曹正波,王曉明
(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,河北 石家莊 050000)
受益近十幾年國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施投資的高速增長(zhǎng),我國(guó)高速公路建設(shè)經(jīng)歷了一個(gè)前所未有的飛速發(fā)展時(shí)期,截至2013 年底我國(guó)高速公路通車總里程已突破10萬(wàn)km,是15年前的12倍。
縱觀國(guó)家路網(wǎng),最密集的地區(qū)當(dāng)屬東部沿海地區(qū),尤以京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角這三個(gè)地區(qū)為甚。這三個(gè)地區(qū)均廣泛分布著軟土,長(zhǎng)三角、珠三角地區(qū)多海相沉積地層,軟土厚度大;京津冀東南部平原區(qū)以沖洪積、湖積地層為主,東部濱海區(qū)以海相沉積及沖洪積地層為主。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,工后沉降一直是高速公路建設(shè)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題。軟土地基物理力學(xué)性質(zhì)的差異、分布結(jié)構(gòu)的不同、處理方式的區(qū)別以及施工質(zhì)量的好壞,都對(duì)工后沉降有著至關(guān)重要的影響,而路基的工后沉降恰恰直接關(guān)系到人們的行車體驗(yàn)?zāi)酥涟踩?,是評(píng)價(jià)高速公路質(zhì)量的關(guān)鍵。
本文針對(duì)河北地區(qū)巖土工程特點(diǎn),以邢衡高速公路衡水段為例,結(jié)合多條高速公路建設(shè)經(jīng)驗(yàn),對(duì)換填法、排水固結(jié)法、復(fù)合地基法、強(qiáng)夯(置換)法等常見高速公路軟土地基處理方法,在方案選擇及應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析總結(jié)。
軟土是指以靜水或緩慢流水環(huán)境中沉積的飽和軟弱黏性土或淤泥為主的土體,一般呈軟塑~流塑狀態(tài),具有高壓縮性、強(qiáng)度低、透水性差、靈敏度高等特點(diǎn),其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。
表1 軟土軟弱土判別指標(biāo)
在河北地區(qū),尤其是在唐山、秦皇島、廊坊、滄州、衡水等東部地區(qū),除軟土外,更廣泛分布著一種工程性質(zhì)較差的土體,它的各項(xiàng)指標(biāo)比軟土指標(biāo)稍好(見表1),但比正常土的各項(xiàng)指標(biāo)又要差很多,由于分布廣且具有很強(qiáng)的工程意義,在河北省被定義為軟弱土,并已收錄在“河北省高速公路勘察設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化指南”作為地方性標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
軟土地基處理方法按加固機(jī)理主要分為換土墊層法、深層密實(shí)法(強(qiáng)夯法、擠密法)、排水固結(jié)法、膠結(jié)法(注漿法、水泥土攪拌樁法)等。
這些方法從本質(zhì)來(lái)說(shuō)可歸為三類,第一類是置換,即用好的材料換掉差土層,如換填法、CFG樁法等;第二類是原土的改良,即在不加入其他材料的情況下,追密土體,以提高其物理力學(xué)指標(biāo),如固結(jié)法、強(qiáng)夯法;最后一類是通過(guò)外加劑對(duì)土體進(jìn)行改良,如水泥土攪拌樁法、高壓旋噴法等。
現(xiàn)在常用的各種方法無(wú)外乎上述三類之一或其組合。在河北省高速公路項(xiàng)目中,最常用的是換填法、排水固結(jié)法、復(fù)合地基法和強(qiáng)夯(置換)法。
對(duì)于地基處理設(shè)計(jì),方案選擇是根本,質(zhì)量控制是關(guān)鍵,動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是靈魂。
在選擇處理方案時(shí),應(yīng)本著因地治宜的原則,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,按不同路段的不同控制指標(biāo),從預(yù)期效果、材料來(lái)源、施工進(jìn)度、質(zhì)量控制以及對(duì)環(huán)境的影響等各方面綜合考慮,對(duì)各種有效可行的處理方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比選,從中選擇最優(yōu)方案或組合。
