高速公路软土路基工程地质问题刍议

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  摘要:随着我国高速公路的大规模建设,工程中遇到的软土问题越来越突出,已成为影响工程质量关键性因素之一。本文主要阐述了如何加强高速公路软基处理进行讨论。
  关键词:高速公路;路基处理
  1 软土路基特点分析
  1.1软土路基的分布
   软土一般分布在江、河、湖、塘、盆地、海岸和山间洼地等处,但在丘陵低洼和山区谷地处也有分布。由于其成因类型不同,厚度不一,性质各异,因此不能一律对待,首先应查明各地区特点和地质、土质条件,有针对性地采取有效对策,做出合理的处理。
  1.2软土的分类与性质
  软土可划分为软粘性土、淤泥质土、淤泥、泥炭质土等类型。习惯上常把淤泥、淤泥质土、软粘土总称为软土,其物理力学性质如下。
  1.2.1天然含水量高、孔隙比大
  由于软土中的粘粒及有机质含量大,吸水能力强,加之地处常年积水的洼地,土层厚度大,多呈软塑或半流塑状态,天然含水量达40%-70%,有时甚至达200%;孔隙比一般大于1.0,大多在1.0-2.0之间,在某些地区可达6.0;饱和度一般大于95%;液限在35~60之间;塑性指数为1O~30,天然重度约为1.5dm3~1.9dm3。
  1.2.2透水性差
  软土亲水性强而透水性弱且有明显的方向性,渗透系数水平方向略大于垂直方向,软土中的粘粒含量、有机质含量和液限愈大,渗透系数就愈低。因此,软土的固结时间长,同时在加载初期,地基中孔隙水压力较高,影响地基强度,施工中表现为压实困难且不便行车,不便于施工作业。
  1.2.3压缩性高
   软土由于孔隙比大,土粒间连结结构不稳定,具有高压缩性的特点,且随液限的增加而增高。
  1.2.4抗剪强度低
  软土的抗剪强度很低,并与加载速度及排水固结有密切的关系,不排水剪切时,内摩擦角接近于零,内摩擦剪应力小于19.92kPa,排水剪切时,抗剪强度随固结程度增加而增大。
  1.3软土地区对路基的基本要求
  1.3.1路基的稳定性
   在天然的软土路基上修筑路堤,当路堤填高超过极限高度(极限高度的大小取决于路基的特性及填料的性质,通常为3m~5m)时,对路堤或路基必须采取加固处理措施,才能保证路堤的安全填筑和正常使用。
  1.3.2路基的沉降
  软土路基上的路堤,即使满足稳定性要求,不发生滑塌,但施工过程中乃至填筑完成后,由于软土压缩性大,软土路基在路堤自重作用下也会产生沉降,这种沉降将在相当长的时间内持续,大大超过一般路堤的沉降量。即使路面施工完成后,还可能继续产生沉降,对路面的纵、横断面造成影响,难于保证其平整性,引起路面结构的破坏。因此,要建立长期的沉降观测系统,及时采取处理措施,尽量减小路基工后沉降。
  2 软土路基处理方式及主要施工工艺
  2.1软土路基处理方式
  软土路基处理施工,需着重解决的问题是可能出现的路基盆形沉降、失稳和路、桥沉降差等问题。根据软土的物理力学性质、分布深度、路堤高度、材料场地条件、公路等级等因素分别采取置换、抛石挤淤、超载预压、反压护道、渗水及灰土垫层、土工织物、塑料排水板、碎石桩、轻质路堤、深层加固等措施进行处理,必要时各项措施配合使用,效果更好。本文根据某路的软土路基特点,重点详述以下几种处理方式,按类型可分为:
  ①通过软基沉降观测设计,采用预压期沉降速率控制软路地基工后沉降;
  ②一般路段采用砂垫层、袋装砂井等排水固结的方式进行原地面及浅层处理;
  ③沿线桥坡段和一般构造物的地基采用水泥搅拌桩等方式進行路基深层加固处理,提高路基承载力和减少路基工后沉降变形;
  ④其他几种常见处理措施。
  2.2软土路基处理各项措施
  2.2.1软基沉降观测设计,预压期沉降速率控制工后沉降
   ①预压期沉降速率控制工后沉降的作用
