且現(xiàn)澆異形樁在軟土層中施工質(zhì)量很難保證。若一般線路路堤地基采用排水固結(jié)法處理,而橋頭引道路堤地基采用復(fù)合地基處理,則還需要處理好這2部分可能產(chǎn)生不同量的工后沉降的協(xié)調(diào)問題。通常可設(shè)一過渡段,過渡段地基處理設(shè)計思路同涵洞地基處理。采用復(fù)合地基加固路堤軟土地基時,一定要重視復(fù)合地基與路堤界面上設(shè)置剛度較大的墊層問題。c.樁承堤處理。樁承堤處理見圖2。在地基中設(shè)置鋼筋混凝土樁,樁端設(shè)鋼筋混凝土承臺,在樁承臺上鋪設(shè)土工格柵,然后再填筑路堤。從示意圖上可以看出路堤荷載和以后的行車荷載基本上是由樁承擔。樁承堤實質(zhì)上是樁基礎(chǔ)。采用樁承堤處理建設(shè)成本高。樁承堤中樁間軟土固結(jié)對路堤工作性狀的長期影響尚有待進一步觀察。d.減輕路堤荷載。橋頭引道路堤填筑高度大,除對路堤軟土地基采取地基處理外,常輔以采用輕質(zhì)填料填筑路堤以減輕路堤荷載。輕質(zhì)填料如粉煤灰、EPS超輕質(zhì)填料等。采用輕質(zhì)填料填筑路堤,不僅可以減輕作用在路基上的荷載,也可以減小作用在橋臺上的土壓力。6改進基處理方案由于交通流量的增加,原有高速公路已不能滿足車流量的要求,往往需要對原高速公路進行拓寬,如杭甬、滬杭高速公路從四車道拓寬到六車道。高速公路道路拓寬見圖3。道路拓寬部分路堤荷載不僅使拓寬路堤下地基產(chǎn)生沉降,而且將引起原路堤下地基產(chǎn)生新的沉降。當沿道路橫向路基沉降差較大時,可能使原有路堤產(chǎn)生縱向裂縫,或產(chǎn)生較大的橫向坡度,輕者影響行車速度,重者影響行車安全。若道路拓寬部分路堤地基失穩(wěn),將影響原有路堤的穩(wěn)定性。當原路堤地基處理采用排水固結(jié)法處理時,拓寬路堤地基可采用排水固結(jié)法處理或采用復(fù)合地基處理。拓寬路堤地基采用排水固結(jié)法處理施工工期較長,對原路堤沉降影響較大;采用復(fù)合地基處理,施工工期短而且對原路堤沉降影響小。但前者工程投資小而后者工程投資大。采用哪種方法更合理應(yīng)根據(jù)具體工程綜合分析。當原路堤地基處理采用復(fù)合地基處理時,拓寬路堤地基也應(yīng)采用復(fù)合地基處理。當原路堤地基采用復(fù)合地基處理,復(fù)合地基加固區(qū)尚存在軟弱下臥層時,在拓寬路堤地基采用復(fù)合地基加固處理時應(yīng)比老路堤下采用復(fù)合地基處理時適當減少軟弱下臥層厚度,以減少工后沉降。在道路拓寬過程中也可采用超輕質(zhì)填料。圖4表示采用EPS超輕質(zhì)填料拓寬路堤。從圖中可以看出采用EPS超輕質(zhì)填料拓寬路堤的優(yōu)點是無需征地或征地很少,缺點是工程建設(shè)費用高。當土地價格較高和人工成本較高時,采用EPS超輕質(zhì)填料拓寬路基不失為一種好方案。日本東(京)名(古屋)高速公路拓寬時,不少路段采用該方案。軟土地基上新老高速公路交接處地基處理基本上同軟土地基上高速公路拓寬路堤地基處理,也與橋頭引道路堤地基處理類似。設(shè)計人員應(yīng)重視盡量減少新路堤地基沉降對原有路堤的不良影響。一般情況下,在軟土地基上新老高速公路接頭處,不管老路堤軟土是采用排水固結(jié)法處理還是采用復(fù)合地基處理,接頭附近新路堤地基采用復(fù)合地基處理比較好.當新路堤的一般路堤下地基采用排水固結(jié)法處理時,應(yīng)處理好不同處理方法路段間沉降量不同的逐步過渡,盡量減小不均勻沉降的不良影響。7旋粉噴樁布置為保證施工期間及投入營運后高速公路新老路基穩(wěn)定,以及解決新增路面的工后沉降(路基工后沉降小于100mm)問題,設(shè)計時針對加寬路基穩(wěn)定和沉降2個問題,采取以下措施:①旋(粉)噴樁施工前,在路基邊坡根據(jù)不同的路基高度,預(yù)先填1.5～2m砂或土。其目的:增加施工期穩(wěn)定;形成軟基施工場地;旋(粉)噴樁向新增路面下方布置,減少新增路面沉降。②旋(粉)噴樁布置范圍。樁體布置在新增路面下方,可以達到減少新增路面沉降和消除不均勻沉降,為此必須結(jié)合路基填土高度按一定坡度削坡,削坡必須滿足施工期間路基穩(wěn)定要求,旋(粉)噴樁全部穿透淤泥進入持力層0.5m。③為節(jié)省工程量,采用變樁距梅花形布置,即新增路面下方采用較密集(樁距1.2m)梅花形布置,其優(yōu)點是擋住未加固淤泥側(cè)向擠出,從而減少因場地原因在未處理范圍內(nèi)淤泥的總沉降量,新增邊坡下方采用疏間距梅花形布置,既減少沉降又節(jié)省工程量。④為減少不均勻沉降和增加新老路基穩(wěn)定性,使應(yīng)力傳遞更合理,設(shè)計采用1～2層土工格柵,其中2層間距5