地基處理設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)遵循設(shè)計(jì)方案整體性、針對(duì)性、連貫性的理念,使各處理方案選擇合理,銜接順暢;遵循加強(qiáng)觀測(cè)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的理念,以觀測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),適時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案;遵循少加固,多預(yù)壓的理念,優(yōu)化施工組織,合理利用工期。
下面以邢衡高速公路衡水段地基處理為例,簡(jiǎn)要說(shuō)明處理方案選擇的過(guò)程及應(yīng)注意的問(wèn)題。
邢衡高速公路衡水段,地處河北省南部衡水境內(nèi),衡水市地處滹沱河古沖洪積扇及其與滏陽(yáng)河沉積的交錯(cuò)地帶,古黃河、古漳河長(zhǎng)期泛濫淤積而形成的堆積平原區(qū),局部有坑塘。
項(xiàng)目主線全長(zhǎng)53.532km,其中橋梁總長(zhǎng)9.131m,路基段長(zhǎng)44.4km,全線路基連續(xù)分布有厚度不等的軟土、軟弱土,其頂面埋深一般在0~5m。軟土層的天然含水量ω在33.5%~53.5%之間,孔隙比e在0.916~1.604 之間,液性指數(shù)IL在0.51~1.55之間,壓縮指數(shù)a1-2在0.56~1.10MPa-1之間,壓縮模量Es在2.2~5.3MPa之間,標(biāo)貫擊數(shù)N在2~5擊之間。
初步計(jì)算,場(chǎng)地若不處理,總沉降量一般在40~90cm 之間,工后沉降量為20~45cm,按1.3 倍的沉降修正系數(shù)計(jì)算,工后沉降量,絕大部分路段高于30cm,不滿足橋頭路段(10cm)、整體式基礎(chǔ)(20cm)以及普通路基段(30cm)的沉降控制要求,故應(yīng)進(jìn)行地基處理。
根據(jù)前述地質(zhì)情況,初步判斷全線均可采用復(fù)合地基或固結(jié)法處理,淺層換填及強(qiáng)夯法需視具體地質(zhì)情況及施工環(huán)境而定。結(jié)合工期,經(jīng)試算,固結(jié)方案在一般路段可行,但橋頭及高填路段由于施工組織及工期問(wèn)題不太適宜。部分典型斷面結(jié)果見表2。
再綜合經(jīng)濟(jì)性,得出本項(xiàng)目可主要采用固結(jié)方案,輔以復(fù)合地基處理橋頭及高填路段的設(shè)計(jì)思路。
表2 部分典型斷面計(jì)算成果表
基于上述初步分析結(jié)果,根據(jù)各地基處理方法的適用性對(duì)地勘資料進(jìn)一步分析、整理。按照軟土的埋深、厚度以及軟土與透水性(或相對(duì)透水性)土層(粉土、砂土)的分布關(guān)系等將全線軟土地基分為以下四種類型,見圖1~4。
圖1 厚層軟土(a型)
圖2 地表出露的薄層軟土(b型)
圖3 與透水層接觸的薄層軟土(c型)
圖4 與非透水層接觸的薄層軟土(d型)
上述四種地質(zhì)類型中,a型地層適宜采用復(fù)合地基及固結(jié)法;b 型適宜采用換填法和強(qiáng)夯(置換)法;c 型適宜采用固結(jié)法;d 型適宜采用復(fù)合地基及排水固結(jié)法。
經(jīng)綜合比選,最后擬采用復(fù)合地基處理橋頭及箱涵,采用排水固結(jié)法處理6m 以內(nèi)填高的路基段,采用拋石強(qiáng)夯法處理坑塘,局部采用換填或強(qiáng)夯(置換)法處理淺表層軟基。
對(duì)擬定的各方案逐段進(jìn)行復(fù)算,選定合適的處理參數(shù),細(xì)化處理段落,完善施工工藝、質(zhì)量控制、沉降觀測(cè)以及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。
(1)該法簡(jiǎn)單可靠,一般適用于表層軟土厚度小于3m的淺層軟弱地基處理。
(2)在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮場(chǎng)地的適宜性、換填材料的經(jīng)濟(jì)性、棄方以及環(huán)保問(wèn)題。
(1)該法簡(jiǎn)單可靠,經(jīng)濟(jì)性強(qiáng),但需要足夠的預(yù)壓期。
(2)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮北方冬歇期利用。