   《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》规定了高等级公路路面设计使用年限内残余沉降(简称工后沉降)的要求,在这一要求下,软土路基路堤设计由稳定控制转变为变形控制。为确保公路工后沉降满足使用要求,除进行必要的软土路基处理外,采用预压的方法来减少工后沉降是一种较为行之有效的方法。预压是在一定的荷载作用下放置一定的时间,用何种标准来判定工后沉降满足设计要求是值得探讨的。本文基于试验路段的试验研究,利用双曲线路基沉降经验推导法,提出预压期沉降速率控制标准,并以此标准判断工后沉降是否满足设计要求。
   ②处理范围
   采用等载预压,设计预压期为一般路段6个月、桥坡段8个月;工后沉降控制标准为一般路段和小型结构物处不大于20cm、桥坡段不大于1Ocm。
  试验路长800m,经详细工程地质勘察,地层0—2m为硬壳层;2m-4.5m为软土;4.5m~9m主要由粉土质砂、低液限粉土和低液限粘土组成;9m一25m为软土;25m~28m为低液限粘土,该地层以下连续分布砂层、卵砾石层;软土路基典型,具有代表性。试验段路堤设计填土4.1m-4.5m,采用袋装砂井、塑料插板及水泥搅拌桩地基处理方案;试验路段埋设了各种土工观测仪器,用于观测各处理断面的沉降、位移及应力分布等。试验路段各观测项目的观测(填土高度至4.1m~4.5m)历时10个月,取得了十分丰富而又宝贵的资料。
   ③预压期路基沉降速率控制标准
   软土路基的沉降包括瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降。其中瞬时沉降发生在加载初期,其大小反映了路基中土骨架弹性变形及塑性变形的大小;主固结沉降与土体孔隙的压缩变形有关,是沉降构成中的主体;而次固结沉降与荷载作用下土骨架蠕变有关,其发生时间包含路堤施工期及运营期整个过程,但是通常路堤荷载下,次固结变形的比例不大,一般占总沉降的10%以内。从中可以看出,最终沉降的大小则主要取决于固结沉降,而预压期沉降的大小反映了路基固结沉降的完成情况。沉降速率综合反映了在特定路基加固方式、设计填土预压荷载作用下的路基固结沉降发展趋势,控制预压期沉降速率也就是基本控制了工后沉降的大小。
   ④计算结果
  预压期结束后的沉降速率的大小直接关系到工后沉降的大小,本文根据固结理论结合实测沉降过程的经验推算方法,结论如下:
   a.等载预压条件下,预压期沉降速率控制在8mm/月,则工后沉降可控制在20cm左右,沉降速率为5mm/月时,工后沉降可控制在lOcm左右;
   b.超载条件下这一控制标准可适当放大,放大比例根据超载比例而定;
   c.欠载预压时,其欠载大小不宜大于总荷载的10%,此时沉降速率可控制在7.2mm/月;
   d.桥坡路段工后沉降控制要求高,在预压期小于一年情况下,不宜采用欠载预压处理。
  2.2.2排水固结法:砂垫层及袋装砂井等施工工艺当路堤不能满足设计要求时,必须对软土路基进行加固处理。软基处理方法很多,以下几种常用的方法。
   ①砂垫层法。砂垫层法是在软土路基顶面铺设厚度0.6m一1.0m的砂垫层作为软土层固结所需要的上部排水层,以加速沉降的发展,缩短固结的过程。一般用于软土距地面不深且厚度薄时,不必采用深层处理或仅用堆载加压使其达到沉降稳定。砂垫层的作用是为了加固路基和增强排水。砂垫层可作为路堤内的地下排水层,以降低堤内水位,改善施工时重机械的作业条件。砂垫层质量很重要,它取决于砂粒大小和含泥量多少,一般以中砂及粗砂为宜,要求级配良好,颗粒的不均匀系数不大于5,且含量不宜超过3%一5% ,同时又应注意其厚度和设置位置,目前厚度多控制在50cm~80cm,
  ② 排水固结法。排水固结法是在天然软土路基表层设置砂垫层等水平向排水体,在路基中设置砂井等竖向排水体,然后加载预压,使土体的孔隙水排出,逐渐固结,路基发生沉降,同时强度逐步提高的方法。排水固结法具有节省土方、少占农田、经济有效等特点,可用于加固软弱路基,特别适用于路堤高度大于极限高度或农田地段和填料来源困难的情况。在天然土层的水平排水性能较垂直向为好,或软土存在有连续薄砂层时,采用此法更为合适。
