湖區(qū)軟土地基路基拓寬處理技術(shù)研究

李星星

(青海省公路科研勘測設(shè)計院,青海西寧 810008)

湖區(qū)軟土路基道路拓寬工程在道路拓寬改造工程完成后,軟土地基上路面常出現(xiàn)縱、橫向裂縫病害,裂縫寬度視路堤高度、軟土厚度及其性質(zhì)等而不同。新老路基結(jié)合部位處理方法、新老路基不均勻沉降及產(chǎn)生的危害是路基拓寬工程中急需研究解決的問題。結(jié)合省道南縣至常德湖區(qū)公路拓寬工程,分析路基拓寬工程病害及其主要成因,采用了適合湖區(qū)路基拓寬工程處治技術(shù)。

1 試驗路段情況

1.1 試驗路段概況

根據(jù)南縣至常德湖區(qū)公路拓寬工程的設(shè)計資料和沿線的地質(zhì)情況,選擇填土高度≥3.5 m處的k25+700～k25+800路堤段和填土高度6 m處的k22+100～k22+200低路堤段2個典型試驗路段作為研究對象。低路堤試驗段原有老路路基寬9 m,路面寬5.0m,為給配碎石上罩2 cm瀝青簡易路面,左側(cè)毗鄰人工運河,右側(cè)為道路排水溝渠,為道路拓寬改造的典型地段。高路堤試驗段原有老路路基寬8.0m,路面寬4.0m,為瀝青路面,給配碎石、石灰土結(jié)構(gòu)層。通過這2段試驗路來分析和研究新老路基拓寬及新老路基結(jié)合部位處理情況。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露,試驗路段地質(zhì)構(gòu)造自上而下為:表層為人工填土,其中低路堤厚1～2m。高路堤厚2～4 m,其下為高液限粘土硬殼層,厚約2.0 m,含水量ω在33%～42%之間。再下為淤泥質(zhì)粘土,其中低路堤厚約5.0m,高路堤厚約6.5 m,含水量ω約在54%～70%之間,其孔隙比e在1.4～2.2之間,壓縮系數(shù)α1-2在1.4～2.8MPa之間,地質(zhì)條件極差。再下為粘土、亞粘土層等,地質(zhì)條件較好。

1.2 試驗段路基拓寬處理內(nèi)容

1.2.1 軟土地基處理

根據(jù)計算結(jié)果決定,低路堤試驗段新拓寬路基部分軟土地基不作特殊處理,可按正常路基施工。高路堤試驗段新拓寬路基部分軟土地基采用粉體攪拌樁處理,粉噴樁樁徑為0.5m,間距為1.2 m,正三角形布置,樁長13 m;每延米水泥噴入量為60 kg。粉體攪拌樁處理軟土地基,是為了確保高路堤路基穩(wěn)定,最大限度地降低施工沉降和工后沉降,以減少新老路基的不均勻沉降。

1.2.2 新老路基與路面結(jié)合部位處理

對原有老路一側(cè)或者兩側(cè)改造路基與路面時,在結(jié)合部位主要采取如下措施進行處理:

1)清除原路肩邊坡上草皮、樹根及腐植土等雜物,并挖臺階處理。臺階尺寸為高小于30 cm,寬大于45 cm,臺階挖好后與新路基一同進行分層回填碾壓施工;原有路肩質(zhì)量較差,達不到設(shè)計要求時,將土路肩翻曬或摻灰重新碾壓,以達到質(zhì)量要求。

2)在低路堤試驗段新老路基結(jié)合部位采用3層防土工布處理,土工布寬一般為4m以上,水平鋪在新老路基結(jié)合部位上,每層相隔20 cm。

3)高路堤不均勻沉降差大,故在新老路基與路面結(jié)合部位采用高強度的土工格柵處理,以加強新老路基的結(jié)合強度,從而解決新老路基的不均勻沉降。土工格柵共布置7層,自下而上第一層布置在老路面上,第二層布置在路床向下60 cm處,第三層布置在路床向下40 cm處,第四層布置在路床向下20 cm處,第五層布置在路床上,第六層布置在二灰土底基層上,第七層布置在二灰碎石基層中間。

1.3 沉降標設(shè)置與觀測

低路堤試驗段地表平整后,路基材料回填前埋置沉降板,即在k25+725和k25+775兩斷面左、中、右共埋置6處沉降板。高路堤試驗段在溝塘內(nèi)用石屑回填至水面以上再碾壓密實,其上再分層回填土。待粉噴樁施工完成后,在路基土分層回填前進行反壓護道施工,同時在k22+120和k22+170兩斷面也埋置6個沉降板。通過沉降觀測,及時掌握地基沉降變化,為路面施工提供科學依據(jù)。