(3)實(shí)施過(guò)程中應(yīng)充分利用觀測(cè)數(shù)據(jù),模擬推斷工后沉降量,以動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)壓設(shè)計(jì)(包括預(yù)壓荷載、預(yù)壓期等參數(shù))。
(4)當(dāng)線路上采用等載或超載預(yù)壓時(shí),應(yīng)協(xié)調(diào)荷載來(lái)源;當(dāng)長(zhǎng)距離、大段落采用預(yù)壓,應(yīng)考慮路線兩側(cè)居民通行問(wèn)題。
(5)河北省經(jīng)常采用欠載預(yù)壓方案,即不計(jì)路面結(jié)構(gòu)層荷載,僅正常填筑路堤至上路床頂,并預(yù)留一定的預(yù)沉降,然后通過(guò)合理調(diào)整預(yù)壓期,以滿足設(shè)計(jì)要求。欠載方案在唐曹、大廣、邢衡、京滬等項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用,均取得了良好效果,值得借鑒推廣。
(1)該法適用范圍廣,施工速度快,處治效果好,能很好控制路堤的穩(wěn)定及工后沉降,在橋頭等構(gòu)造物區(qū)域廣泛應(yīng)用,但其經(jīng)濟(jì)性較差,部分樁型有一定的污染性,選擇材料時(shí)尚應(yīng)考慮地下水的腐蝕性等問(wèn)題。
(2)由于復(fù)合地基是由建筑行業(yè)引入,其理論更適用于剛性基礎(chǔ)之下,對(duì)于高速公路路基而言,復(fù)合地基樁頂墊層的剛性越大,越能充分發(fā)揮樁的作用,實(shí)際情況與理論計(jì)算值越接近。
(3)剛性樁、半剛性樁可設(shè)置樁帽以充分發(fā)揮樁體作用。
(4)各種樁體有各自的適用條件,應(yīng)充分注意,如水泥土攪拌樁法無(wú)法穿透中密以上砂土層,不適用于有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)10%的土,也不適用于十字板剪切強(qiáng)度小于10kPa的軟土;CFG樁法不適宜十字板剪切強(qiáng)度小于20kPa的地層;灰土樁不適于地下水位以上地層等。
(5)河北地區(qū)由于粉煤灰利用價(jià)值上升而導(dǎo)致來(lái)源緊張,價(jià)格上漲,現(xiàn)經(jīng)常用C20素混凝土樁代替CFG樁。
(6)復(fù)合地基檢測(cè)周期可經(jīng)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)28d與90d的對(duì)比關(guān)系,以指導(dǎo)施工。
(7)由于是隱藏性工程,非預(yù)制打入式復(fù)合地基的樁體施工質(zhì)量控制尤為關(guān)鍵,應(yīng)予以高度重視。
(1)該法施工簡(jiǎn)單,加固效果好,使用經(jīng)濟(jì),沉降量直觀,原來(lái)廣泛應(yīng)用于黃土及砂性土的處理中,近年來(lái)在軟土處理中逐漸推廣。
(2)在飽和軟黏土中用該法時(shí)一定要進(jìn)行試夯,以確定其可行性及相關(guān)參數(shù)。
(3)強(qiáng)夯法處理軟基的原理是動(dòng)力固結(jié),需要足夠的時(shí)間使孔隙水壓力消散,土的黏性越大,間歇時(shí)間越長(zhǎng);為加速孔隙水壓力的消散,可設(shè)置袋裝砂井或塑料排水板。
(4)強(qiáng)夯法對(duì)周圍環(huán)境影響較大,周邊有建筑物、養(yǎng)殖場(chǎng)等時(shí)不宜使用。
(5)在河北高速公路建設(shè)項(xiàng)目中,強(qiáng)夯置換法引申為拋石強(qiáng)夯法處理坑塘淺層軟基,即在不排水、不清淤的情況下,拋填塊石或片石至水位以上,然后進(jìn)行強(qiáng)夯,以達(dá)到擠淤置換的目的,該法施工便捷、經(jīng)濟(jì),處理效果良好,自唐曹高速應(yīng)用以來(lái),在其他項(xiàng)目中也得到廣泛推廣。
本文結(jié)合河北省地質(zhì)情況特點(diǎn),以邢衡高速公路衡水段地基處理為例,通過(guò)比選地基處理方法,劃分地質(zhì)模型,確定處理方案,并總結(jié)各處理方法需注意的關(guān)鍵技術(shù)性問(wèn)題,為其他工程提供了經(jīng)驗(yàn)參考。
地基處理在方法選擇上要切實(shí)可行,施工工藝上要力求簡(jiǎn)單易操作;質(zhì)量控制是關(guān)鍵,檢驗(yàn)、檢測(cè)要重視;加強(qiáng)觀測(cè),動(dòng)態(tài)調(diào)整;總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、注意細(xì)節(jié);只有綜合考慮、系統(tǒng)實(shí)施才能保障地基處理最終良好的效果。
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