   a袋装砂井施工
  由于袋装砂井断面小、质量轻、设备简单,、施工简便、造价比一般砂井低廉,所以在公路上广泛应用。袋装砂井施工一般用直径7cm塑料编制袋,内装粗、中砂,装实后直接打入土中。其机理与塑料排水板相似,并可与其具有等效作用。在砂料就地可取的地区,是比较经济的,但应注意其直径变化,也应保证插入长度,且防止长的袋装砂井因重量大发生拉断现象。对砂粒要注意粒径粗些、杂质少些,防止堆放场地的泥土污染砂源。
   b.塑料板排水法
  塑料排水板法是将lOOmm宽、厚2mm~4mm的塑料板插入软土层中,由于板中有深沟,土中孔隙水在受压情况下顺沟而上排出地面以外。塑料板排水功能好坏,取决于本身质量的优劣,因此应用原生塑料制成,以保证质量均匀性和一致性,不致在施作时拉断和折裂;其次是插入土中时就按设计要求的位置和深度垂直而下,不要让其偏斜和减短。
  ③预压。排水固结法加固软土路基是在软土路基内设置竖向排水体,铺设水平垫层和对路基施加固结压力来实现的。
  2.2.3软土地基其他常见处理方式
  2.2.3.1换填法
  换填法是指将路基范围内的软土排除,用稳定性好的土、石进行回填。当软土距地面近,厚度较薄,甚至地面上有鱼塘、虾池或稻田,往往表面有腐泥,可直接将这些腐泥、软土挖掉,换填以优质砂砾或适宜的选料,以彻底消除其隐患。对于清除表层腐泥时,可采用高压水泵直接将泥浆抽掉,当地面凉晒干后,再铺筑路基土。换填法按排淤方式可分为开挖换填法、抛石挤淤法和爆破排淤法3种。
   ①开挖换填。开挖换填指在一定范围内,把影响路基稳定性的软土用人工或机械挖除,用无侵蚀作用的低壓缩散体材料置换,并分层夯实。按软土层的分布形态与开挖部位,有全面开挖换填和局部开挖换填。开挖换填的深度一般在2m以内。开挖的边坡应根据深度与土的抗剪度确定,一般为1:1左右。开挖换填所用填料一般有灰土、砂卵石、碎石及工业废渣等。
  换填石灰土。换填石灰土一般用于不渗水路基。土料就地取用粘性土打碎过筛,其粒径不大于15mm,石灰用块灰。在使用前2d~3d,浇水粉化,其粒径不大于5mm;灰、土体积配合比为2:8或3:7,拌和时根据气候和土的湿度适量浇水,拌好的灰土应颜色均匀一致,含水量以用手紧握灰土成团、两手指轻捏即碎为宜。铺设前,应将基底碾压数遍,铺土应分段分层进行并且夯实。铺上的灰土当日应及时压实,换填完毕,不能暴露过久,应连续进行路堤的填筑施工。
  ③换填砂、卵石。换填砂、卵石所用的材料宜为级配良好、质地坚硬的中粗砂和卵石、碎石,不含草根杂物,含泥量不超过3% ,石子粒径最大不宜超过5cm。人工级配的砂石,应将砂石拌和均匀然后铺填压实。换填每层松铺厚度为15cm一20 cm,施工时最佳含水量为8%~12% 。
   ④换填碎石、工业废渣。换填碎石或工业废渣是目前应用较多的一种地基加固方法。实践证明,碎石和工业废渣有足够强度,形变模量大,稳定性好,路基固结快,沉降能较快达到要求,一般要求碎石、废渣粒径为5mm一60mm,级配良好,含泥量不大于5%。
  2.2.3.2反压护道
   反压护道是在路堤两侧填筑一定宽度的护道,使路堤下的淤泥或泥炭向两侧隆起的趋势得到平衡,以提高路堤在施工中的滑动破坏安全系数,达到路堤稳定的目的。反压护道法加固路基的特点是不需要特殊的机具设备和材料,施工简易,但占地较多、土量较大、后期沉降大、养护工作量大,一般适用于非耕作区、取土方便地区的软土处理,对泥沼不宜采用。反压护道在施工时,一般应先填包括反压护道在内的砂垫层及路堤,最后填筑主路堤。同时在填筑中应避免过高堆填,而应分层铺筑,充分压实,并应有一定横坡度,以利于排水。两则反压护道应与主路堤同时填筑,特别是反压护道的填筑速度不得低于主路堤。
  3 结束语
  纵观多年来对高等级公路软基处理,路基条件是影响路基处理效果的主要因素,因此还需要我们在以后的施工实践中继续总结、摸索经验,以探求更好、更先进的软基处理方法。
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