2 試驗路段沉降計算

2.1 主固結(jié)沉降與總沉降計算

用e-P曲線和分層總和法計算主固結(jié)沉降:每層沉降為Si=(e1i-e2i)×hi/(1+e1i),主固結(jié)沉降為Sc=ΣSi。根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》第4.3.4.1條經(jīng)驗公式S=m×Sc(m為經(jīng)驗系數(shù),范圍1.1～1.7)[1],低路堤k25+725處取1.3,k22+120高路堤處取1.6,其路基斷面各點沉降值分別見圖1、圖2。

圖1 k25+725路基總沉降

圖2 k 22+120路基總沉降

2.2 新老路基工后沉降差計算

根據(jù)分層總和法計算出的新路基最終沉降量,再由固結(jié)系數(shù)推測出低路堤施工期沉降固結(jié)度ui=42.9%,同樣由豎向固結(jié)系數(shù)推測出高路堤k22+120路基施工期沉降固結(jié)度ui=26.4%。根據(jù)分層總和法計算出的老路基最終沉降量,再由Cv推測到本次施工前沉降固結(jié)度ui=95%。拓寬路基后的工后沉降值為[2]:

S工后=(S新總-95%S老總)×(1-ui)

2.3 工后路基沉降差處理

通過計算可知,低路堤新老路基工后不均勻沉降值是明顯的,其不均勻沉降差也是均勻的。為減輕新老路基不均勻沉降差所造成的破壞,在低路堤試驗階段新老路基結(jié)合部采用挖臺階和土工布處理,以加強結(jié)合部位強度。

高路堤新老路基工后沉降差較大,尤其新拓寬一側(cè),不均勻沉降差值大,左右特別明顯,對路基破壞力太大,為此,軟土地基采用粉噴樁進行處理,為此應計算出路基用粉噴樁處理后k22+120斷面各點的總沉降值S粉。

根據(jù)《軟規(guī)》第5.9.11條“加固土樁固結(jié)度不考慮加固土樁體的排水固結(jié)作用”[1]。故粉噴樁處理范圍內(nèi)路基沉降固結(jié)度不變ui=26.4%。則k22+120整個路基工后沉降計算公式:粉噴樁處理范圍以外S工后=(S新總-95%S老總)×(1-ui)。粉噴樁處理范圍內(nèi)S工后=(1-ui)S粉。

路基粉噴樁處理后新老路基不均勻沉降減少很多,特別是新老路基左右工后沉降差顯著減少,但路基工后不均勻沉降差仍較大,特別在新老路基結(jié)合部位,最大理論突變差值為16.4 cm,工后不均勻沉降破壞力是相當大的,為減輕不均勻沉降差造成的破壞。高路堤新老路基與路面結(jié)合部位采用挖臺階的方法,并鋪設(shè)7層土工格柵處理,以加強新老路基與路面結(jié)合部位強度,增強路基路面的整體抗變形能力,解決不均勻沉降所帶來的路面開裂、路基滑動等危害。

3 實測與計算比較

為了更好地反映軟基沉降規(guī)律,把沉降板處的填土曲線、計算沉降曲線、實測沉降曲線作為時間的相關(guān)變量繪制于同一張圖中,以利比較與參考。

3.1 低路堤沉降曲線比較

低路堤k25+725斷面新、老路基沉降計算與實測沉降曲線,分別見圖3、圖4。根據(jù)計算與實際觀測曲線,實測值結(jié)果小于計算值,且實測沉降曲線末端斜率小于計算值,工后沉降也比計算小。

3.2 高路堤沉降曲線比較

k22+120斷面新、老路基沉降計算與實測沉降曲線,分別見圖5、圖6。根據(jù)計算與實際觀測結(jié)果可知,高路堤用粉噴樁處理后,沉降值大大減少,但實際觀測總沉降及每月沉降均大于計算值,工后沉降仍然較大。

圖3 k 25+725老路基沉降曲線

圖4 k 25+725新路基沉降曲線

圖5 k 22+120老路基沉降曲線

圖6 k 22+120新路基沉降曲線

3.3 新老路基拓寬處理技術(shù)分析

3.3.1 低路堤處理技術(shù)分析

低路堤實測沉降小于理論計算沉降,主要原因為地表硬殼層使路基荷載應力擴散,即路基下土層實際附加應力小于理論計算。《軟規(guī)》中經(jīng)驗公式S=m×Sc對于低路堤所取的經(jīng)驗系數(shù)m應小于1,取0.6～0.9較符合實際情況。低路堤新拓寬路基部分軟土地基可以不處理,主要由于軟土地基沉降固結(jié)很慢,若采用預壓措施,效果也是不明顯的,若采用軟土地基處理,則造價太高。因此設(shè)計及施工中可盡量利用原狀土結(jié)構(gòu)強度,不擾動下臥軟土層,進一步維持硬殼層的整體作用,同時在路基中鋪設(shè)土工布或土工格柵,以加強路基的整體強度及板體作用,防止路基因不均勻沉降而產(chǎn)生反射裂縫。

3.3.2 高路堤處理技術(shù)分析

軟土地基未經(jīng)處理的高路堤老路基實際沉降大于理論計算沉降,原因可能是《軟規(guī)》經(jīng)驗公式S=m×Sc的經(jīng)驗系數(shù)m取值范圍偏小,從觀測結(jié)果及老路基沉降情況來看,高路堤沉降系數(shù)m大于規(guī)范上限1.7,軟土蠕變側(cè)移引起的沉降值較大,因軟土固結(jié)很慢,使得高路堤路基工后會持續(xù)不斷地下沉。為減少工后沉降量,對高路堤路基必須綜合處理[3-5]。

高路堤路基經(jīng)過粉噴樁特殊處理后,其沉降量無論是實際沉降值還是理論計算值均明顯降低,從觀測結(jié)果來看,新拓寬的高路堤采用粉噴樁處理軟基效果是非常顯著的。

當高路堤路基拓寬后,新老路基不均勻沉降仍然比較明顯,特別在拓寬一側(cè),老路基邊坡范圍沉降差明顯,產(chǎn)生突變點,易在此產(chǎn)生不均勻沉降裂縫及滑動剪切面。若不采取特殊措施,結(jié)合處工后不均勻沉降破壞力仍然較大,此處仍需重點控制,本試驗段在新老路基與路面結(jié)合部位采用挖臺階、鋪設(shè)7層土工格柵處理,目前從工后實測看,效果是顯著的?？梢约訌娦吕下坊Y(jié)合部位強度,增強路基路面的整體抗變形能力,防止路面開裂。

高路堤新拓寬部分軟土地基必須進行特殊處理,主要由于軟土沉降固結(jié)很慢,路基工后沉降量大,經(jīng)常使新老路面產(chǎn)生明顯破壞,甚至影響工程使用。因此設(shè)計及施工中為了確保路基穩(wěn)定,減少路基工后沉降,對高路堤拓寬可采取打粉噴、砂樁、塑料排水體、碎石樁等軟基處理措施,并配合填筑輕型材料。同時在新老路基與路面結(jié)合部位采用挖臺階及鋪設(shè)土工布或土工格柵等[6]。

4 結(jié)論

1)對低路堤道路拓寬結(jié)合部位采取挖臺階和加鋪土工布的處理方法是可行的;對高路堤道路拓寬結(jié)合部位采取粉體攪拌樁處理軟土地基,再采取用挖臺階和加鋪土工格柵來加強路基與路面結(jié)合部位質(zhì)量的方法是科學合理的。軟土路基低路堤一般不需采取其它特殊措施處理;軟土地基高路堤路基通常應采用軟土地基特殊處理和增加路基反壓護道等方法進行綜合處理。

2)軟土地基道路拓寬處理方法須根據(jù)道路的性質(zhì)、軟土的厚度及其特性、路堤高度和原路況等情況確定。該公路路面建成通車2 a多,無裂縫現(xiàn)象產(chǎn)生,效果是明顯的,不僅能節(jié)省工程造價,而且能方便施工,縮短工期,具有較好的推廣價值。

[1]JTJ 017-96,公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]TB-10l 13-96,粉體噴攪法加固軟土層技術(shù)規(guī)范[S].

[3]錢家歡,土力學[M],南京:河海大學出版社,1995.

[4]趙維炳,施建勇.軟土固結(jié)與流變[M].南京:河海大學出版社,1996.

[5]折學森.軟土地基沉降計算[M].北京:人民交通出版社,1998.

[6]洪毓康.土質(zhì)學與土力學[M].北京:人民交通出版社,1987.